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理想將成為現(xiàn)實-陶瓷材料的汽車應(yīng)用

  • 2007-3-2 17:20:05
  • 來源:搜配網(wǎng)
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中國臺灣將開發(fā)汽車用先進高強度鋼

    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車的研發(fā)及生產(chǎn)階段越來越多地采用新材料及新工藝,這也使得人們對汽車輕質(zhì)化、低成本、智能化、經(jīng)濟性和可靠性的要求成為可能,而對于新材料的使用,我國古代的發(fā)明——陶瓷便是其中之一。

    對于陶瓷,按材料及燒制工藝的不同通常分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷兩大類。傳統(tǒng)陶瓷以天然硅酸鹽礦物為原料燒制而成,也叫硅酸鹽陶瓷。與之相區(qū)別,人們將近代發(fā)展起來的各種陶瓷總稱為特種陶瓷,也稱為新型陶瓷、高技術(shù)陶瓷或精細(xì)陶瓷。特種陶瓷以精制高純的化工產(chǎn)品為原料,在化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能和使用效能等各方面均不同于傳統(tǒng)陶瓷。特種陶瓷具有各種優(yōu)異、獨特的性能,應(yīng)用在汽車上,對減輕車輛自身質(zhì)量、提高發(fā)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。

    陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用

    1、 陶瓷在汽車傳感器上的應(yīng)用

    汽車傳感器應(yīng)當(dāng)具有小型輕量,重復(fù)使用性好,輸出范圍廣等特點。陶瓷耐熱、耐蝕、耐磨及其潛在的優(yōu)良的電磁、光學(xué)機能,近年來隨著制造技術(shù)的進步而得到充分利用,陶瓷傳感器完全能夠滿足上述要求。

    2 、陶瓷在汽車發(fā)動機上的應(yīng)用

    新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等無機非金屬燒結(jié)而成。與以往使用的氧化鋁陶瓷相比,強度是其三倍以上,能耐1000攝氏度以上高溫,新材料推進了汽車上新用途的開發(fā)。例如:要將柴油機的燃耗費降低30%以上,可以說新型陶瓷是不可缺少的材料。現(xiàn)在汽油機中,燃燒能量中的78%左右是在熱能和熱傳遞中損失掉的,柴油機熱效率為33%,與汽油機相比已十分優(yōu)越,然而仍有60%以上的熱能量損失掉。因此,為減少這部分損失,用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進行隔熱,進而用廢氣渦輪增壓器和動力渦輪來回收排氣能量,有試驗證明,這樣可把熱效率提高到48%。

    同時,由于新型陶瓷的使用,柴油機瞬間快速起動將變得可能。采用新型陶瓷的渦輪增壓器,它比當(dāng)今超耐熱合金具有更優(yōu)越的耐熱性,而比重卻只有金屬渦輪的約三分之一。因此,新型陶瓷渦輪可以補償金屬渦輪動態(tài)響應(yīng)低的缺點。其他正在進行研究的有:采用新型陶瓷的活塞銷和活塞環(huán)等運動部件。由于重量的減輕,發(fā)動機效率可望得到提高。

    3 、陶瓷在汽車制動器上的應(yīng)用

    陶瓷制動器是在碳纖維制動器的基礎(chǔ)上制造而成的。一塊碳纖維制動碟最初由碳纖維和樹脂構(gòu)成,它被機器壓制成形,之后經(jīng)過加熱、碳化、加熱、冷卻等幾道工序制成陶瓷制動器,陶瓷制動器的碳硅化合物表面的硬度接近鉆石,碟片內(nèi)的碳纖維結(jié)構(gòu)使它堅固耐沖擊,耐腐蝕,讓碟片極為耐磨。目前此類技術(shù)除了在F1賽車中應(yīng)用,在超級民用跑車中也有涉及,例如奔馳的CL55 AMG。

    4、 陶瓷在汽車減振器上的應(yīng)用

    高級轎車的減振裝置是綜合利用敏感陶瓷正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)研制成功的智能減振器。由于采用高靈敏度陶瓷元件,這種減振器具有識別路面且能做自我調(diào)節(jié)的功能,可以將轎車因粗糙路面引起的振動降到最低限度。

