隨著社會的不斷發展,人們對汽車輕質化、智能化、可靠性、環保性、舒適性和經濟性的要求越來越高,為了滿足這些要求,隨科學技術的不斷發展,汽車的研發及生產越來越多地採用新材料與新工藝,而對於新材料的使用,陶瓷便是其中之一。特種陶瓷在化學組成、內部結構、性能和使用效能各方面均不同於傳統陶瓷,它具有各種優異、獨特的性能。從事汽車材料的研究人員,經過長年的開發、研製、試驗與工業化應用證明,汽車許多零、部件改用陶瓷材料後,其機械特性遠優於金屬材料或其它材料製成的零、部件。正是由於特種陶瓷這些優異的性能,對減輕車輛自身重量、提高發動機熱效率、降低油耗、減少排氣污染、提高易損件壽命、完善汽車智能性功能都具有積極意義。
一、特殊陶瓷的特性
常用的汽車特殊陶瓷如下:
1.氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷主要性能特點是高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫和具有良好的絕緣性能,耐熱溫度可達1600℃。但缺點是脆性大,抗震性差,製程複雜,成本高。利用氧化鋁陶瓷優異的高溫性能和介電性能可製作引擎火星塞,良好的耐磨性可製作軸承、活塞。
2.碳化矽陶瓷。碳化矽陶瓷最大特點是高溫強度大(在1400℃時抗彎強度仍保持500-600MPa),傳熱能力強,熱穩定性好且耐磨,熱膨脹係數很小。適用於製作燃氣渦輪機的葉片、軸承等零件,同時由於它的熱傳導能力高,還適用於作高溫條件下的熱交換器材料,也可用於製作各種泵的密封圈。
3.氮化矽陶瓷。氮化矽陶瓷可以用低成本生產出各種尺寸精確、形狀複雜的零件,成品率比其他陶瓷材料高。主要性能特點是強度高,硬度高,其硬度僅次於鑽石、氮化硼等物質,化學穩定性好、耐磨、絕緣、製品精度高。可用於製造耐磨、耐蝕、耐高溫及絕緣零件。反應燒結氮化矽可用於製造幫浦的機械密封環、高溫軸承、閥門等零件。
4.氮化硼陶瓷。氮化硼陶瓷有良好的耐熱性、熱穩定性、導熱性、高溫介電強度,是理想的散熱材料和高溫絕緣材料。氮化硼陶瓷的化學穩定性好,能抵抗大部分熔融金屬的侵蝕,它也有很好的自潤滑性,其製品的硬度低,可以進行機械加工。
5.氧化鋯陶瓷。氧化鋯陶瓷的熔點為2715℃,使用溫度可至2300℃。純氧化鋯不能使用,加入穩定劑再使用,利用其高強度和韌性、高硬度和耐磨性以及高的抗化學腐蝕性、導熱係數小的特點可作刀具、隔熱材料及滑動零部件。
二、陶瓷在汽車上的應用
(一)陶瓷在汽車引擎上的應用
1.陶瓷絕熱引擎。利用陶瓷材料(如氮化矽陶瓷)的耐熱、耐磨、耐腐蝕、低膨脹係數、低密度、隔熱性好等特點製作陶瓷絕熱發動機,其工作溫度可達1300℃-1500℃,能減少汽缸內熱能損失,使燃料充分燃燒,減少了廢氣對環境的污染。且陶瓷引擎無需水冷系統,其密度也只有鋼的一半左右,可簡化引擎的整體構造,降低引擎重量與能耗,工作功率比鋼質引擎提高45%以上。
2.陶瓷活塞。以氮化矽陶瓷材料製成的陶瓷纖維活塞具有良好的耐磨性,可防止鋁合金活塞由於熱膨脹係數大而產生的「冷敲熱拉」現象。
3.陶瓷汽缸套。以陶瓷材料製成缸套上圈或是用金屬和陶瓷材料複合製成全陶瓷缸套,代替傳統的氣缸套,可防止氣缸內熱能損失,簡化發動機結構,進而提高熱效率和降低發動機質量。
