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1、车用陶瓷材料的简述及其应用 摘要：本文从陶瓷的组成、陶瓷材料的性能特点、陶瓷材料的分类，以及其用途进行了阐述，重点讲解并描述了新型陶瓷材料在车辆中的应用状况。探讨表明：新型陶瓷由碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往运用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐l000以上高温。此外，新材料推动了汽车上新用途的开发，比现在的一般陶瓷(烧结而成)具有更优良性能。 关键词：陶瓷材料；组成；性能特点；应用 1概述 利用自然硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)原料制成的陶瓷叫一般陶瓷，也叫传统陶瓷。传统陶瓷是指以粘土等自然矿物粉末为原料，经混合、塑化、成形、烧结而成的固体材料。广义的陶瓷则包含一切自然
2、及合成的无机非金属固体材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、自然石、现代工程陶瓷及功能陶瓷等。由于陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、硬度高，甚至还具有特别的电、磁、热、光等功能效应，在现代生活及工业中已得到了广泛的应用，是许多高科技产品制作的必需材料。 一般陶瓷原料来源广、成本低、用量大。自然原料中的杂质对陶瓷的性能不利，因此，可以采纳人工合成纯度高的原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等)。用传统陶瓷工艺方法制造的新型陶瓷，也叫现代陶瓷或特种陶瓷。陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。汽车工业应用多属精细陶瓷，在汽车上很早以前就在火花塞、窗玻璃、水泵的机械式密封上运用了陶瓷。而且作为排放对
3、策，触媒载体、氧传感器、爆震传感器等功能陶瓷相继出现。目前，已有很多发动机零件采纳结构陶瓷制造，不久将来，陶瓷发动机将会出现。 2陶瓷的组成 传统上的陶器、瓷器、玻璃、水泥和耐火材料，其主要成分为硅酸盐类物质，所以也称为硅酸盐陶瓷或硅酸盐材料。随着材料科学与工程的发展，陶瓷材料的范畴也不断扩展，涌现了一系列应用于高技术场合的新型陶瓷，或称特种陶瓷、先进陶瓷，如功能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料及人工晶体等。新型陶瓷的组成已不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫系化合物、硅、锗等。其形态也趋多样化，还有超微粉体(即纳米材料)，单晶和非晶材料，以及纤维、晶须
4、、薄膜、复合材料等，各有独特的性能及用途。 一般陶瓷由多种原料经塑化、成形、烧成后而制成，所以大多数陶瓷材料均含有一种或一种以上的晶体、肯定数量的玻璃相及少量的气相，为一种多相固体材料。 陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物及非氧化物三种。晶相是陶瓷中量大而主要的部分，其种类、大小、分布、数量对陶瓷的性能起确定作用。一般陶瓷中的玻璃相是以长石熔融的液相为主体构成的低熔点非晶态物质，常富含氧化硅、碱金属氧化物及杂质，可充填晶粒间隙而提高致密性，降低烧结温度和抑止晶粒长大，黏结分散的晶粒形成肯定强度。但玻璃相的强度及耐热性低，过多则会降低陶瓷的性能。一般陶瓷中玻璃相占20%40%。气孔来自于烧结过程中
5、各组分发生物理、化学作用而生成的空隙及压制不致密而残存的空隙。气孔使应力集中增加，有效断面下降，导致强度下降。同时，还使电绝缘性及透亮性下降。一般陶瓷的气孔体积一百零一分比达5%10%左右，甚至更高。 3陶瓷材料的性能特点 一般而言，陶器杂质多，烧结温度低(即烧结不充分)，坯体断面粗糙无光，有较大的气孔率和吸水率，如烧结砖、瓦、罐等。瓷器成分较纯，烧结温度高(即烧结充分)，坯体致密细腻，具有肯定光泽，基本不吸水，如日用细瓷等。而炻器则介于陶器和瓷器之间，如一般的墙地砖、卫生陶瓷、化工陶瓷等。 与传统陶瓷相比，新型陶瓷具有：第一，其组成、纯度、粒度得到了精选，组成已超出了传统陶瓷的成分范围，是一
