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特种陶瓷材料在汽车上的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-10-28 浏览次数:45
 随着材料技术的不断创新,汽车研发生产阶段出现越来越多采用新型材料和工艺的大胆尝试,其中不乏抛出顶级品牌间的跨界合作作品,各种“噱头”引发流量关注,甚至影响至今。2011年法国超跑车制造商布加迪与德国柏林皇家陶瓷厂(KPM-BERLIN)联合发布了独一无二的定制版“陶瓷”超跑——Bugatti Veyron SE,“世界上第一辆以瓷器概念作为车内外设计元素的汽车”,这款出厂价值140万欧元的孤品在外观和内饰等七个不同部位采用了绝无仅有的陶瓷部件。陶瓷版Veyron一经发布便引起全球收藏界和车迷的震惊,因为对于多数人而言似乎对“陶瓷”这个材料存在误解。依然停留在过去传统的认识之上。

汽车工业的飞速发展让人们对汽车的安全性、节能性、舒适性、智能化要求日益凸显,同时国家对噪声管控、排气污染的限制也因社会的发展有了更高的要求,这就使具有绝缘性、介电性、半导体性、压电性和导磁性等特异性能的特种陶瓷材料在汽车上可以有诸多作为,这是传统陶瓷不具备的性能。

1.陶瓷材料的分类

(1)按化学成分分类:

①氧化物陶瓷:是最早被使用的陶瓷材料,其种类繁多,应用广泛。最常用的为Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO及莫来石和尖晶石等,其中Al2O3和SiO2的具有如同传统金属材料中的钢铁铝一般的应用普及度。而常用的玻璃及日用陶瓷属于复合氧化物陶瓷。

②碳化物陶瓷:在特种陶瓷领域是最耐高温的一种材料,具有比氧化物更高的熔点,例如碳化钛(TiC)熔点高达3460℃,碳化钨(WC)为2720℃、碳化锆(ZrC)为3450℃、碳化硅(SiC)的气化点为2600℃。碳化物陶瓷还具有良好的导电、导热性和化学稳定性。

③氮化物陶瓷:多数氮化物陶瓷熔点都比较高,尽管其种类很多,但可实际应用为材料的也是有限的,主要有氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AIN)、氮化硼(BN)和氮化钛(TiN)等,一般具有非常高的摩尔硬度。其中Si3N4具有良好的综合力学性能和耐高温性能;TiN有高硬度;BN具有耐磨减磨性能;AIN具有热电性能,其应用正日趋广泛。

④其它化合物陶瓷,指除上述三类陶瓷和金属及向分子材料以外的无机化合物,包括常做为陶瓷添加剂的硼化物以及具有光学、电学等特性的硫族化合物陶瓷等,其研究应用也日益增多。

(2)按性能特点和用途进行分类

2.特种陶瓷材料在汽车上的应用

特种陶瓷具有优越的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等优异力学、热学、化学性能,因此其在非常严苛的环境工程应用条件下,所展现的高稳定性与优异的机械性能在汽车制造业上也备受瞩目,广泛用于发动机和热交换零件的制造、汽油机点火系统的火花塞的基体。

①陶瓷电热塞

电热塞也称预热塞,在严寒环境下柴油发动机冷却时,其为提升启动性能提供热能,因此要求电热塞有快速升温和持久保持感温状态的特性。初代电热塞为金属制造,二代把钨丝埋在氮化硅陶瓷内制成金属陶瓷电热塞,三代就是发热体全部采用导电陶瓷制造的全陶瓷电热塞。陶瓷电热塞因其升温快、温度高、节能环保和使用寿命长等特点在柴油机排放控制上能够有效的做到节能减排,不仅能在不更改原柴油机电热塞冷启动系统的情况下,完全替代现有的低温起动预热和减排方式,还可以在低温恶劣的环境下满足客户需求。

全陶瓷电热塞发热体由多层陶瓷复合材料组成,选择氮化硅材质,具有极好的耐酸耐碱表现,并不易粘附其它物质,工况温度高最高超过1000多摄氏度。发热部位为外部发热式的陶瓷材料,可克服传统电热塞热传导介质存在温差的问题,常规测试中其温升速度最快满足1.5S达到850℃,极大地缩短发动机等待启动时间,因极高的使用温度(1150℃),以及可在-40摄氏度的环境下仍能保证发动机的正常使用,更好地优化柴油机在低温下的缸内燃烧状况及降低有害物质的排放,在不改原柴油机电热塞冷启动系统的情况下,可直接替代金属电热塞产品。(武龙,2010)并且可以保护内部加热元件不被氧化,尤其满足了在偏远地区作业特殊任务机械的工况需要。

