特陶热点应用之“汽车上的特种陶瓷应用案例”

日期：2021-05-07 浏览次数：次

特种陶(tao)瓷(ci)属于(yu)精细陶(tao)瓷(ci)的(de)一个(ge)分支，通常以精制高纯的(de)化(hua)(hua)工产品(pin)为原料，在(zai)化(hua)(hua)学组(zu)成、内部结构和使用性能等各(ge)方面均不同于(yu)传统陶(tao)瓷(ci)。汽车用(yong)特种陶(tao)瓷分为(wei)功能陶(tao)瓷和结构陶(tao)瓷两大类。其(qi)主要品种(zhong)有氧化铝(lv)，氮化硅，碳化硅，氧化锆等。

功能(neng)(neng)陶(tao)(tao)瓷利用(yong)其绝缘性(xing)、介电性(xing)、半导电性(xing)和(he)磁性(xing)等功能(neng)(neng)来控制各种传感(gan)器(qi)，以(yi)满足汽车(che)电子化的(de)(de)迅猛发(fa)展；结(jie)构陶(tao)(tao)瓷具有高温工(gong)况下强度高、耐(nai)磨(mo)性(xing)好、低密度和(he)低膨胀系数等性(xing)能(neng)(neng)，广泛用(yong)于(yu)发(fa)动机和(he)热交换零件的(de)(de)制造，有利于(yu)提高发(fa)动机热效率(lv)及(ji)受热件的(de)(de)使用(yong)寿命。

陶瓷材料主要(yao)应用于汽车上一些有较高耐(nai)热性、良好摩擦(ca)性（甚至无润(run)滑剂(ji)时(shi)）或(huo)惯性较小的部件中。本文将为大家(jia)“挖掘”一下特种陶瓷在汽车上的应用具体都有哪一些。

一(yi)、陶瓷在(zai)汽车(che)发动机上的应用

汽车发(fa)动机(ji)发(fa)展了近百年，热(re)效(xiao)(xiao)率始(shi)终(zhong)在一个(ge)学渣的水(shui)平上徘徊。目前(qian)应用于(yu)汽车发(fa)动机(ji)主要(yao)有柴(chai)油机(ji)（热(re)效(xiao)(xiao)率一般在35%-45%）及汽油机（热效率一般在25%-35%之间）这两种。所以说，燃油发动机的研发之路还有很远，还需要工程师们不屑的努力开发。

如果算汽车行驶(shi)时的效(xiao)率来(lai)算，部分(fen)汽油发动机效(xiao)率只有20%以下，甚至更少。那为啥效率这么低？那些损失的能量到底变成了啥？请见下图。

▲图 1发动机能耗分(fen)布简图

为了提高(gao)(gao)发动机(ji)(ji)效(xiao)率(lv)，减少能(neng)量(liang)损耗(hao)，这就需要(yao)取消或部分取消冷却系统，使(shi)用耐高(gao)(gao)温(wen)隔热(re)材(cai)料以(yi)减少燃烧室热(re)量(liang)的(de)损失(shi)，使(shi)发动机(ji)(ji)可在更高(gao)(gao)的(de)工作(zuo)温(wen)度下(xia)工作(zuo)，使(shi)发动机(ji)(ji)的(de)燃油效(xiao)率(lv)更高(gao)(gao)。而特(te)种陶瓷材(cai)料耐热(re)、耐磨(mo)、耐腐(fu)蚀、热(re)膨胀系数小，非(fei)常适(shi)合用于制(zhi)造陶瓷绝热(re)发动机(ji)(ji)。

下表为一些汽车工业(ye)较为发(fa)达的(de)国家在绝(jue)热发(fa)动机上(shang)采用的(de)结构陶瓷材料。

备注(zhu)：表格(ge)数据来源于网络，仅供参考。

表1 绝热发动机上采用的结构陶瓷材料

★举例：日本日野汽车公司(si)开发(fa)了陶瓷发(fa)动机，该机气缸套、活(huo)塞、气门等40%的燃烧室零件用陶瓷材料制成，取消了散热器和冷却装置，提高功率10%降低油耗30%。