6、些纯的氧化物、氮化物、硼化物及其他盐类或单质；其次，应用领域已从结构材料扩展到电、光、声、热、磁等功能材料方面；第三，成形工艺方面应用了等静压成形、热压铸成形等；第四，制品的形态有单晶、薄膜、纤维及复合形式等。明显，陶瓷材料的涵义已大大得到扩展。陶瓷材料的性能特点主要有以下几个方面。 （1） 弹性模量大，即刚性好，是各种材料中最高的。陶瓷材料在断裂前无塑性变形，是脆性材料，冲击韧性很低。假如设法削减材料内部的缺陷(气孔和裂纹)，陶瓷材料的强度和韧性会大大改善。 （2） 抗压强度比抗拉强度高得多。陶瓷的抗拉强度与抗压强度之比为1:10(铸铁为1:3)。此外，陶瓷硬度高，一般为10105000HV
7、；金刚石属于最硬的物质，为600010100HV(而淬火钢仅为500800HV，塑料小于20HV)。 （3） 熔点高，高温强度高，线膨胀系数很小，是一种较好的高温材料。用陶瓷材料制造的发动机体积小，热效率大大提高。陶瓷材料在高温下不氧化，抗熔融金属的侵蚀性高，可用来制作坩埚，对酸、碱、盐大都具有良好耐蚀性。但和金属相比，陶瓷抗热冲击性差，不耐温度的急剧改变。 （4） 导电实力在很大范围内改变。大部分陶瓷可作为绝缘材料，有的可作为半导体材料，还可以作为压电材料、热电材料和磁性材料等。某些陶瓷具有光学特性，可作为激光材料、光色材料、光学纤维等。有的陶瓷在人体内无特别反应，可制作人造器官(称为生物陶
8、瓷)。陶瓷材料作为功能材料具有广泛的应用前景。 4陶瓷材料的分类 陶瓷产品的种类繁多，性能各异，其分类方法也各不相同。总体上可分为一般陶瓷和特种陶瓷。从组成上可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。现代陶瓷又称精细陶瓷，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 汽车用陶瓷大致可分为功能材料和结构材料。功能材料是利用其绝缘性、介电性、压电性、半导体、磁性等特异功能，主要用于陶瓷传感器，以不断满意汽车电子化的急剧发展。 5陶瓷材料的用途 结构陶瓷因具有良好的性能，如高强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数、隔热性好及低密度等，用它来替代耐热合金能大幅度地提高热机效率、降低能耗、节约珍贵金属、达到轻量化效果。目前，已广
9、泛用于制造发动机和热交换器零件。此外，结构陶瓷还被用来制造切削工具、轴承、泵的机械密封环等，好用效果较好。结构陶瓷的优良机械性能要得以充分发挥，并用于大量生产的汽车零件，就须要解决性能的稳定性和再现性及不断完善加工技术、评价技术、接合技术等方面的问题。功能陶瓷主要用于传感器，此外，还可用于各种执行元件、陶瓷加热器、导电材料、显示装置等。陶瓷传感器在温度传感器、位置传感器、速度传感器、气体传感器、湿度传感器、离子传感器、仓储等得到特别广泛的应用。用于汽车的传感器应具有的特性:要能许久适用汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气)，要小型轻量，重复运用性要好(精度达0.5%1%
10、)、输出范围要广。 汽车用温度传感器以热敏系为主，发动机冷却水温度调整也有采纳感温铁氧体的。 （1） 热敏电阻 过渡族金属氧化物系陶瓷半导体随温度上升其电阻下降，把具有这种特性的半导体称为热敏电阻。热敏电阻的运用温度可达1010，被广泛用于防止排气净化触媒的过热。上述这种随温度上升电阻下降的热敏电阻称为NTC(负电阻温度系数)热敏电阻。BaTiO3系半导体，在居里点以上电阻急剧增加，把这种具有正电阻温度系数的热敏电阻称为PTC热敏电阻。通过变更化学成分(更换Sr或Pb)来限制电阻急剧增加而产生的温度改变；可作为自行限制温度加热器或温度补偿用热敏电阻。这种PTC加热器被用于自动阻风门、各种传感器
