新型陶瓷材料在汽车上的应用

新型陶瓷材料在汽车

上的应用

姓名：钟麒

专业：信息与计算科学系1102班

学号：41163056

摘要：随着科学技术飞速发展，现代汽车制造业将更多特种陶瓷、智能陶瓷制品引入，采用到汽车上，并且伴随着更多的新型结构材料的引入，在汽车零部件加工制造技术上也带来了一场新的革命，在此主要介绍一些新型的陶瓷材料在现在及未来的汽车行业的使用情况及以后可能应用的发展前景。

目前应用于汽车上的陶瓷材料主要有：氧化硅陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷，氧化铝陶瓷这几种。未来还将会有氧化锂陶瓷，滑石陶瓷，氧化钍陶瓷，钛酸钡陶瓷，硼化物、氮化物、硅化物等金属陶瓷，铁氧体陶瓷，稀土钴瓷等更多的新型特种陶瓷材料应用到汽车的制造与加工上。一．汽车发动机中的陶瓷材料

1.陶瓷汽车发动机

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。

由于陶瓷材料具有优良的耐热性、耐磨性、隔热性及重量轻优点，故使用陶瓷材料替代金属制备热机部件的技术受到了世界各国的高度重视。目前，发动机的主要零部件，如活塞、气缸盖、气门、排气管、涡轮烟压器、氧传感器及火花塞等都用先进的陶瓷材料来制造，并研制出了无水冷的绝热陶瓷发动机。另外为了防止汽车废气对大气环境的影响，各国都采用了的措施，制订了严格的排放标准，这些都

促进了汽车工业用新技术的开发以及新材料的研多，特别是在发动机用先进陶瓷瓷材料方面取大了软大的进展，并在近年来的技术创新中发挥着更重的作用。

陶瓷发动机的优越性为：

·可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，目前作为发动机制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右。

·工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，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，节省能源。

·陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。

2.活塞顶用陶瓷结构

在发动机中，活塞顶的工作环境非常苛刻，处于温度急变与应力急变的状态之中。在载货汽车用的直喷式发动机中，燃烧室位于活塞顶部呈对称涡流型。这种设计因其获得急速对称旋转的气流而使油粒与空气混合充分以达到完全燃烧。通常，燃烧室边缘的温度梯度最大，易产生热裂纹。值得注意的是，传统的活塞顶材料是铝合金，它可能受到450`C以上的高温作用。然而，铝合金的耐热性能较差，高温时可能导致活塞环与槽沟胶结。为此，活塞顶的内表面配置了复杂的油

冷系统。现在，带有陶瓷顶的复合活塞是一种有效的解决方式。在这种设计中，陶瓷顶在活塞溶铸时嵌人或由螺钉固定在其裙套上。由于陶瓷材料的耐高温性和隔热性，就在顶部形成一层保护层，而且可使局部温度升高，更利于汽油的混合与燃烧。法国Ranalt公司和意大利flat公司已分别设计出装配有钦酸铝活塞顶和Si3N4活塞顶的复合活塞。并分别进行了台架耐久考核和装车道路试验。他们用有限元法通过复杂的电脑计算对活塞顶的温度分布和收缩进行了研究，结果表明，陶瓷件性能良好，且发动机的效率有所提高。

近年来，氮化硅材料在工程中的应用日益广泛。由于它具有好的高温力学性能以及抗热震、抗氧化、耐磨损性能，因此是一种较理想的陶瓷发动机活塞顶材料。

3. 涡轮增压器陶瓷材料

涡轮增压器是通过动力涡轮对高温排气热能回收使之转化为机械能的发动机组合元件。为了耐受高温尾气的冲击，涡轮通常由一种叫“尼孟镍克”(铬、镍耐热合金)的特殊介金材料制成的。而现在的陶瓷材料不仅有较高的抗热应力性能，而且可以减轻零件的重量，这在涡轮增压器上意味着有更快的响应特性和更高的效率。德国大众汽车公司已开发出带SiC转子的涡轮增压器，并将装有这种新型陶瓷增压器的气车进行了60小时连续运转试验。测试时，增压界的最高转速为110000r/min，此时涡轮机温度可达1200℃，在加速测试时，该涡轮的响应比金属涡轮快20%左右。

二．汽车制动器上的陶瓷

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。

三．汽车减振器上的陶瓷

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。

结束语：陶瓷材料发展日新月异，并且在各个行业及领域都展现出了很好的发展前景，相信在汽车材料与加工行业中，新型陶瓷材料也会大放异彩，在其中发挥重要作用。