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1、汽车工艺与材料陶瓷材料在汽车上的应用（浙江大学 机械与能源工程学院，浙江 杭州!#$%）张金迎，周晓军文章编号：#!&%（$#(）#&#)&#)汽车工艺与材料!#$%$&()#)*+,$($-./%!#)0!(专题综述 摘要：陶瓷材料的应用，对减轻车辆自身质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易损件寿命、完善汽车智能性功能等都有积极意义。介绍了几种常用特种陶瓷的主要性能及其在汽车发动机、柴油机微粒过滤器、催化转化器、制动器、减振装置、轴承、传感器等方面的应用。简要分析了目前特种陶瓷在汽车上应用并不广泛的主要原因。关键词：特种陶瓷；汽车；应用中图分类号：*)+(文献标识码：,1前言
2、陶瓷是古老而又新型的材料，通常分为传统陶瓷和特种陶瓷两大类。传统陶瓷以天然硅酸盐矿物为原料烧制而成，也叫硅酸盐陶瓷。与之相区别，人们将近代发展起来的各种陶瓷总称为特种陶瓷，也称为新型陶瓷、高技术陶瓷或精细陶瓷。特种陶瓷以精制高纯的化工产品为原料，在化学组成、内部结构、性能和使用效能等各方面均不同于传统陶瓷。特种陶瓷具有各种优异、独特的性能，应用在汽车上，对减轻车辆自身质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易损件寿命、完善汽车智能性功能都具有积极意义。2常用特种陶瓷简介231氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是,-$.!和/0.$。强度大于普通陶瓷；硬度很高，仅次于金刚石、
3、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，有很好的耐磨性；耐高温性极好，含,-$.!高的刚玉瓷能在+#1的高温下长期工作，而且蠕变极小；耐腐蚀性很强；有很好的绝缘性能，特别是在高频率下的电绝缘性能好2每毫米厚度可耐电压 34以上。氧化铝陶瓷出色的高温性能和介电性能，使其适宜制作内燃机火花塞；好的耐磨性可保证制作的活塞能够加工到相当高的精度和粗糙度。232氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷原料丰富、加工性好，可以用低成本生产出各种尺寸精确的部件，特别是形状复杂的部件，成品率比其他陶瓷材料高。氮化硅陶瓷抗温度急变性好；硬度高，其硬度仅次于金刚石、氮化硼等物质；有自润滑性，是一种优良的耐磨材料。氮化硅中既没有自由电子，也没有离
4、子，所以有很高的电绝缘性。此外，氮化硅陶瓷烧结时尺寸变化小，可以制成精度高、形状复杂的零件。234碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷的最大特点是高温高强度，一般陶瓷材料在$#1时强度显著降低，而碳化硅陶瓷在)#1时抗弯强度仍保持在(#5+#678的较高水平。其热传导能力强，在陶瓷中仅次于氧化铝陶瓷。热稳定性好，耐磨、耐腐蚀、抗蠕变性好。碳化硅陶瓷高温高强度的特点，适用于火箭尾喷嘴、浇注金属用的喉嘴、热电偶套管、燃气轮机的!556789:7;?978%9:?796 7!#$%&()*(+，!,-./0)12(（69:;8099?0 BC-99，D;9E08*0FG，H8I;CJ D;9E08!#$%，B;08
5、）!CD:?98:：K;9:9?8L0:L8M9?08-JN9O 0 M;9 8JMCLCM0F9N:8:CM?0PJM9 MC?9OJ:9 M;9 O98O Q90;M CR F9;0:-9，0LS?CF9 909;CM 9RR0:09:A，?9OJ:9 C0-:CNJLSM0C，?9OJ:9 9L0NN0C，0:?98N9 M;9-0R9 CR TJ0:3&Q98?S8?MN 8OS9?R9:M M;9 0M9-09M RJ:M0C CR 8JMCLCP0-9NGK;9 S8S9?0M?COJ:9N L80 S9?RC?L8:9N CR N9F9?8-:CLLC&JN9ONS9:08-:9
6、?8L0:N 8O M;90?8SS-0:8M0CN 0 8JMCLCM0F9 909N，O09N9-909 S8?M0:-9 R0-M9?，:8M8-AM0:CF9?M9?，P?839，O8LS9?2 P98?0，N9NC?，9M:G K;9 CPNM8:-9N MC 8JMCLCM0F9 8SS-0:8M0C CR:9?8L0:N 8?9 O0N:JNN9O 0FG;?HD：NS9:08-:9?8L0:；8JMCLCM0F9；8SS-0:8M0C)&!#年第$期零件名称要求的性能适用的陶瓷材料耐热 耐磨 低摩擦 轻量 耐蚀 膨胀小活塞!%&()、*%+、,-活塞环!%(、*%+涂层气缸套!
