特陶热点应用之“汽车上的特种陶瓷应用案例” - 技术科普 - 新闻动态

特陶熱點應用之“汽車上的特種陶瓷應用案例”

日期：2021-05-07 瀏覽次數：次

特種(zhong)陶(tao)瓷屬于(yu)精(jing)(jing)細陶(tao)瓷的(de)一個分支，通(tong)常以(yi)精(jing)(jing)制高純的(de)化(hua)工產品為原料(liao)，在(zai)化(hua)學組成、內部(bu)結(jie)構和(he)使用性能等各(ge)方面(mian)均不同于(yu)傳統陶(tao)瓷。汽車用特種陶(tao)(tao)瓷(ci)分(fen)為功能(neng)陶(tao)(tao)瓷(ci)和結構陶(tao)(tao)瓷(ci)兩大類。其主要品種有氧化(hua)鋁，氮化(hua)硅，碳化(hua)硅，氧化(hua)鋯等。

功能陶瓷利(li)用其絕緣性(xing)、介電(dian)性(xing)、半導電(dian)性(xing)和磁性(xing)等功能來控(kong)制各種傳感器(qi)，以滿足(zu)汽車電(dian)子(zi)化的迅猛(meng)發展；結構陶瓷具有(you)(you)高溫工況下強(qiang)度高、耐磨性(xing)好、低密度和低膨脹系數等性(xing)能，廣泛用于發動機和熱交換零件(jian)的制造，有(you)(you)利(li)于提高發動機熱效率(lv)及受熱件(jian)的使(shi)用壽命。

陶(tao)瓷材(cai)料主要應用于汽車上一些(xie)有較高耐熱性(xing)、良好摩擦(ca)性(xing)（甚至無潤滑劑時）或慣性(xing)較小的部件中。本文將為大家“挖掘”一下特種陶瓷在汽車上的應用具體都有哪一些。

一、陶瓷在汽車發動機上的應用

汽(qi)車發(fa)動(dong)機(ji)發(fa)展了近百年，熱效率始終在一個學渣(zha)的水(shui)平上徘徊(huai)。目前應(ying)用于汽(qi)車發(fa)動(dong)機(ji)主(zhu)要有柴(chai)油機(ji)（熱效率一般在35%-45%）及汽油機（熱效率一般在25%-35%之間）這兩種。所以說，燃油發動機的研發之路還有很遠，還需要工程師們不屑的努力開發。

如果(guo)算汽(qi)車行駛時的效(xiao)率(lv)來算，部分汽(qi)油發動機(ji)效(xiao)率(lv)只有(you)20%以下，甚至更少。那為啥效率這么低？那些損失的能量到底變成了啥？請見下圖。

▲圖 1發動(dong)機(ji)能耗分(fen)布簡圖

為了提高發(fa)動(dong)(dong)機(ji)效率，減少能(neng)量損(sun)耗，這就需要取消或部分(fen)取消冷卻系統，使(shi)用(yong)耐高溫隔熱材(cai)料以減少燃燒室熱量的損(sun)失，使(shi)發(fa)動(dong)(dong)機(ji)可在更(geng)(geng)高的工作溫度下工作，使(shi)發(fa)動(dong)(dong)機(ji)的燃油效率更(geng)(geng)高。而特種陶瓷(ci)材(cai)料耐熱、耐磨、耐腐蝕、熱膨脹系數小，非常適(shi)合用(yong)于制(zhi)造陶瓷(ci)絕熱發(fa)動(dong)(dong)機(ji)。

下表為一些汽車工業較為發(fa)達的國家在絕熱發(fa)動機(ji)上采用(yong)的結構陶瓷材料。

備(bei)注：表格(ge)數(shu)據來(lai)源于(yu)網絡，僅供參考。

表(biao)1 絕熱發動機上采用的結構陶瓷材料

★舉(ju)例：日(ri)(ri)本(ben)日(ri)(ri)野汽車(che)公司(si)開發(fa)了(le)陶瓷發(fa)動機，該機氣缸套、活塞、氣門等40%的燃燒室零件用陶瓷材料制成，取消了散熱器和冷卻裝置，提高功率10%降低油耗30%。