4.陶瓷配氣機構零件。利用陶瓷材料低密度、耐熱和耐磨的特點,製造氣門、氣門座、挺柱、氣門彈簧和搖臂,可以減少氣門座的變形和落座時的彈跳,降低噪音與振動,延長使用壽命。三菱公司採用陶瓷製成發動機搖臂;五十鈴公司用氮化矽製成的陶瓷氣門比鋼製氣門輕,有一定的節油效果,並能減少有害物排放;福特公司將噴射形成的陶瓷氣門挺桿用於引擎上,都取得了較好的效果。
5.陶瓷氣門加熱器。氣門加熱器是吸氣側配備的加熱裝置,是鈦酸鋇陶瓷系列的熱敏電阻。在吸氣加熱時,能控制好溫度和提高裝置的可靠性,促進加熱吸氣,使燃料的蒸發混合完全,發動機啟動時燃燒完全,達到提高燃燒效率與淨氣排放的功效。
(二)陶瓷在汽車煞車上的應用
陶瓷煞車器中的煞車碟盤可由增強型陶瓷製成,即採用陶瓷粉末及碳纖維取代現有技術中的金屬。其碳矽化合物表面的硬度接近鑽石,碳纖維結構使其堅固耐衝擊、耐腐蝕,極為耐磨。陶瓷煞車碟盤與鋼製煞車碟盤相比,減輕了整車的品質,降低了耗油量,延長了使用壽命,大大提高煞車碟盤的耐磨、耐高溫、耐腐蝕、煞車等性能,散熱效果良好。
(三)陶瓷在汽車減振器上的應用
採用高靈敏度陶瓷元件的汽車減振器具有識別路面且能做自我調節的功能,在轎車行駛中的感知與調節過程僅需20秒即可完成,因此可以將轎車因粗糙路面形成的震動降低到最低限度,從而使乘車人員免受顛簸之苦。
(四)陶瓷在汽車噴塗技術上的應用
近年來,廣泛應用於航太技術的陶瓷薄膜噴塗技術開始應用於汽車。此技術採用等離子噴塗製程,可塗覆三氧化鋯、碳化鈦和二氧化鈦等陶瓷,獲得1mm以內的耐久塗層。對引擎的耐高溫部件塗上一層高溫陶瓷,既能保持金屬材料的固有強度和韌性,又具有耐高溫特點。如活塞頂噴塗氧化鋯,在汽缸套、活塞環工作表面噴塗陶瓷鍍層可提高耐磨性和使用壽命。利用此技術還可使引擎進氣孔道表面的耐熱能力從1200℃提高到1700℃。經過這種處理的引擎可以降低散熱損失、減輕引擎自身質量、減少引擎尺寸、減少燃油消耗。
(五)陶瓷在汽車感知器上的應用
車用感測器作為汽車電子控制系統的資訊來源,是汽車電子控制系統的關鍵部件,汽車電子化和自動化程度越高,對感測器的依賴性就越大。一些功能陶瓷材料,能長久適應汽車特有的惡劣環境(高溫、低溫、振動、加速、潮濕、噪音、廢氣)而應用於汽車感測器上。
1.陶瓷溫度感測器。引擎電噴系統可利用陶瓷溫度感知器連續精確地測量冷卻水溫度、進氣溫度、排氣溫度,以便根據溫度變化修正或補償燃油噴射量,改變怠速轉速控制目標值等,獲得最佳空燃比。
2.陶瓷廢氣感知器。用於汽車廢氣監測的氧化鋯感測器安裝在歧管或前排氣管內,是利用固體電解質氣敏陶瓷材料,測定廢氣排放中的O2濃度,再將此測定值反饋給發動機進氣及燃料供給系統,檢測引擎空燃比,促進燃料的燃燒經常保持在充分燃燒狀態。除可節省燃油外,還能減少CO、NO2等有害氣體的排放量。其靈敏度高、可靠性好,使用壽命長。
3.陶瓷爆震感知器。陶瓷爆震感知器能使引擎在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點火時刻工作,實現無爆震工作狀態,保證其以最大可能的功率與經濟指標運轉。
4.超音波感測器。超音波感測器通常由鋁合金外殼、壓電陶瓷換能器、吸聲材料、引線電極所構成,用作汽車倒車防撞警報器裝置,指導汽車安全駕駛,尤其適用於加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。超音波感測器也被用於空氣流量計,檢測引擎進氣量大小。