②陶瓷活塞

内燃机活塞最早使用的活塞材料是铸铁,其使用最多的就是球墨铸铁和可锻铸铁材料,铸铁材料在高温时仍具有非常高的强度,可很大程度上提高内燃机的输出功率,因此铸铁活塞主要应用于舰船、工程机械用和载货用动力机车等大功率发动机上。同时其劣势情况也逐渐显露出来,其最大的缺点是极限工况下的特殊性能开始遇到瓶颈,已逐渐满足不了现代技术和应用场景对性能的追求,限制了其应用在未来的可使用范围。为优化汽车内燃机质量与性能,非合金材质的活塞应运而生。例如代表性的陶瓷化滑动件活塞环就十分盛行,其方法大致分为两种,一种是用氧化锆、氧化铝直接制造活塞环的烧结法,另一种是用物理气相沉积法或等离子喷涂在金属活塞环表面形成陶瓷镀层的方法。欧美市场更青睐后一种解决方案,在北美有诸多涂层科技企业制备传动系统用的陶瓷涂层,纳米级涂层可大大降低活塞部件摩擦系数从而提高传动效率,并增强部件耐磨性能明显提高零部件的使用寿命。

陶瓷活塞一般用于柴油机,在涡轮式柴油机中用陶瓷材料代替合金材料可进一步减少冷却装置的设计,整体生产成本有望降低。直喷式柴油机中利用陶瓷材料的耐高温性能在活塞顶部镶入陶瓷块,其热效率、噪声与排放情况均有所改善。氮化硅材料制成的陶瓷纤维活塞,因其良好的耐磨性,还可防止铝合金活塞由于热膨胀系数大而产生的“冷融热拉”现象。

③陶瓷气缸套

气缸套是内燃机中工作环境最恶劣的零部件之一,它承受高温、高压的冲击和活塞环的往复摩擦,磨损较快且容易产生拉缸现象,恰好先进陶瓷材料的优异特性可以缓解此种问题的产生。据不同所需,陶瓷气缸套可有以下三种形式:一是缸套内表面喷涂陶瓷涂层,其次是仅用陶瓷材料制成缸套上圈,三是用金属和陶瓷材料复合制成全陶瓷缸套。采用全陶瓷缸套代替传统的气缸套,可防止汽缸内热能损失,简化发动机结构,进而提高热效率和降低发动机质量。

④陶瓷配气机构

汽车配气机构一般由凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂、摇臂轴、气门弹簧及气门导管等一些相关部件组成。从应用范围看,陶瓷零件多用于发动机配气系统的滑动件上。这些零件主要包括陶瓷摇臂触头、陶瓷气门挺柱、陶瓷气门等。陶瓷气门最初在日本和德国得到了积极的开发日本钢管公司为提高船用柴油机的耐久性和可靠性,从20世纪80年代就开始研制陶瓷排气门,目标是实现气门锥面陶瓷化。排气门锥面喷涂陶瓷使抗漏气性得到很大的改善。喷涂排气门的金属材料为Ni-Cr,陶瓷材料为Cr3C2。上海内燃机研究所在80年代后期已开始对陶瓷挺柱进行了成功的试验研究,90年代有对广西玉柴6105柴油机上应用陶瓷气门、挺柱和摇臂进行了试验研究,如今已见成效。

利用陶瓷材料低密度、耐热和耐磨的特点,用陶瓷材料制造气门、气门座、挺柱、气门弹簧和摇臂,可以减少气门座的变形和落座时的弹跳,降低噪声与振动,延长使用寿命。我国492QA型发动机在采用陶瓷配气机构后,各种工况下可节油2%-8%。三菱公司采用陶瓷制成发动机摇臂,五十铃公司氮化硅制成的陶瓷气门,在使用中也取得了较好的效果。(周肇雄,1987)

⑤陶瓷转子

转子多为电动机、发电机、燃气轮和透平压缩机等动力机械或工作机械中的高速旋转的主要部件。日本特殊陶瓷业公司(NGK/NTK)进行有关“采用气压烧结法的氮化硅烧结体制制造技术”的研究以来,在世界上首次开发了“涡轮机加压供气用陶瓷转子”。

由于这种气压烧结法而得到的烧结体,内部几乎没有残存气孔,具有强度可靠性高且耐氧化性强等优异特性,另外,新开发的转子与历来的转子相比,重量约轻40%,旋转时的惯性矩小。从低速运转到高速运转,较之以前的涡轮机能发挥出更佳的效果,从而可望实现车辆的轻量化,大功率化以及低油耗。(刑世凯,2003)

