应用于汽车工业的特种陶瓷材料及其研究进展

四轮车

　　 1 前 言                                                            汽车底盘技术
　　　随着内燃机技术的不断改进和发展，传统的内燃机材料已很难满足高强度、耐腐蚀、低导热及耐磨性等方面的要求。特种陶瓷材料由于具有优良的综合性能而越来越受到业内人士的关注。将其应用于汽车上可以有效地降低整车的质量、提高发动机的热效率、降低油耗、减少排气污染。本文介绍了汽车用陶瓷材料的分类、性能特点、制备方法以及在汽车上的应用现状和发展前景。
　　2 汽车用特种陶瓷材料分类及特点
　　　特种陶瓷不是传统意义上的陶瓷，它属于精细陶瓷的一个分支，也可称为新型陶瓷、高技术陶瓷或工程陶瓷。汽车用特种陶瓷可分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类。
功能陶瓷利用其绝缘性、介电性、半导性和磁性等功能来制造各种传感器，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、隔热性好、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。现对结构陶瓷的性能特点和生产步骤作简单介绍。
　　2.1 氧化硅陶瓷
　　　氮化硅陶瓷是新型特种陶瓷材料，它原料丰富、加工性能好，在化工机械和现代尖端技术等方面均有应用。制备方法有反应烧结法和热压烧结法。主要性能特点是强度高、化学稳定性好、抗温变性能好、耐磨、绝缘、制品精度高。可用于制造耐磨、耐蚀、耐高温及绝缘零部件。用氮化硅陶瓷材料制造发动机，工作温度从理论上可提高到1370℃左右。温度提高可使燃烧充分，发动机热效率提高，并降低排气污染。反应烧结氮化硅可用于制造泵的机械密封环、高温轴承、阀门等零件；热压反应烧结氮化硅可用于制造切削刀具。
　　2.2 碳化硅陶瓷
　　　碳化硅陶瓷是用碳化硅粉(把石英、碳和木屑装入电弧炉中，在1900-2000℃的高温下合成)利用粉末冶金经反应烧结和热压烧结工艺制成。碳化硅陶瓷的最大特点是高温强度好(在1400℃时抗弯强度仍保持500-600MPa)、传热能力强、热稳定性好并且耐磨。可用于制作火箭尾部喷嘴、浇注金属用喉嘴、轴承、燃气轮机的叶片、高温热交换器材料及各种泵的密封圈等。氮化硅和碳化硅属于非氧族陶瓷，其零件制备过程如图 1所示。
　　2．3 氧化铝陶瓷
　　　氧化铝陶瓷的原料是工业氧化铝，性能好但工艺复杂，成本高。制备方法是在工业氧化铝中加入少量添加剂，然后经制坯、烧结而成，对表面粗糙度和尺寸精度要求高的制品，还应进行研磨和抛光处理。主要性能特点是高强度、高硬度、耐磨、耐高温和具有良好的绝缘性能。可用于喷砂用的喷嘴、纺织用的导热器及火箭用倒流罩，也可作高温实验仪器及化工零件、轴承、内燃机火花塞、活塞和触媒载体。运动零件(活塞、活塞销等)减小质量后可使内燃机减少摩擦、节约能源、加快响应和减小振动。表1为汽车用高温结构陶瓷的主要性能参数。
　　3 特种陶瓷材料在汽车上的应用
　　　从理论上分析，汽车上能用特种陶瓷材料制造的零件很多，但由于受到生产价格、制备工艺、可靠性等条件的限制，实际大批投入生产，应用到汽车上的零、部件并不多，大部分仍处于研究开发阶段。现将作者所了解的国内、外汽车上已经应用或正在开发的陶瓷零部件作如下简单介绍。
　　3.1 陶瓷绝热发动机
　　　为了提高发动机热效率、节约能源，可利用陶瓷材料的耐热、耐磨、耐腐蚀、高弹性模量(低膨胀系数)、低密度、隔热性好等特点制作陶瓷绝热发动机心这样既可防止汽缸内热能损失，又简化了发动机的总体构造，降低了发动机重量；其中主要的陶瓷零部件有以下几种。
　　3.1.1 陶瓷活塞
　　　陶瓷活塞一般用于柴油机。在涡流室柴油机中用陶瓷材料代替贵重金属，可进一步减少冷却装置，因此整体成本有望降低。直喷式柴油机中利用陶瓷材料的耐高温性能在活塞顶部镶入陶瓷块，热效率、噪声与排放情况均有所改善。陶瓷活塞中镶块的尺寸和形状应选择适当，否则由于材料热膨胀系数的差异，会在陶瓷镶块上产生应力，影响活塞的使用寿命：另外，用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纤维活塞，因其良好的耐磨性，可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。