11、内加热体、进气加热器等。 （2） 感温铁氧体 由于它利用了在居里点导磁率急剧改变的特性，被利用于温度转换。当温度上升时，热运动猛烈， 其感温铁氧体的固有特性即自发极化消退。为使三元触媒工作， 必需使排气空燃比保持在理论空燃比，即氧为零的状态， 为此采纳氧化锆氧传感器，氧化锆管的内侧通入大气，外侧引入排气。温度上升，氧就离子化，由于离子浓度差在固体电解质中将产生自大气侧向排气侧的扩散，构成一种浓淡电池，从而产生电势。排气侧，白金触媒的作用，使氧与一氧化碳、碳化氢、氢分子等发生反应，达到平衡浓度。氧浓度以理论空燃比为界产生急剧改变。其结果，氧传感器在理论空燃比上下会发生阶跃性改变的信号。利用该信号
12、，可反馈限制空燃比。 在氧分压低的爱护气中，TiO2晶体中形成晶格缺陷，使电阻下降，利用这一现象制成氧传感器。已好用化的淡薄燃烧空燃比传感器，是利用氧化锆固体电解质的电化学泵作用的氧化锆传感器。将氧化锆固体电解质通以电流，从而产生阴极吸氧，阳极放氧现象。当外加电压保持肯定时，输出电流与空燃比呈正比，据此测定该电流即可求出空燃比。此外还有其它的气体传感器，如金属氧化物半导体传感器，是利用表面吸附气体成分改变电阻也随之改变这一性质制成。利用溅射法形成ZnO及SnO2薄膜，由于NO2在膜表面上吸附负电荷，在NO2浓度增加的同时，元件电阻增大。另外薄膜元件的灵敏度较好。这些传感器不受H2、CO或O2的
13、影响，在数秒钟内即可检测出数ppm的NOx,这是用于柴油机检测NOx的志向传感器。温度传感器在汽车行业不仅用于空调，还具有防止玻璃结露的作用。 陶瓷湿度传感器的类型: 一是半导体型。它是利用水的电子赐予性化学吸附所产生的半导体电阻改变的原理；二是容量型。利用水的吸附产生容量改变的原理。采纳的氧化物有Al2O3、Ta2O3等；三是质子传导型。它是利用多孔质陶瓷表面上水的物理吸附及毛细管凝聚而引起电阻改变的原理。目前主要采纳在室温旁边的质子传导型。 爆震传感器可预知高负荷下易产生的爆震，以防止点火延迟，特殊适用于装有涡轮充电机的发动机。检测爆震主要依据汽缸部件的振动 (一旦产生爆震，机械振动就加剧
14、)，间接地察觉爆震。 压电性是指一旦加力，就产生电压。具有压电体的陶瓷已在很多领城广泛应用。这种被称作PZT的材料除在传感器上得到利用外，还被用在倒车报警器上，作为超声波的接收器和放射器而被利用。 陶瓷促动器:陶瓷压电体一旦沿电极化方向施加电压，就会因压电效应沿极化方伸张。利用这一性质，开发了陶瓷促动器。发动机限制用的陶瓷促动器，把多个薄板状压电陶瓷叠层，通过对其施加电压得到位移。利用外加电压得到的位移量，是很微小的，但发生力大，动作也快速。 6车用新型陶瓷材料 汽车的陶瓷材料是采纳高纯超细的氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等原料，经过预处理、破裂、磨粉、混合、成形、干燥、烧结等特别工艺而得到的
15、结构精细的无机非金属材料。它具有高强度、高耐热性、抗蚀性、高硬度、高耐磨性、密度小、变形小、抗热冲击等一系列优点，特殊是抗拉强度和弯曲强度可与金属相比。陶瓷大体上可以分为结构陶瓷和功能陶瓷，用结构陶瓷代替高强度合金制造涡轮增压发动机、燃气轮机、绝热发动机，可以将现在发动机的燃烧温度从730800提高到1010以上，热效率提高1倍以上。结构陶瓷的质量为铁的一半，节能效果特别显著，同时还能削减环境污染，节约钢材等金属材料。但由于陶瓷材料性能的再现性和牢靠性差，不能确保大量生产的稳定性，同时陶瓷具有加工困难、质脆、稍有缺陷就简单裂开，以及成本高等缺点，所以目前还没广泛运用。 新型陶瓷多由碳化硅和氮化
16、硅等无机非金属烧结而成。与以往运用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐l000以上高温，新材料推动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行缺少的材料。现有汽油机中，燃烧能量中的78%左右会在热能和热传递中损失掉。柴油机热效率为33%，与汽油机相比已非常优越，然而仍有60%以上的热量损失掉。因此，为削减这部分损失，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。试验证明，可把热效率提高到48%。新型陶瓷具有良好耐热性能和耐腐蚀性，如日本五十铃汽车公司最早将它用于小型柴油机火花塞。 7陶瓷材料在车辆上的应用 陶