其气(qi)门(men)及气(qi)门(men)挺杆上采用(yong)(yong)或部分采用(yong)(yong)了比重较低的氮化硅(gui)陶瓷；气(qi)门(men)加热器则采用(yong)(yong)了钛酸钡瓷系PTC（热敏电阻）；活塞采用了氮化硅陶瓷制备的陶瓷纤维活塞，耐磨性好，可以有效防止铝合金活塞由于热膨胀系数大而产生的“冷敲热拉”现象。

二、汽车陶瓷刹车盘-反应(ying)快，耐热

陶瓷刹车盘并非普通(tong)陶瓷，而(er)是在1700℃高温下碳纤维与碳化硅合成的增强型复合陶瓷，其重量只有普通铸铁盘的一半不到。更轻的刹车盘就意味着悬挂下重量的减轻，这令悬挂系统的反应更快，因而能够提升车辆整体的操控水平。

另外(wai)，普通的刹车碟容(rong)易在全(quan)力制(zhi)动下因(yin)高热产生热衰(shuai)退(tui)，而陶瓷刹车碟能有(you)效而稳定的抵(di)抗(kang)热衰(shuai)退(tui)，陶瓷复合材料能承受1000摄氏度以上温度，因此陶瓷复合材料刹车盘的使用寿命是普通铸铁盘6倍。

▲图(tu)2 碳化(hua)硅陶(tao)瓷刹车(che)盘

陶(tao)瓷刹车盘造(zao)价昂贵，例如一套Brembo的碳陶瓷刹车系统，售价在十几万，一般应用于高级跑车或赛车上。

三、汽车减振器上的(de)陶瓷-高(gao)灵敏度

高级轿车(che)的减(jian)振(zhen)装置是综合利用(yong)敏感陶(tao)瓷正压电(dian)效(xiao)(xiao)应(ying)、逆压电(dian)效(xiao)(xiao)应(ying)和电(dian)致伸缩(suo)效(xiao)(xiao)应(ying)研制成(cheng)功的智(zhi)能(neng)减(jian)振(zhen)器。由于采用(yong)高灵敏度陶(tao)瓷元件，这(zhei)种减(jian)振(zhen)器具有识别路面且能(neng)做自我(wo)调(diao)节(jie)的功能(neng)，可以将(jiang)轿车(che)因粗糙路面引起的振(zhen)动降到最(zui)低限(xian)度。

四、陶瓷在汽(qi)车传感器上的应用

车用(yong)传(chuan)感(gan)器需满足小(xiao)型轻(qing)量，重复性(xing)使用(yong)性(xing)好(hao)，能适应汽(qi)车特有恶(e)劣环境(jing)的要求(qiu)。陶(tao)瓷传(chuan)感(gan)器实(shi)现的功能是多(duo)样的，见下表(biao)2.

▼表(biao)2 部(bu)分功能(neng) 陶瓷传感器举例

★举例：氧化锆陶瓷氧传感器在汽车上的应用

汽(qi)车尾气中(zhong)所含有污染(ran)气体(ti)是危害大气环境(jing)的主(zhu)要因素(su)之一。现虽(sui)有新能(neng)源汽(qi)车在(zai)推(tui)广，但基于成(cheng)本、适用性等等各(ge)种(zhong)原因，新能(neng)源汽(qi)车普及率还是极低，因此汽(qi)车尾气对环境(jing)的污染(ran)还是一个重(zhong)大的问题。

汽(qi)(qi)车(che)氧传感器是(shi)测(ce)量汽(qi)(qi)车(che)排气(qi)系统中氧气(qi)的(de)含量，进(jin)而修正发动机(ji)的(de)喷油，以此达到最佳的(de)空燃比，从而节省燃油，降(jiang)低排气(qi)中(CO)一氧化碳、(HC)碳氢化合物和(NOx)氮氧化合物成份排量。