　　3．1．2陶瓷气缸套
　　　根据不同的需要，陶瓷气缸套可有以下三种 形式：一是缸套内表面全部喷涂陶瓷材料。曰本小松发动机即采用此结构；二是仅用陶瓷材料做成缸套上圈；三是用金属和陶瓷材料复合制成全陶瓷缸套。采用全陶瓷缸套代替传统的气缸套，可防止汽缸内热能损失，简化发动机结构，进而提高热效率和降低发动机质量。 3．1．3 陶瓷配气机构利用陶瓷材料低密度、耐热和耐磨的特点，用陶瓷材料制造气门、气门座、挺柱、气门弹簧和摇臂，可以减少气门座的变形和落座时的弹跳，降低噪声与振动，延长使用寿命。我国492QA型发动机在采用陶瓷配气机构后，各种工况下可节油2-8％。三菱公司采用陶瓷制成发动机摇臂，五十铃公司用氮化硅制成的陶瓷气门，在使用中也取得了较好的效果。
　　 此外，气缸盖和活塞销等零部件也可采用特种陶瓷材料来铸造。曰本曰野汽车公司开发了陶瓷发动机，该机气缸套、活塞、气门等燃饶室零件有40％为陶瓷零件，取消了散热器和冷却装制。实验证明该陶瓷绝热发动机可提高功率 10％，燃烧消耗降低30％。表2为曰本、美国绝热发动机采用的结构陶瓷情况。
　　3.2 陶瓷—铝复合捧气管
　　　曰产公司制造的陶瓷—铝复合排气管，是用 AL-Si合金短纤维和陶瓷复合材料制成排气管骨架，再浇注熔化的铝液制成。对于800-900℃的排气来说，陶瓷绝热排气管可取消绝热板，增加了发动机室的容积。采用该排气管可使排气净化效果提高2倍，大大降低了排气污染。
　　3.3 陶瓷传感器
　　　随着汽车工业的发展，人们对汽车的安全性，节能性、舒适性、智能化要求越来越高，而国家对噪声、排气污染的限制也有了更高的要求。这就使具有绝缘性、介电性、半导体性、压电性和导磁性等特异性能的功能陶瓷材料在汽车上作为诸多调控敏感元件的应用范围越来越大，品种和规格曰趋完善。这些元件主要有温度传感器(热敏电阻和感温铁氧体)、空燃比传感器(氧化铝氧传感器、氧化钛氧传感器)、稀薄空燃比传感器、废气传感器(浓差电池式氧化锆传感器、临界电流式氧化锆传感器、半导体型氧化锆传感器、NOx与CO传感器)、爆震传感器、利用压电性传感器和硅压力传感器等。
　　　此外，汽车上应用特种陶瓷材料制成的元件还有利用陶瓷绝缘性制成的火花塞和陶瓷加热器、利用陶瓷高温高强度制成的转子、转化器、热交换器、发热元件接头和涡轮充电机以及燃气涡轮机上的涡轮叶轮等零部件，这里不再一一列举。
　　4 陶瓷材料在汽车上应用存在的问题和 发展前景
　 　4．1 应用前景
陶瓷材料在汽车上的应用较好地提高了发动机的热效率、降低了油耗、减少了排放污染，符合节能、环保的要求。因此，汽车上陶瓷零部件的开发及应用前景将十分诱人。
　　4.2 存在的问题
　　　目前，阻碍特种陶瓷在汽车上应用的原因有以下几个方面。
　　（1) 成本长期居高不下，远远高于金属零件的价格。
　　（2) 可加工性差、脆性强、使用可靠性差。
　　（3) 再现性困难。由于特种陶瓷对其原料要求比较严格，工艺难以掌握，使得每批制品的性能难以同前一批一致。
　　（4) 制造工艺复杂，要求高。陶瓷的制造工艺(原料粉末的制取、成形、烧结、加工、接合、涂覆等)对成品的可靠性影响很大，因此对制造工艺要求很高。
　　4.3 措施
　　　要解决以上问题，考虑陶瓷为脆性材料这一特点，设计陶瓷材料时应使零件承受的载荷尽可能设计成受压不受拉，应尽量减少应力集中、避免受机械冲撞、零件体积要小且形状简单，避免与热膨胀系数相差明显的金属配合，加工和装配精度要高。此外还应不断改进和完善生产工艺过程：防止构成断裂源的空洞、切口等缺陷的出现，确保烧结后的尺寸精度和表面粗糙度，尽量减少工序和缩短加工时间等。
　　4．4 结 论
　　　随着制造技术、加工技术、设计技术和可靠性评价技术的不断提高，陶瓷零部件成本有可能急剧下降。美、曰、德等国均花巨资研制汽车上的陶瓷零、部件，我国从80年代中期开始陶瓷发动机及其它陶瓷零、部件的研究工作，已取得了很大进展。相信不久的将来，陶瓷材料在汽车上应用这一领域会有更大的突破，从而大幅度改善汽车的性能。


客车底盘车架的设计

skyyrie

谁有新一点的消息?

mhli9886rdsy

very  good

563980114

非常好！