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特种陶瓷材料在汽车上的应用

作者: 刘志国 [ 2014-02-15 ] 点击率: 2538

 

    所谓智能陶瓷,是指利用现代高科技工艺使某种陶瓷材料具有一定的人工智能或智慧的陶瓷材料。目前,智能陶瓷材料制品种类已经包括对使用环境敏感且能对环境变化作出灵敏反应的材料,已成为材料科学及工程领域中研究的亮点。智能陶瓷还包括有特殊的功能材料、驱动系统与反馈系统结合的智能材料系统或结构。由于其综合性的功能的发挥,它可适时感知与响应外界环境的变化,实现自测、自诊断、自修复、自适应等诸多性能。用于智能陶瓷系统的材料与制品,已形成仿生聚合物、导电聚合物,电流变流体、光纤传感系统、磁致伸缩材料、微电机系统、压电及电致伸缩陶瓷,压电聚合物、压电陶瓷/聚合物复合材料,形状记忆材料及聚合物等。其中功能陶瓷材料将是智能陶瓷及其器件进行汽车新型设计与发展使用的主要核心材料。
    特种陶瓷具有优良的综合性能,是汽车工业领域中很重要的材料,在汽车上的应用也越来越广泛。对于提高汽车的性能,降低油耗,减少排气污染,陶瓷材料都有着极其重要价值。随着科学技术的不断发展,汽车的研发及生产阶段越来越多地采用新材料及新工艺,这也使得人们对汽车轻质化、低成本、智能化、经济性和可靠性的要求成为可能,而对于新材料的使用,特种陶瓷材料便是其中最好的功能材料之一。对于陶瓷的分类,按材料及烧制工艺的不同通常分为传统陶瓷和特种陶瓷两大类。传统陶瓷以天然硅酸盐矿物为原料烧制而成,也叫硅酸盐陶瓷。与之相区别,人们将近代发展起来的各种陶瓷总称为特种陶瓷,也称为新型陶瓷、高技术陶瓷或精细陶瓷。特种陶瓷以精制高纯的化工产品为原料,在化学组成、内部结构、性能和使用效能等各方面均不同于传统陶瓷。特种陶瓷具有各种优异、独特的性能,应用在汽车上,对减轻车辆自身质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易损件寿命、完善汽车智能性功能都具有积极意义。
    特种陶瓷材料的性能由两种因素决定。首先是物质结构,主要是化学键的性质和晶体结构。它们决定陶瓷材料的性能,如耐高温性、半导体性及绝缘性等。其次是显微组织,包括分布、晶粒大小、形状、气孔大小和分布、杂质、缺陷等。普通陶瓷是用粘土、长石、石英为原料,经配制、烧结制成。这类陶瓷质地坚硬、不会氧化生锈、耐腐蚀、不导电、能耐一定高温、加工成型性好、成本低,但强度较低。一般最高使用温度不超过1200摄氏度,这类陶瓷产量大,种类多,广泛用于电气、化工等行业。
    特种陶瓷种类中的的氧化铝陶瓷。又称高铝陶瓷,主要成分是氧化铝和氧化硅。它强度大、硬度高、耐腐蚀、绝缘性好,耐热温度可达1600摄氏度,但缺点是脆性大,抗震性差,工艺复杂,成本高。氧化铝陶瓷出色的高温性能和介电性能,使其适宜制作发动机火花塞;好的耐磨性可保证制作的活塞能够加工到相当高的精度和粗糙度。碳化硅陶瓷是用碳化硅粉,用粉末冶金法经反应烧结或热压烧结工艺制成。碳化硅陶瓷最大特点是高温强度大、热稳定性好、耐磨抗蠕变性好。适用于浇注金属用的喉嘴、热电偶套管、燃气轮机的叶片、轴承等零件。同时由于它的热传导能力高,还适用于高温条件下的热交换器材料,也可用于制作各种泵的密封圈。
    氮化硅陶瓷原料丰富、加工性好,可以用低成本生产出各种尺寸精确的部件,特别是形状复杂的部件,成品率比其他陶瓷材料高。氮化硅陶瓷抗温度急变性好,硬度高,其硬度仅次于金刚石、氮化硼等物质,用氮化硅陶瓷材料制造发动机,由于工作温度提高到1370摄氏度,发动机效率可提高30%。同时由于温度提高,可使燃料充分燃烧,排出的废气中污染成分大幅度下降,不仅降低能耗,并且减少了环境污染。
    其它一些特种陶瓷材料,种类还是非常繁多的,它们各有特色,可制成各种功能元件。氧化锂陶瓷为高温材料,滑石陶瓷为高频绝缘材料,氧化钍陶瓷为介电材料,钛酸钡陶瓷为光电材料,硼化物、氮化物、硅化物等金属陶瓷为超高温材料。铁氧体陶瓷为永久磁铁、记忆磁铁、磁头等材料,稀土钴瓷为存贮器材料,半导体瓷为亚敏元件、太阳电池等材料等。许多种类可以用于汽车的零部件或检测器件。目前,特种陶瓷材料在汽车上的应用已经取得重要进展。它们主要有以下几个方面。

