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特种陶瓷材料在汽车上的应用

 特种陶瓷材料在汽车上的应用

    特种陶瓷(属于精密陶瓷的一种),通常以精制高纯的化工产品为原料,在化学组成、内部结构和使用性能等各方面均不同于传统陶瓷。汽车用特种陶瓷分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类。其主要品种有氧化铝,氮化硅,碳化硅,氧化锆等。
    功能陶瓷利用其绝缘性、介电性、半导电性和磁性等功能来控制各种传感器,以满足汽车电子化的迅猛发展;结构陶瓷具有高温工况下强度高、耐磨性好、低密度和低膨胀系数等性能,广泛用于发动机和热交换零件的制造,有利于提高发动机热效率及受热件的使用寿命。
陶瓷材料主要应用于汽车上一些有较高耐热性、良好摩擦性(甚至无润滑剂时)或惯性较小的部件中。本文将为大家“挖掘”一下特种陶瓷在汽车上的应用具体都有哪一些。
一、陶瓷在汽车发动机上的应用
    汽车发动机发展了近百年,热效率始终在一个学渣的水平上徘徊。目前应用于汽车发动机主要有柴油机(热效率一般在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。
    如果算汽车行驶时的效率来算,部分汽油发动机效率只有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。
 发动机能耗分布简图
          ▲图 1发动机能耗分布简图
    为了提高发动机效率,减少能量损耗,这就需要取消或部分取消冷却系统,使用耐高温隔热材料以减少燃烧室热量的损失,使发动机可在更高的工作温度下工作,使发动机的燃油效率更高。而特种陶瓷材料耐热、耐磨、耐腐蚀、热膨胀系数小,非常适合用于制造陶瓷绝热发动机。
    下表为一些汽车工业较为发达的国家在绝热发动机上采用的结构陶瓷材料。
    备注:表格数据来源于网络,仅供参考。
    表1 绝热发动机上采用的结构陶瓷材料

零件名称 适用陶瓷材料
活塞 Si3N4、PSZ、TTA
活塞环 Si3N4、PSZ涂层
气缸套 Si3N4、PSZ涂层
预燃烧室 PSZ、Si3N4
气门头 SSN、PSZ复合材料
气门座 PSZ、SSN
气门挺杆 PSZ、Si3N4、SiC
气门导管 PSZ、SSN、SiC
进排气管 ZrO2、Al2O3、TiO2
进排气口 ZrO2、Al2O3、TiO2
机械密封 Si3N4、SiC、PSZ
涡轮增压器叶片 Si3N4、SiC
涡轮增压器轮壳 LAS
涡轮增压器隔热板 ZrO2、LAS
涡轮增压器轴承 SSN
    ★举例日本日野汽车公司开发了陶瓷发动机,该机气缸套、活塞、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%。
    其气门及气门挺杆上采用或部分采用了比重较低的氮化硅陶瓷;气门加热器则采用了钛酸钡瓷系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-反应快,耐热
    陶瓷刹车盘并非普通陶瓷,而是在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,普通的刹车碟容易在全力制动下因高热产生热衰退,而陶瓷刹车碟能有效而稳定的抵抗热衰退,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。

 碳化硅陶瓷刹车盘
                                                 ▲图2 碳化硅陶瓷刹车盘
    陶瓷刹车盘造价昂贵,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、汽车减振器上的陶瓷-高灵敏度
    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。
四、陶瓷在汽车传感器上的应用
    车用传感器需满足小型轻量,重复性使用性好,能适应汽车特有恶劣环境的要求。陶瓷传感器实现的功能是多样的,见下表2.
▼表2 部分功能 陶瓷传感器举例

对象 材料 在汽车上的用途(含正在开发的)
温度 ZrO2、SiC等 温度、液面传感
气体 稳定化氧化锆 燃烧用传感器
湿度 Ta2O5、Al2O3 集成湿度传感器
压力振动 PZT,PbTiO3,BaTiO3 撞击传感器
位置速度 PZT,PbTiO3,SiO2,(Na,K)NbO3 吸气量传感器,超声波传感器(检测障碍物,防撞车
cds、Pbs、cdTe、As-se-Te玻璃 光电管(光控制,防眩倒车镜)
    ★举例:氧化锆陶瓷氧传感器在汽车上的应用
    汽车尾气中所含有污染气体是危害大气环境的主要因素之一。现虽有新能源汽车在推广,但基于成本、适用性等等各种原因,新能源汽车普及率还是极低,因此汽车尾气对环境的污染还是一个重大的问题。
    汽车氧传感器是测量汽车排气系统中氧气的含量,进而修正发动机的喷油,以此达到最佳的空燃比,从而节省燃油,降低排气中(CO)一氧化碳、(HC)碳氢化合物和(NOx)氮氧化合物成份排量。

 汽车传感器
                                                                    ▲图3汽车传感器
    因为氧传感器的目的在于侧得排气系统中的氧含量,所以氧传感器安装在汽车的排气系统中。具体来讲,安装在排气管上。因为需要测得氧在经过三元催化剂两端的含量,所以氧传感器一般安装在三元催化剂的前端和后端各一个。
汽车氧传感器安装位置示意图
                               ▲图4 汽车氧传感器安装位置示意图
五、汽车用氮化硅陶瓷轴承
    氮化硅具有良好的自润滑性,耐磨损,对润滑要求低;高温力学性能好,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℃。

 滚动体为氮化硅陶瓷的混合轴承
                               ▲图5 滚动体为氮化硅陶瓷的混合轴承
六、陶瓷薄膜喷涂技术
    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。薄膜喷涂使用的材料大多为氧化锆(PSZ),喷涂厚度小于1.5mm。
    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、其他陶瓷材料在汽车上的应用
    陶瓷可用于柴油机微粒过滤器中,材料是镁铝硅酸盐,与作为汽油机催化反应器载体的材料相似。加工时妥善地选择材料的多孔度,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。
    在汽车催化转化器中,采用堇青石质蜂窝陶瓷作为催化剂载体,蜂窝型陶瓷载体呈多孔、质薄型结构,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
    特种陶瓷是正在不断开发的材料,原料的制取,材料的评估和利用技术等许多方面尚待解决。受加工工艺复杂、制备成本高等原因限制,部分陶瓷在车上配件的应用并不是很成熟及普遍。
参考资料:张金迎等:陶瓷材料在汽车上的应用。

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