▲图3汽车传感器

因为氧(yang)传感器(qi)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)在于侧得排(pai)气系(xi)(xi)统中(zhong)(zhong)的(de)(de)氧(yang)含量(liang)，所以氧(yang)传感器(qi)安装(zhuang)在汽车(che)的(de)(de)排(pai)气系(xi)(xi)统中(zhong)(zhong)。具体(ti)来(lai)讲，安装(zhuang)在排(pai)气管上。因为需(xu)要测得氧(yang)在经过三元催(cui)化剂两(liang)端的(de)(de)含量(liang)，所以氧(yang)传感器(qi)一般安装(zhuang)在三元催(cui)化剂的(de)(de)前(qian)端和后端各一个。

▲图4 汽车氧(yang)传感器(qi)安装(zhuang)位置(zhi)示意图

五、汽车用(yong)氮化硅(gui)陶瓷轴承

氮化(hua)硅具(ju)有良(liang)好的自润滑性，耐磨损，对(dui)润滑要(yao)求(qiu)低；高温力(li)学性能好，工作温度可达800℃，对冷却要求低，可用作陶瓷轴承，有些公司（如德国N2<公司），已批量生产全陶瓷轴承。

滚动体采用这种陶瓷(ci)的混合轴承的使用寿命可延长2-9倍，耐磨性提高9倍以上，工作温度可达600℃。

▲图5 滚动体(ti)(ti)为氮化(hua)硅(gui)陶瓷的(de)混(hun)合轴承

六、陶(tao)瓷薄膜喷(pen)涂(tu)技术

近年(nian)来，在航天技术(shu)中广泛应(ying)用(yong)(yong)的(de)陶(tao)瓷薄膜(mo)喷(pen)涂(tu)技术(shu)开始应(ying)用(yong)(yong)于汽车上(shang)。这种(zhong)技术(shu)的(de)优点是隔热效(xiao)果好、能(neng)承受(shou)高(gao)温和高(gao)压、工艺成熟、质(zhi)量(liang)稳定。薄膜(mo)喷(pen)涂(tu)使用(yong)(yong)的(de)材料大(da)多(duo)为氧化(hua)锆(gao)（PSZ），喷涂厚度小于1.5mm。

为达(da)到低散热的(de)目标(biao)，可对发动机燃烧(shao)室部(bu)件进行陶(tao)瓷(ci)喷涂(tu)，如活塞顶喷1.25mm厚的氧化锆，缸套喷0.75mm厚的氧化锆。经过这种处理的发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗量。

七、其他(ta)陶瓷材料在(zai)汽车上的应用

陶瓷可用于(yu)柴(chai)油机(ji)微粒(li)过滤器中，材料(liao)是镁铝硅酸盐，与作为(wei)汽油机(ji)催化(hua)反应器载体的材料(liao)相似。加(jia)工(gong)时(shi)妥善地选(xuan)择材料(liao)的多孔(kong)度，可使滤清效率高达90%以上。过滤器再生温度高达1300℃，如果用金属过滤器，需要用耐热钢。陶瓷过滤器还可以降低成本。

在汽车(che)催化转化器(qi)中(zhong)，采(cai)用(yong)堇青石质蜂(feng)窝(wo)陶瓷作为催化剂载体，蜂(feng)窝(wo)型(xing)陶瓷载体呈多孔、质薄型(xing)结构，材料强度为100/mm2。堇青石耐高温、强度高、热膨胀系数低、体积质量小，适宜催化剂载体的环境。

结语

特(te)种陶瓷是正在(zai)不断开(kai)发的材料，原料的制取，材料的评估和(he)利用技术等(deng)许(xu)多方(fang)面(mian)尚待解决(jue)。受加工工艺复(fu)杂、制备(bei)成本高(gao)等(deng)原因限制，部分陶瓷在(zai)车上配件的应用并不是很成熟及普(pu)遍。

参(can)考资(zi)料:张金迎等：陶瓷材料在汽车上的应用

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