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特陶熱點應(yīng)用之“汽車上的特種陶瓷應(yīng)用案例”

日期：2021-05-07 瀏覽次數(shù)：次

特種陶瓷屬于精細(xì)陶瓷的一個分支，通常以精制高純的化工產(chǎn)品為原料，在化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用性能等各方面均不同于傳統(tǒng)陶瓷。汽車用特種陶瓷分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。其主要品種有氧化鋁，氮化硅，碳化硅，氧化鋯等。

功能陶瓷利用其絕緣性、介電性、半導(dǎo)電性和磁性等功能來控制各種傳感器，以滿足汽車電子化的迅猛發(fā)展；結(jié)構(gòu)陶瓷具有高溫工況下強(qiáng)度高、耐磨性好、低密度和低膨脹系數(shù)等性能，廣泛用于發(fā)動機(jī)和熱交換零件的制造，有利于提高發(fā)動機(jī)熱效率及受熱件的使用壽命。

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

一、陶瓷在汽車發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

汽車發(fā)動機(jī)發(fā)展了近百年，熱效率始終在一個學(xué)渣的水平上徘徊。目前應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)主要有柴油機(jī)（熱效率一般在35%-45%）及汽油機(jī)（熱效率一般在25%-35%之間）這兩種。所以說，燃油發(fā)動機(jī)的研發(fā)之路還有很遠(yuǎn)，還需要工程師們不屑的努力開發(fā)。

如果算汽車行駛時的效率來算，部分汽油發(fā)動機(jī)效率只有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(fā)動機(jī)能耗分布簡圖

為了提高發(fā)動機(jī)效率，減少能量損耗，這就需要取消或部分取消冷卻系統(tǒng)，使用耐高溫隔熱材料以減少燃燒室熱量的損失，使發(fā)動機(jī)可在更高的工作溫度下工作，使發(fā)動機(jī)的燃油效率更高。而特種陶瓷材料耐熱、耐磨、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小，非常適合用于制造陶瓷絕熱發(fā)動機(jī)。

下表為一些汽車工業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家在絕熱發(fā)動機(jī)上采用的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。

備注：表格數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考。

表1 絕熱發(fā)動機(jī)上采用的結(jié)構(gòu)陶瓷材料

★舉例：日本日野汽車公司開發(fā)了陶瓷發(fā)動機(jī)，該機(jī)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%。

其氣門及氣門挺桿上采用或部分采用了比重較低的氮化硅陶瓷；氣門加熱器則采用了鈦酸鋇瓷系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(shù)大而產(chǎn)生的“冷敲熱拉”現(xiàn)象。

二、汽車陶瓷剎車盤-反應(yīng)快，耐熱

陶瓷剎車盤并非普通陶瓷，而是在1700℃高溫下碳纖維與碳化硅合成的增強(qiáng)型復(fù)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(tǒng)的反應(yīng)更快，因而能夠提升車輛整體的操控水平。

另外，普通的剎車碟容易在全力制動下因高熱產(chǎn)生熱衰退，而陶瓷剎車碟能有效而穩(wěn)定的抵抗熱衰退，陶瓷復(fù)合材料能承受1000攝氏度以上溫度，因此陶瓷復(fù)合材料剎車盤的使用壽命是普通鑄鐵盤6倍。

▲圖2 碳化硅陶瓷剎車盤

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

三、汽車減振器上的陶瓷-高靈敏度

高級轎車的減振裝置是綜合利用敏感陶瓷正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)研制成功的智能減振器。由于采用高靈敏度陶瓷元件，這種減振器具有識別路面且能做自我調(diào)節(jié)的功能，可以將轎車因粗糙路面引起的振動降到最低限度。

四、陶瓷在汽車傳感器上的應(yīng)用

車用傳感器需滿足小型輕量，重復(fù)性使用性好，能適應(yīng)汽車特有惡劣環(huán)境的要求。陶瓷傳感器實現(xiàn)的功能是多樣的，見下表2.

▼表2 部分功能陶瓷傳感器舉例

★舉例：氧化鋯陶瓷氧傳感器在汽車上的應(yīng)用

汽車尾氣中所含有污染氣體是危害大氣環(huán)境的主要因素之一?，F(xiàn)雖有新能源汽車在推廣，但基于成本、適用性等等各種原因，新能源汽車普及率還是極低，因此汽車尾氣對環(huán)境的污染還是一個重大的問題。

汽車氧傳感器是測量汽車排氣系統(tǒng)中氧氣的含量，進(jìn)而修正發(fā)動機(jī)的噴油，以此達(dá)到最佳的空燃比，從而節(jié)省燃油，降低排氣中(CO)一氧化碳、(HC)碳?xì)浠衔锖?NOx)氮氧化合物成份排量。

▲圖3汽車傳感器

因為氧傳感器的目的在于側(cè)得排氣系統(tǒng)中的氧含量，所以氧傳感器安裝在汽車的排氣系統(tǒng)中。具體來講，安裝在排氣管上。因為需要測得氧在經(jīng)過三元催化劑兩端的含量，所以氧傳感器一般安裝在三元催化劑的前端和后端各一個。

▲圖4 汽車氧傳感器安裝位置示意圖

五、汽車用氮化硅陶瓷軸承

氮化硅具有良好的自潤滑性，耐磨損，對潤滑要求低；高溫力學(xué)性能好，工作溫度可達(dá)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(chǎn)全陶瓷軸承。

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

▲圖5 滾動體為氮化硅陶瓷的混合軸承

六、陶瓷薄膜噴涂技術(shù)

近年來，在航天技術(shù)中廣泛應(yīng)用的陶瓷薄膜噴涂技術(shù)開始應(yīng)用于汽車上。這種技術(shù)的優(yōu)點是隔熱效果好、能承受高溫和高壓、工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定。薄膜噴涂使用的材料大多為氧化鋯（PSZ），噴涂厚度小于1.5mm。

為達(dá)到低散熱的目標(biāo)，可對發(fā)動機(jī)燃燒室部件進(jìn)行陶瓷噴涂，如活塞頂噴1.25mm厚的氧化鋯，缸套噴0.75mm厚的氧化鋯。經(jīng)過這種處理的發(fā)動機(jī)可以降低散熱損失、減輕發(fā)動機(jī)自身質(zhì)量、減小發(fā)動機(jī)尺寸、減少燃油消耗量。

七、其他陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用

陶瓷可用于柴油機(jī)微粒過濾器中，材料是鎂鋁硅酸鹽，與作為汽油機(jī)催化反應(yīng)器載體的材料相似。加工時妥善地選擇材料的多孔度，可使濾清效率高達(dá)90%以上。過濾器再生溫度高達(dá)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。

在汽車催化轉(zhuǎn)化器中，采用堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷作為催化劑載體，蜂窩型陶瓷載體呈多孔、質(zhì)薄型結(jié)構(gòu)，材料強(qiáng)度為100/mm2。堇青石耐高溫、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、體積質(zhì)量小，適宜催化劑載體的環(huán)境。

結(jié)語

特種陶瓷是正在不斷開發(fā)的材料，原料的制取，材料的評估和利用技術(shù)等許多方面尚待解決。受加工工藝復(fù)雜、制備成本高等原因限制，部分陶瓷在車上配件的應(yīng)用并不是很成熟及普遍。

參考資料:張金迎等：陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用

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