    5、 陶瓷在汽車噴涂技術(shù)上的應(yīng)用

    近年來,在航天技術(shù)中廣泛應(yīng)用的陶瓷薄膜噴涂技術(shù)開始應(yīng)用于汽車上。這種技術(shù)的優(yōu)點是隔熱效果好、能承受高溫和高壓、工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定。為達到低散熱的目標(biāo),可對發(fā)動機燃燒室部件進行陶瓷噴涂,如活塞頂噴的氧化鋯,缸套噴的氧化鋯。經(jīng)過這種處理的發(fā)動機可以降低散熱損失、減輕發(fā)動機自身質(zhì)量、減小發(fā)動機尺寸、減少燃油消耗量。

    有待解決的問題

    特種陶瓷是正在不斷開發(fā)中的材料,但原料的制取、材料的評價和利用技術(shù)等許多方面都有尚待解決的課題。目前,特種陶瓷在汽車的應(yīng)用并不廣泛,其中的主要原因有:

    1、制造工藝復(fù)雜、要求高
    2、因特種陶瓷對原材料要求比較嚴(yán)格、工藝難以掌握,使得各批制品的性能難以保持均勻一致
    3、成本較高,可加工性差、脆性大、使用可靠性差。

    但我們有充分的理由相信,隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,在未來的汽車制造業(yè)中將會有更多的特種陶瓷、智能陶瓷制品被引入和采用到汽車上,而且一定會在汽車生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。


    陶瓷的分類及特點

    陶瓷的性能由兩種因素決定。首先是物質(zhì)結(jié)構(gòu),主要是化學(xué)鍵的性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。它們決定陶瓷材料的性能,如耐高溫性、半導(dǎo)體性及絕緣性等。其次是顯微組織,包括分布、晶粒大小、形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)、缺陷等。

    普通陶瓷
    普通陶瓷是用粘土、長石、石英為原料, 經(jīng)配制、燒結(jié)制成。這類陶瓷質(zhì)地堅硬、不會氧化生銹、耐腐蝕、不導(dǎo)電、能耐一定高溫、加工成型性好、成本低,但強度較低。一般最高使用溫度不超過1200攝氏度,這類陶瓷產(chǎn)量大,種類多,廣泛用于電氣、化工等行業(yè)。

    氧化鋁陶瓷
氧化鋁陶瓷又稱高鋁陶瓷,主要成分是氧化鋁和氧化硅。它強度大、硬度高、耐腐蝕、絕緣性好,耐熱溫度可達1600攝氏度,但缺點是脆性大,抗震性差,工藝復(fù)雜,成本高。氧化鋁陶瓷出色的高溫性能和介電性能,使其適宜制作發(fā)動機火花塞;好的耐磨性可保證制作的活塞能夠加工到相當(dāng)高的精度和粗糙度。

    碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷是用碳化硅粉,用粉末冶金法經(jīng)反應(yīng)燒結(jié)或熱壓燒結(jié)工藝制成。碳化硅陶瓷最大特點是高溫強度大、熱穩(wěn)定性好、耐磨抗蠕變性好。適用于澆注金屬用的喉嘴、熱電偶套管、燃?xì)廨啓C的葉片、軸承等零件。同時由于它的熱傳導(dǎo)能力高,還適用于高溫條件下的熱交換器材料,也可用于制作各種泵的密封圈。

    氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷原料豐富、加工性好,可以用低成本生產(chǎn)出各種尺寸精確的部件,特別是形狀復(fù)雜的部件,成品率比其他陶瓷材料高。氮化硅陶瓷抗溫度急變性好,硬度高,其硬度僅次于金剛石、氮化硼等物質(zhì),用氮化硅陶瓷材料制造發(fā)動機,由于工作溫度提高到1370攝氏度,發(fā)動機效率可提高30%。同時由于溫度提高,可使燃料充分燃燒,排出的廢氣中污染成分大幅度下降,不僅降低能耗,并且減少了環(huán)境污染。

    其他陶瓷材料
陶瓷材料種類繁多,各有特色,可制成各種功能元件。氧化鋰陶瓷為高溫材料,滑石陶瓷為高頻絕緣材料,氧化釷陶瓷為介電材料,鈦酸鋇陶瓷為光電材料,硼化物、氮化物、硅化物等金屬陶瓷為超高溫材料。鐵氧體陶瓷為永久磁鐵、記憶磁鐵、磁頭等材料,稀土鈷瓷為存貯器材料,半導(dǎo)體瓷為亞敏元件、太陽電池等材料。

 
 
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