7、%&()、*%+涂层预燃烧室!*%+、%&()气门头!%(、*%+复合材料气门座!*%+、%(气门挺杆!*%+、%&.)、%&/气门导管!*%+、%(、%&/进排气管!+0.!、%&.)、-1!.、,&.!进排气口!+0.!、%&.)、-1!.、,&.!机械密封!%&()、%&/、*%+涡轮增压器叶片!%&()、%&/涡轮壳!2-%隔热板!+0.!、2-%轴承!%,注：*%+为部分稳定氧化锆；%(为烧结氮化硅；2-%为锂3铝3硅酸盐；,-为改性的韧性氧化铝。表!日本、美国绝热发动机上采用的结构陶瓷张金迎等：陶瓷材料在汽车上的应用叶片、轴承等零件。热传导能力高，适用于高温条件下的热交换器材料，也
8、可用于制作各种泵的密封圈。陶瓷材料在汽车上的应用陶瓷材料主要应用于汽车上那些要求有较高耐热性、良好摩擦性（甚至在无润滑剂时）或惯性较小的部件中。#!陶瓷在发动机上的应用#!#!气门挺杆日本五十铃汽车公司在柴油机上试验过氮化硅陶瓷挺杆，其关键技术在于将陶瓷片直接钎焊在钢挺杆体上的结构和工艺。福特公司已将喷射形成的陶瓷挺杆用于4$发动机上。#!#$气门氮化硅陶瓷气门比钢质气门轻，有一定节油效果，并能减少有害物排放。硅粉直接氮化得到%&()，成本较低。德国采用冷挤压法生产氮化硅陶瓷气门。#!#气门加热技术为使汽车发动机起动时完全燃烧，在其吸气侧安装了加热装置即气门加热器，以加热吸气，使燃料蒸发混合完
9、全。吸气加热时，为控制好温度、提高装置的可靠性，用钛酸钡瓷系*,/（热敏电阻）制做气门加热器，使发动机一经发动即处于完全燃烧状态，从而发挥提高热效率、节能及净化排气等功效。#!#%活塞用氮化硅陶瓷制造的陶瓷纤维活塞，耐磨性好，可以有效防止铝合金活塞由于热膨胀系数大而产生的“冷敲热拉”现象。直喷式柴油机活塞的陶瓷紊流圈利用了陶瓷材料的耐高温性能。从热效率、排放与噪声等方面综合考虑，带缩口或紊流圈的凹坑活塞比敞口凹坑活塞更有优越性。另外，热负荷的增加，使活塞材料的温度大约升高5 6，所产生的附加热应力会使铝活塞的耐久性发生问题，而镶入一个陶瓷圈会得到较好的效果。#!#&绝热发动机为提高发动机的热效
10、率，利用陶瓷耐热、耐磨、耐腐蚀、热膨胀系数小的特点，可以制造陶瓷绝热发动机。日本日野汽车公司开发了陶瓷发动机，该机气缸套、活塞、气门等)!的燃烧室零件用陶瓷材料制成，取消了散热器和冷却装置，提高功率7!，降低燃烧消耗!。表7列出了日本、美国在绝热发动机上采用结构陶瓷的情况。#$陶瓷在柴油机微粒过滤器中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8!以上。过滤器再生温度高达76，如果用金属过滤器，需要用耐热钢。此外，陶瓷过滤器还可以降低成本。#陶瓷在汽车催化转化器载体上的应用在汽车催化转化器中，采用堇青
11、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7(9:!。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。#%陶瓷在制动器上的应用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，碟片表面有规则的小孔，背面螺旋发散线状的沟槽用于散热。压制成形之后，趁着碟片仍有一定温度，马上送入高温炉定型。炉膛内充满氮气，温度接近7 6，在这种条件下，所有非碳有机物都将转化为碳，因此这道工序也叫碳化。此后，炉膛内的温度继续提升至7)!6，此时碳碟表现出强大的亲和力，甚至能吸收液化的硅。冷却后，得到的碳硅化合物
12、表面的硬度接近钻石，碟片内#33汽车工艺与材料对象输出效果材料在汽车上的用途（包括正在开发的）温度电阻变化载波浓度的温度变化!#!$%，#&%，(%，)*%，#&%+,-.%/，01%.，2$#各种温度传感器、液面传感器磁化变化铁氧体磁性+常磁性转变(+0(系铁素体温度开关气体电阻变化由氧化物半导体气体吸附引起的电荷转移2(%.，0(%，$%.，#&%/，$%/排气（3#，#%，!%!）传感器氧化物半导体的化学量变化$%.氧（空燃比）传感器超电力高温固体电解质氧浓差电池稳定化氧化锆，#*%.氧（空燃比）传感器、不完全燃烧传感器、#%传感器电量库仑滴定、临界电流稳定化氧化锆燃烧用传感器湿度电阻变
13、化氧化物半导体质子传导4#1.%5+$%.，$%.+6.%7湿度传感器、结露传感器化学吸附212(%/，21$%/高温用湿度传感器容量变化吸湿引起的电容率变化,-.%/，8.%7集成湿度传感器压力振动超电力压电效果90，9:$%/，;8$%/撞击传感器，加速度传感器，油传感器，雨滴传感器电阻变化压电电阻效果2$，0(%.吸气压力传感器位置速度反射波波形变化压电效果90，9:$%/，2$%.，（!8，&光色玻璃?8(1&指（显）示元件电阻变化光导电性A?，A*，9:?，,?+?*+*玻璃光电管（光控制，防眩倒车镜）表!陶瓷传感器的功能特性及在汽车上的用途的碳纤维结构使它坚固耐冲击，坚固耐腐蚀的材