其氣門及氣門挺(ting)桿上(shang)采(cai)用(yong)或(huo)部分采(cai)用(yong)了(le)比重較低(di)的氮化硅陶瓷；氣門加(jia)熱器則采(cai)用(yong)了(le)鈦(tai)酸(suan)鋇瓷系PTC（熱敏電阻）；活塞采用了氮化硅陶瓷制備的陶瓷纖維活塞，耐磨性好，可以有效防止鋁合金活塞由于熱膨脹系數大而產生的“冷敲熱拉”現象。

二、汽車陶瓷剎車盤-反(fan)應快，耐(nai)熱

陶瓷剎車盤并(bing)非(fei)普通陶瓷，而是在(zai)1700℃高溫下碳纖維與碳化硅合成的增強型復合陶瓷，其重量只有普通鑄鐵盤的一半不到。更輕的剎車盤就意味著懸掛下重量的減輕，這令懸掛系統的反應更快，因而能夠提升車輛整體的操控水平。

另(ling)外，普通的(de)剎車碟容易在全力制動下因高熱(re)產生熱(re)衰退(tui)，而陶瓷(ci)剎車碟能(neng)(neng)有效而穩定的(de)抵抗(kang)熱(re)衰退(tui)，陶瓷(ci)復(fu)合材(cai)料能(neng)(neng)承受1000攝氏度以上溫度，因此陶瓷復合材料剎車盤的使用壽命是普通鑄鐵盤6倍。

▲圖2 碳化硅陶瓷(ci)剎車盤

陶(tao)瓷(ci)剎車盤造價昂貴，例如一套(tao)Brembo的碳陶瓷剎車系統，售價在十幾萬，一般應用于高級跑車或賽車上。

三、汽(qi)車減振器上(shang)的陶瓷-高靈(ling)敏度

高級轎車(che)的減振裝置是綜合利用(yong)(yong)敏感(gan)陶瓷(ci)正壓電效(xiao)應、逆壓電效(xiao)應和電致(zhi)伸縮效(xiao)應研制(zhi)成功的智能(neng)(neng)減振器。由于采用(yong)(yong)高靈敏度陶瓷(ci)元(yuan)件，這(zhe)種減振器具有識別路(lu)面且能(neng)(neng)做自我調節的功能(neng)(neng)，可以將轎車(che)因粗糙(cao)路(lu)面引起的振動降到(dao)最(zui)低限度。

四、陶瓷在汽車傳感器上的應用(yong)

車用傳(chuan)感器(qi)需滿足小型(xing)輕(qing)量(liang)，重復性使用性好，能(neng)適應汽車特(te)有(you)惡劣環境的要(yao)求(qiu)。陶瓷傳(chuan)感器(qi)實現的功能(neng)是多樣(yang)的，見下(xia)表(biao)2.

▼表2 部分功能(neng) 陶瓷傳(chuan)感器(qi)舉(ju)例(li)

★舉例：氧(yang)(yang)化(hua)鋯陶瓷氧(yang)(yang)傳感(gan)器在汽車上的應用

汽車(che)尾氣中所含(han)有污(wu)染(ran)氣體是危害大氣環(huan)(huan)境(jing)(jing)的(de)主要因素之一(yi)。現雖(sui)有新能源(yuan)汽車(che)在推廣，但基于成(cheng)本、適用性(xing)等等各種原因，新能源(yuan)汽車(che)普及率還是極低，因此汽車(che)尾氣對(dui)環(huan)(huan)境(jing)(jing)的(de)污(wu)染(ran)還是一(yi)個重(zhong)大的(de)問題。

汽車氧(yang)傳感(gan)器是測量汽車排氣(qi)系統中氧(yang)氣(qi)的(de)(de)含量，進而(er)修正發動機的(de)(de)噴油，以此達到最佳的(de)(de)空燃比(bi)，從(cong)而(er)節省燃油，降低排氣(qi)中(CO)一氧化碳、(HC)碳氫化合物和(NOx)氮氧化合物成份排量。