17、瓷的性能由两种因素确定。首先，物质结构主要是指化学键的性质和晶体结构。它们确定陶瓷材料的性能，如耐高温性、半导体性及绝缘性等。其次，显微组织，包括相分布、晶粒大小和形态、气孔大小和分布、杂质、缺陷等。这对材料的力学性能影响极大，而显微组织又受制备过程中各种因素的影响，在运用时必需严加留意。陶瓷的性能及应用如下。 （1） 一般陶瓷 一般陶瓷是以粘土、长石、石英为原料，经配制、烧结制成。这类陶瓷具有质地坚硬、不生锈、耐腐蚀、不导电、加工成形性好、成本低等优点。其缺点是强度较低，一般最高运用温度不超过1200。这类陶瓷产量大种类多，广泛用于电气、化工等行业。 （2） 氧化铝陶瓷 氧化铝瓷的原料是工业
18、氧化铝，性能好，但工艺困难、成本高。氧化铝瓷强度大、硬度高，耐热温度可达1600，耐腐蚀、绝缘性好。但脆性大，抗震性差。主要用在喷砂用的喷嘴、火箭用导流罩。还可作化工泵用密封滑环、轴承及切削刀具等。 （3） 碳化硅陶瓷 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。碳化硅瓷最大特点是高温强度高，传热实力强，热稳定性好，并耐磨、抗蠕变性好。用作火箭尾部喷管喷嘴、轴承、高温热交换器材料以及各种泵的密封圈。 （4） 氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是新型工程陶瓷，它原料丰富、加工性能好、用途广泛。制备方法有反应烧结法和热压烧结法。前者是用硅粉加入少量Si3N4粉，成形后在氮气下经1210氮
19、化1.5h，然后再进行机械加工，最终在1450氮化直至硅都变成氮化硅，所得制品致密。 氮化硅耐高温、抗热震性好，可制作高温轴承、输送铝液的电磁泵管道、炼钢用铁水流量计。制成燃气轮机零件，提高效率30%，并可减轻自重，制成切削刀具可加工淬火钢、冷硬铸铁等。从材料来看，最好的发动机材料应是在1400状况下，每分钟旋转数千至数万次而不损坏。目前，高应力的镍基或钼基合金也只能在1101下，可耐60000转/min。为把发动机热效率提高，则发动机的工作温度必提高到11011500，此时金属材料就不适用，而Si3N4陶瓷材料，可以满意要求。用Si3N4陶瓷材料制造发动机，由于工作温度提高到1373，发动机
20、效率可提高30%。同时由于温度提高，可使燃料充分燃烧，排出的废气中污染成分大幅度下降，不仅降低能耗，并且削减了环境污染。 （5） 其它陶瓷材料 陶瓷材料种类繁多，各有特色，可制成各种功能元件。氧化锂瓷为高温材料。滑石瓷为高频绝缘材料。氧化钍瓷为介电材料。钛酸钡瓷为光电材料。硼化物、氮化物、硅化物等金属陶瓷为超高温材料。铁氧体瓷为永久磁铁、记忆磁铁、磁头等材料。稀土钴瓷为存贮器材料。半导体瓷为亚敏元件、太阳电池等材料。 由于新型陶瓷的运用，柴油机瞬间起动将变成可能。采纳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
21、动态响应低的缺点。其他正在进行探讨的有:采纳新型陶瓷活塞销和活塞环、挺柱等运动部件。由于重量的减轻，发动机效率可望得到提高。目前，陶瓷基复合材料零件的价格远比金属零件价格高。制造时可能产生内部裂纹且陶瓷零件的强度波动较大，高温时有所下降。但由于陶瓷材料具有优良的机械性能和低密度特点，世界各国都在大力发展，努力改善其基本性能和工艺技术，以求降低成本，提高牢靠性。 8结语 陶瓷是正在不断开发中的材料，原料的制取、材料的评价技术、利用技术等很多方面都尚待进一步探讨。新型陶瓷(精细陶瓷)材料，以高纯度自然无机物或以人工合成无机化合物为原料。比现在的陶瓷(烧结而成)具有更优良性能而受人注目。 第13页 共13页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页