一、陶瓷在汽车发动机上的应用
    新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比,强度是其三倍以上,能耐1000摄氏度以上高温,新材料推进了汽车上新用途的开发。例如:要将柴油机的燃耗费降低30%以上,可以说新型陶瓷是不可缺少的材料。现在汽油机中,燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的,柴油机热效率为33%,与汽油机相比已十分优越,然而仍有60%以上的热能量损失掉。因此,为减少这部分损失,用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热,进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量,有试验证明,这样可把热效率提高到48%。同时,由于新型陶瓷的使用,柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器,它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性,而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此,新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。其他正在进行研究的有:采用新型陶瓷的活塞销和活塞环等运动部件。由于重量的减轻,发动机效率可望得到提高。

二、特种敏感陶瓷在汽车传感器上应用
    对汽车用传感器的要求是能长久适用于汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气),并应当具有小型轻量,重复使用性好,输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能,近年来随着制造技术的进步而得到充分利用,敏感陶瓷材料制成的传感器完全能够满足上述要求。

三、陶瓷在汽车制动器上的应用
    陶瓷制动器是在碳纤维制动器的基础上制造而成的。一块碳纤维制动碟最初由碳纤维和树脂构成,它被机器压制成形,之后经过加热、碳化、加热、冷却等几道工序制成陶瓷制动器,陶瓷制动器的碳硅化合物表面的硬度接近钻石,碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击,耐腐蚀,让碟片极为耐磨。目前此类技术除了在F1赛车中应用,在超级民用跑车中也有涉及,例如奔驰的CL55 AMG。

四、陶瓷在汽车减振器上的应用
    高级轿车的减振装置是综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件,这种减振器具有识别路面且能做自我调节的功能,可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。

五、陶瓷材料在汽车喷涂技术上的应用
    近年来,在航天技术中广泛应用的陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术的优点是隔热效果好、能承受高温和高压、工艺成熟、质量稳定。为达到低散热的目标,可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂,如活塞顶喷的氧化锆,缸套喷的氧化锆。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。

六、智能陶瓷材料在汽车中应用
    作为特种陶瓷产品分类的智能陶瓷材料,其中包括在汽车制造中使用的对环境敏感且能对环境变化作出灵敏反应的材料,目前已成为材料科学及工程领域中研究的焦点。
    汽车上使用的智能陶瓷产品,包括功能材料、驱动系统与反馈系统相结合的智能材料系统或结构。由于其综合性功能的发挥,可使汽车产品在行驶时感知与响应外界环境的变化,使汽车产品拥有自检、自测、自诊断、自修复、自适应等诸多性能。当前有些功能陶瓷制品已具有智能化的功能,如半导体钛酸钡正温度系数热能电阻及氧化锌变阻器,它们对于温度和电压具备自身诊断、候补保护与自身修复的功能,可以使材料本身拥有抵抗环境突然变化的能力,并可重复多次使用。在智能陶瓷系统中,压电陶瓷是最重要的品类。现在已经普及使用及正拟开发研制的压电类智能陶瓷制品及材料系统如下:
    汽车减震装置:利用智能陶瓷产品的正压电效应、逆压电效应研制出的智能减震器,具有识别路面并自我调节的功能,可将粗糙路面对汽车形成的震动减到最低限度,整个感知与调节过程只需要20秒。另外,采用智能陶瓷材料制成的减震装置还可以推广应用在汽车产品之外的领域,如使用到精密加工的稳固工作平台等。
汽车智能雨刷:利用钛酸钡陶瓷的压阻效应制成智能陶瓷雨刷,可以自动感知雨量,自动将雨刷调节到最佳速度。
    汽车有源消声陶瓷材料:由压电陶瓷拾音器、谐振器、模拟声线圈和数字信号处理集成电路组成的有源消声陶瓷材料,可把汽车的震动频率降低到500赫兹以下。
此外,还可以利用智能陶瓷材料开发出智能安全系统与智能传输系统,如在安全气囊中,也使用了智能陶瓷元件。现代智能陶瓷材料的开发研究与市场,已经处在方兴未艾时期,同时它的应用已经不仅限于汽车工业,而且对造船、建筑、机械、家电、航天、国防等工业领域产生重要影响,将大大提高各类机械与电子产品的智能与自动化水平。
    总之,特种陶瓷是一种正在不断开发中的陶瓷材料产品,但原料的制取、材料的评价和利用技术等许多方面都有尚待解决的课题。目前,特种陶瓷在汽车的应用并不广泛,其中的主要原因有:制造工艺复杂、要求高;因特种陶瓷对原材料要求比较严格、工艺难以掌握,使得各批制品的性能难以保持均匀一致;成本较高,可加工性差、脆性大、使用可靠性差。不过,人们有充分理由相信,随着科学技术的飞速发展,在未来的汽车制造业中将会有更多的特种陶瓷、智能陶瓷制品被引入和采用到汽车上,而且一定会在汽车生产中得到广泛的应用。




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