14、质，让碟片极为耐磨。#$陶瓷在汽车减振装置上的应用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。#%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（920），喷涂厚度小于BC7 DD。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BC.7 DD厚的氧化锆，缸套喷ECF7 DD厚的氧化锆。经
15、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。#&陶瓷轴承陶瓷轴承工作温度高且耐磨，可提高转速，轴承部件对润滑和冷却的要求较低，而且陶瓷轴承无磁性、耐腐蚀、绝缘性好。陶瓷轴承主要材质为氮化硅陶瓷，其维氏硬度为BC.GBE5!HDD.，弹性工模数大于.CBGBE7!HDD.，抗弯强度小于FEE!HDD.，工作温度达IEE J。滚动体采用这种陶瓷的混合轴承的使用寿命可延长.KL倍，耐磨性提高L倍以上，工作温度可达MEE J。将这种轴承装在发动机上试验，在/L EEE 1HD$(及无润滑条件下可工作7E D$(。有些公司（如德国N2公司），已批量生产全陶瓷轴
16、承。#陶瓷在汽车传感器上的应用对汽车用传感器的要求是：(#能长久适用于汽车特有的恶劣环境（高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气）；)#小型轻量；*#重复使用性好，输出范围广。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能等，近年来随着制造技术的进步而得到充分利用，陶瓷传感器完全能够满足上述要求。陶瓷传感器实现的功能是多样的，所用的材料也很多。表.列出了陶瓷传感器的功能特性及其在汽车上的用途。+陶瓷材料在汽车上应用有待解决的问题特种陶瓷是正在不断开发中的材料，原料的制取、材料的评价和利用技术等许多方面都有尚待解决的课题。目前，特种陶瓷在汽车上的应用并不广泛，其中的主要原因是如下。张金迎等
17、：陶瓷材料在汽车上的应用M+!#年第$期收稿日期：!#%#%!&作者简介：童恬（()#%），男，安徽合肥人，工程师，本科（新加坡政府奖学金访问学者），($年毕业于上海交通大学，现从事车轮项目筹备工作。击试验；全道路模拟试验；针对涂装性能考核的盐雾试验；冷热循环试验。在整个制造过程中，良好的设备是车轮产品质量的基本保证。除此之外，还有各种在线、离线测试设备对产品质量进行全数检查或抽检。其中，在线检测项目包括：轮辋轴向、径向摆差检测；轮辋气密性检测；涂装目视检测。离线检测包括全自动车轮检测系统（检测轮辋、轮廓以及与轮辐的配合、轮辐安装螺孔的大小、安装位置等），见图)。国际领先的钢制车轮制造集团，通
18、过执行严格的质量管理体系和产品的在线、离线检测手段，大大地降低了产品报废率，每百万个车轮报废率（*+）保持在以下水平，并朝着更高的目标努力。!结束语面对,-+厂商对外观、性能、质量、供货条件以及价格的要求，铝轮行业和同业竞争者的压力及生产本身的要求，钢制车轮制造商一直在设计、制造、管理等领域积极探索。特别是国外的车轮企业，新产品、新工艺、新手段层出不穷。表现在材料上，大量使用以.*/为代表的高强度钢材；在设计上，更加注重款式开发和轻量化，并且利用计算机辅助手段缩短开发时间，减少开发成本；在制造技术上，或采用旋压等技术提高产品性能，或使用油漆废气收集焚烧装置以降低能源消耗；而对质量的不懈追求将促
19、进企业不断改善；信息技术的发展，为精益制造创造了条件。现代乘用车钢制车轮产品以其更加优秀的安全性能和越来越美观的外表正在逐步扩大市场份额，并将得到消费者更高的接受度。（责任编辑肖文）图各种车轮离线检测设备（上接第0页）收稿日期：!#%#%0作者简介：张金迎（()/%），男，浙江大学机械与能源学院车辆工程专业硕士研究生，主要研究方向：车辆工程测试与试验。张金迎等：陶瓷材料在汽车上的应用#$制造工艺复杂、要求高。%$因特种陶瓷对原材料要求比较严格、工艺难以掌握，使得各批制品的性能难以保持均匀一致。&$成本较高。$可加工性差、脆性大、使用可靠性差。随着科学技术的飞速发展，在未来的汽车制造业中，将会有更多的特种陶瓷、智能陶瓷制品被引入与采用到汽车上，而且一定会在汽车生产中得到广泛的应用。参考文献：羊秋林1汽车用轻量化材料+1北京：机械工业出版社1(1!李尹熙1汽车用非金属材料+1北京：北京理工大学出版社，(10 王培铭1无机非金属材料学+1上海：同济大学出版社，(1&金志浩1工程陶瓷材料+1西安：西安交通大学出版社，!1#肖永清，杨忠敏1汽车的发展与未来+1北京：化学工业出版社，!&1（责任编辑自然）!)%