此外,汽车上应用特种陶瓷材料制成的元件有车用催化净化器的陶瓷载体、尾气净化蜂窝陶瓷材料载体、柴油排气净化陶瓷蜂窝过滤器、陶瓷汽车制动器、刹车片、车用陶瓷轴承、热敏陶瓷传感器、涡轮充电机、陶瓷复合排气管等零部件就不一一举例了。

3.陶瓷材料在汽车上应用存在的问题及发展前景

布加迪公司制造的Bugatti Veyron SE车内外共有7个瓷器材质部件,包括轮心盖、加油口盖、背面“EB”车标;车内的多功能方向盘、换挡拨片;中控台的储物盒;后座中央扶手的浮雕装饰。但这些部件多为装饰性作用,并且主要使用了Corian材料(注:Corian是含有氢氧化铝为主分的人造材料,常用以替代天然大理石被应用在厨房装饰中。因其具有不同光泽度的可控性和陶瓷、大理石般的纹理特征,广受艺术家青睐。同时氢氧化铝亦是耐火材料的主要原料之一。)。特种陶瓷功能性在汽车上的优势在民用阶段除个别行业领先制造商以外,还未有明显的普及。而导致该困境的原因有以下几方面的问题:

(1)新型陶瓷应用优势集中在功能陶瓷领域,在汽车电气化方面的应用已经非常成熟,属于红海市场。但基于结构陶瓷应用的结构件和外观件因其成本长期居高不下,常见于高端定制订单,生产成本和终端销售价格均无法同传统金属零部件竞争。例如跑车可选配的CCB碳纤维-陶瓷刹车套件在零售端售价至少六位数人民币起步。民用市场遥不可及。

(2)前道制备的粉体呈两端发展趋势,一面是仅限存在于极个别顶级厂商的机密配方,另一方面已是竞争红海格局的代加工市场中人人掌握的基本技术。较大的定制部件其后道可加工的良品率进一步约束了特种陶瓷在汽车零部件领域商业化的成本竞争力。同时品控的再现性存在一定困难,影响成品的粉体配料往往是厂家的“独门秘籍”,一般制造商难以掌握精准工艺和全道工序,致使不同批次的成品性能可能存在差异。

无法进入整车厂供应链,缺乏大额订单等现实问题,迫使国内厂家依然扎堆在电气化应用上,缺乏在汽车性能改装领域的投入动力。另一方面国内整车后市场的大环境和国外有本质区别,无论从代工贴牌的生产模式还是推广工艺至汽配厂进行性能改装指导,依然无人愿意尝试先吃螃蟹。无人机、特种机器人等应用市场的军民合作反倒成为国内目前最实际的切入契机,待若干年后市场开始“下沉”,才能逐步渗透到民用领域。

(3)国内厂家更倾向直接加工陶瓷零部件以替代传统金属零部件,忽视在涂层、添加剂等“软”应用上的研究投入。考察海外已经盈利的厂商可以发现,更多采用复合材料的解决方案,倾向采用在不改变现有零部件性质的前提下,以涂层、添加剂等形式强化或改性金属零部件性能从而达到使用目的。例如用于车漆镀膜的AvalonKing Armor Shield IX、Shine Armor Fortify Quick Coat,机油添加剂CEBATEC、AIRTEC、XENUM,海外的零售市场证实了这是能够落地并普及到民用市场的最快途径。

4.陶瓷材料在汽车上应用上的期待

2005年7月新型陶瓷制动刹车盘就成为奥迪A8W12及其加长型奥迪A8LW12等高端车型的选装配件。复合材料的卓越技术使每个车轮平均减轻了5千克的重量,并且显著提升驾驶舒适性。更轻的制动系统使车辆的操控性大幅度提升。陶瓷制动刹车盘的高耐磨性又意味着在日程标准使用情况下其使用寿命可达30万公里,这是传统合金碟刹寿命的四倍。(占强,2005)奥迪对先进陶瓷材料的部件应用很大程度上提高了产品性能,在高速驾驶的条件下,驾驶员能够直观地感受到陶瓷制动装置的运动反馈。法拉利、迈凯伦、阿斯顿马丁等经典跑车品牌亦可选配经过增韧补强的碳纤维-陶瓷复合刹车套件为体验极限赛道的驾驶乐趣提供保障。

迄今为止,世界上有近十种陶瓷零部件,经过长时间实验后证明其性能可靠性,已投入实际使用和商业生产,相信随着制造、加工、设计技术以及可靠性评价技术的不断提升,陶瓷零部件材料的制备成本有可能急剧下降,其制成品也能大概率的出现在人们的日常生活中。

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