碳化硅材料在汽车上面的应用探究

新型碳化硅材料在汽车上面的应用

1摩擦副材料的选配

由于航空用离合器是工作在高速、高温、高载荷状态下,楔块的材料应同时满足强度及耐磨损的需求,宜选用高强度、高温、硬度高、高导热性、耐热冲击、低热膨涨系数性质的材料, 根据以上使用特性,楔块常用材料一般选Cr14Mo4V、Gr4Mo4V、W18Gr4V、M -50、AMS6490等耐高温材料,硬度一般在HRC63左右。而相配合的内外套常选用镍铬钼材料(如18CrNi4A、SAE8640、AISI9310)或轴承钢ZGGr15等,滚道表面最小硬度不低于HRC60。

2 碳化硅等特种陶瓷的结构性能及种类

陶瓷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。陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面,有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等;在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等;在化学方面有催化、耐腐蚀、吸附等功能;在生物方面,具有一定生物相容性能,可作为生物结构材料等。但也有它的缺点,其致命缺点是脆性。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。近期研究表明:用不同配比的各种原料和陶瓷复合材料制成的纳米级原材料经烧结可提高韧性。这一发现吸引了许多研究者,成为国际上研究的热点。预期合成陶瓷研究将使全陶瓷内燃机尽快成为现实。这是21世纪的新挑战,将使汽车发动机、刀具、模具等方面面貌一新。

工程陶瓷目前有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC),硅化钨(WSi2)、二氧化锆(ZrO2)、三氧化铝(A12O3)等。这些材料具有耐热、高硬度、耐磨、耐腐蚀、相对密度小等特点。若能用于燃气轮机,可使工作温度从目前的1100e提高到1370e,而热效率从60%提高到80%,应是理想的发动机材料。陶瓷材料种类繁多,各有特色,可制成各种功能元件。

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作发动机,由于工作温度达到1370e,发动机效率可达30%,同时由于温度提高,可使燃料充分燃烧,排出废气污染成分大幅度降落,不仅降低能耗,并且减少了情形污染。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。金属陶瓷,主要包括六大类:介电陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷、热电陶瓷、绝缘陶瓷等,该技术有助于节能环保。除了提高汽车的安全性和舒适性之外,如何提高环保性能也是一个焦点。

3 陶瓷发动机

陶瓷具有较好的高温强度、耐蚀性和耐磨性,尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷,有可能作为高温结构材料来制造发动机。陶瓷发动机已成为当前世界各国竞相开发的目标之一。用陶瓷材料制造的发动机,具有以下优越性:陶瓷的耐热性好,这可以提高发动机的工作温度,从而使发动机效率大大提高。例如,对燃气轮机来说,目前作为其制造材料的镍基耐热合金,工作温度在1000e左右;若采用陶瓷材料,工作温度可达1300e,使发动机效率提高30%左右;工作温度高,可使燃料充分燃烧,排出废气中的污染成分大大减少。这不仅降低了能源消耗,而且减少了环

境污染;陶瓷的热传导性比金属低,这使发动机的热量不易散发,可节省能源;陶瓷具有较高的高温强度和热稳定性,这可延长发动机的使用寿命。汽车发动机,过去都用合金钢制造,汽缸工作温度只有1000e左右,而且还要用水冷却。在传统柴油机或燃气轮机用的金属零件中,铝合金的耐温极限为350e,钢和铸铁的为450e,最好的超级耐热合金的耐温极限也不能超过1093e。金属材料的上述耐温极限大大限制了发动机的工作温度(热效率)。而使用各种冷却装置又使发动机设计复杂,增加重量和耗费许多功率。汽缸的活塞销,由于耐高温摩擦性能较差,压缩效率下降较快,因而成了新型汽车工业的拦路虎。长期以来,人们在寻觅用一种理想的材料来代替发动机用的金属材料。发动机用材料的重大改革则是用高性能陶瓷零件逐步代替金属零件,直至发动机的主要零件,这就是人们常说的陶瓷发动机。高性能陶瓷有许多优于金属的性能,例如耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻和隔热性能好。这些特殊性能可使传统发动机面临的热效率低和结构复杂等许多难题得到合理解决,并提高发动机的性能和耐久性。