▲圖3汽車傳感(gan)器

因(yin)為(wei)氧傳感器(qi)(qi)的目的在(zai)(zai)于側得(de)排氣系(xi)統中的氧含(han)量，所以氧傳感器(qi)(qi)安(an)裝(zhuang)在(zai)(zai)汽車的排氣系(xi)統中。具(ju)體來講，安(an)裝(zhuang)在(zai)(zai)排氣管上。因(yin)為(wei)需要測得(de)氧在(zai)(zai)經過三(san)元催化劑兩端(duan)的含(han)量，所以氧傳感器(qi)(qi)一(yi)般安(an)裝(zhuang)在(zai)(zai)三(san)元催化劑的前端(duan)和后端(duan)各(ge)一(yi)個。

▲圖(tu)4 汽(qi)車氧傳感器安(an)裝位置示意(yi)圖(tu)

五(wu)、汽車用氮化硅陶瓷軸承

氮化(hua)硅(gui)具有良好的自潤(run)滑性，耐磨損，對潤(run)滑要求低；高(gao)溫力學性能好，工作溫度(du)可達800℃，對冷卻要求低，可用作陶瓷軸承，有些公司（如德國N2<公司），已批量生產全陶瓷軸承。

滾動體采用這種陶瓷的混合(he)軸承的使用壽命(ming)可延長2-9倍，耐磨性提高9倍以上，工作溫度可達600℃。

▲圖5 滾動體為氮化硅陶瓷的混(hun)合軸承

六、陶瓷薄膜噴涂技術

近(jin)年來，在(zai)航天技(ji)術中廣泛應用的(de)陶瓷薄膜(mo)噴涂技(ji)術開(kai)始應用于汽(qi)車(che)上。這種技(ji)術的(de)優點(dian)是隔熱效果好、能(neng)承受高(gao)溫和高(gao)壓、工(gong)藝成熟、質量穩(wen)定。薄膜(mo)噴涂使用的(de)材料大多為氧(yang)化(hua)鋯（PSZ），噴涂厚度小于1.5mm。

為達(da)到低散熱的目標，可對發動機燃燒室部件進行(xing)陶(tao)瓷噴涂，如活塞頂噴1.25mm厚的氧化鋯，缸套噴0.75mm厚的氧化鋯。經過這種處理的發動機可以降低散熱損失、減輕發動機自身質量、減小發動機尺寸、減少燃油消耗量。

七、其他陶瓷材(cai)料在汽車(che)上(shang)的應用(yong)

陶(tao)瓷可用于(yu)柴(chai)油機微粒過濾(lv)器中，材(cai)料是鎂(mei)鋁硅(gui)酸鹽，與作為(wei)汽油機催化反應器載體(ti)的材(cai)料相(xiang)似(si)。加(jia)工時妥善地(di)選擇材(cai)料的多(duo)孔度，可使濾(lv)清效率高達(da)90%以上。過濾器再生溫度高達1300℃，如果用金屬過濾器，需要用耐熱鋼。陶瓷過濾器還可以降低成本。

在(zai)汽車(che)催(cui)化(hua)轉化(hua)器中，采用堇青石質蜂窩陶(tao)瓷作(zuo)為催(cui)化(hua)劑載體(ti)，蜂窩型陶(tao)瓷載體(ti)呈多孔、質薄型結構，材(cai)料強度為100/mm2。堇青石耐高溫、強度高、熱膨脹系數低、體積質量小，適宜催化劑載體的環境。

結語

特種陶瓷是正在不斷(duan)開發(fa)的材料(liao)，原料(liao)的制取，材料(liao)的評估和利用(yong)技術等許(xu)多(duo)方面(mian)尚待解決。受加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝復雜、制備成本高等原因限制，部分陶瓷在車(che)上配件的應用(yong)并不是很成熟及普遍。

參(can)考資(zi)料:張金迎等：陶瓷材料在汽車上的應用

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