5.陶瓷加速度感測器。陶瓷加速度感知器用於汽車安全氣囊系統,可用於檢測汽車瞬間的低速或高速碰撞強度,轉換成電訊號輸出,確保碰撞強度大時,安全氣囊準確及時開啟,提高汽車安全性能。它精度高、可靠,能快速分辨碰撞實況。
6.陶瓷濕度感測器。汽車濕度感測器的內部裝有用金屬氧化物系列陶瓷材料製成的多孔燒結體,利用燒結體表面對水分子的吸附作用來敏感濕度,感濕特徵量為電阻,由電阻值發生的變化檢測出濕度的變化。適用於車窗玻璃防霜、結露和引擎進氣部分空氣濕度的偵測。
(六)陶瓷在汽車觸媒轉換器載體上的應用
與金屬、高分子等材料比較,陶瓷材料較適用於各種高溫、腐蝕性環境,因此被廣泛應用在催化劑載體領域。催化反應中載體本身性能的優劣將直接影響催化劑效能的發揮。常用的堇青石蜂窩陶瓷載體,使用時將其安置在汽車廢氣的淨化器上,汽車廢氣中的氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)等對人體有害的氣體就可以通過催化轉化作用變成氮氣(N2)和二氧化碳(CO2)這些沒有毒性的氣體排放到大氣中,能大大降低汽車廢氣排放的污染程度。
(七)陶瓷在汽車消音器上的應用
當聲波傳播到裝在汽車排氣管中的蜂窩狀多孔陶瓷上時,在豐富的網狀孔隙內引起空氣振動,進而通過空氣與多孔陶瓷基體之間的摩擦,聲波的能量轉變成熱能而被消耗,從而達到消除噪音的效果。
(八)陶瓷在汽車雨刷上的應用
利用鈦酸鋇陶瓷的壓阻效應製成智慧陶瓷雨刷,可自動感知雨量,自動將雨刷調節至最佳速度。
(九)陶瓷在汽車車膜上的應用
多層奈米陶瓷隔熱膜與目前市場上的金屬類隔熱膜相比,熱效果和透光性好,可緩解視覺疲勞,使車內熱度大幅降低,增加駕駛舒適度,減少了空調負荷及燃料的消耗;隔熱、耐用、抗氧化、永不褪色;防刮傷和玻璃爆裂飛散,增加行車安全。同時,多層奈米陶瓷隔熱膜採用的是非金屬陶瓷技術,可以完全杜絕金屬膜特有的對電磁波屏蔽作用,不會對衛星導航系統、手機、遙控器和高速公路自動收費系統有任何影響。陶瓷隔熱膜在世界頂級跑車保時捷上有所應用。
三、特殊陶瓷在汽車上應用存在的問題
特種陶瓷是正在不斷開發中的材料,在原料的製取、材料的評估和利用技術等許多方面都有尚待解決的課題。目前,阻礙特種陶瓷在汽車上應用的主要原因有:一是成本長期居高不下,遠高於金屬零部件的價格;二是特種陶瓷對原材料要求比較嚴格,工藝難以掌握,使得各批製品的性能難以保持均勻一致;三是可加工性差、脆性大、使用可靠性差;四是製造工藝複雜,要求高。
四、結論
雖然目前特種陶瓷在汽車上的應用存在一些尚需解決的問題,但因其具有各種優異、獨特的性能,特種陶瓷的發展十分迅速,在現代工業技術,特別是在高技術、新技術領域中的地位日趨重要。為了人類社會永續發展策略,滿足新一代汽車產品的輕量化、智慧化、節能、安全和環保要求,加速新技術革命,美、日、德等國均投入大量人力、物力和財力研究開發特種陶瓷,利用不同化學組成和組織結構的特種陶瓷具有不同的特殊性質和功能的特點,研製汽車上的陶瓷零、部件,在技術上有很大突破。我國在這一領域也已取得了很大進展,汽車上陶瓷零件的開發及應用前景將十分誘人。相信不久的將來,隨著科學技術的飛速發展,陶瓷材料在汽車製造這一領域會有更大的突破,將會引入和應用更多的特種陶瓷、智能陶瓷,從而改善汽車的性能。