要将柴油机燃耗费降低30%以上,可以说新型陶瓷是不可缺乏的材料。现在汽油机,燃烧能量78%左右热能热传递会损失掉,柴油机热效率为33%,与汽油机相比已十分优越,然而仍有60%以上热能量会损失掉。因此,为减少这部分损失,燃烧室采用陶瓷材料,并用废气涡轮增压器动力涡轮来回收排气能量,这样可把热效率提高到48%。同时,由于新型陶瓷的应用,柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷涡轮增压器,它比当今超耐热合金具有更优越耐热性,而比重却只有金属涡轮的三分之一。因此,新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的毛病。其他还有:采用新型陶瓷活塞销活塞环等运动部件,由于重量减轻,发动机效率可望得到较大的提高。日本五十铃汽车公司采用氮化硼陶瓷汽车发动机,这种新型发动机的温度可达到1300e~1500e,不要水冷却,再加上它的密度只有钢的一半,所以,汽车重量减轻。它不仅可节省30%的热能,而且工作效率提高了15% ~20%。陶瓷DE是在燃烧室和活塞的部分表面用比金属更加耐热的陶瓷材料,从而提高了零部件的耐热性,进一步简化了冷却系统,除可减少冷却损失,提高热效率外,还可使DE更加紧促,使自身重量减轻。副燃烧室、活塞头、汽缸衬套、汽缸头、增压转子等部件与零件都可采用氮化硅结合碳化硅或部分稳定氧化锆等特种陶瓷材料。机械强度则可达到500MPa以上,陶瓷材料基本上能满足使用要求。不仅强度高,而且热导率也比其它材料低很多。最初,人们研究和使用的是陶瓷涂层和单一整体陶瓷制的发动机零件。陶瓷涂层技术成熟、成本低、寿命较高,采用等离子喷涂工艺,可涂覆二氧化锆、碳化钛和二氧化钛等陶瓷,获得1毫米以内的耐久涂层。为了解决陶瓷涂层太薄的问题,人们研究用二氧化锆、氮化硅、碳化硅和钛酸铝制造发动机的整体陶瓷零件。此外,还研究了玻璃瓷、氧化铝等整体陶瓷件。高性能陶瓷是自内燃机发明以来最鼓舞人心的新发展,它将最终解决发动机要在苛刻环境下工作的问题。今后10年,将会出现许多陶瓷发动机。

美国康宁公司不久前推出新一代用于轻型汽车和柴油车催化净化器的陶瓷载体)))Celcor(R)600 /2载体。这种新型载体具有超薄的蜂窝壁,能减少耗油量,并可以有效地降低排放系统背压从而增强发动机动力。Celcor600 /2产品蜂窝壁的厚度仅为50微米)))大约是一根头发的直径,在开口端每平方英寸就有600个孔。这种壁孔设计使该陶瓷载体质量极轻,从而具有卓越的冷启动减排性能。康宁将从2007年第三季度开始生产并供应Celcor 600 /2载体,而这些载体将被安装到2008款的车辆上。这种先进的陶瓷载体,它能降低系统的总体成本,并具有卓越的低背压从而提升发动机性能。此外,它还为车辆制造商提供了更多的设计选择性。他们利用在材料、产品设计和生产领域的技术专长而开发出了这一创新的,高性能的陶瓷载体。

陶瓷基复合材料在车用发动机上有着广泛的应用。如活塞部分采用陶瓷材料后.可使燃烧室中实现部分隔热,从而减少冷却系统的容量和尺寸。在高强度柴油机中可有效降低活塞环槽区的温度有时可取消对活塞的专门冷却。由于陶瓷材料的质t较轻,配气机构中的气门、挺柱、摇臂及弹簧座改用陶瓷材料后允许发动机以提高转速来提高功率.或者在转速不变的