应用于汽车工业的特种陶瓷材料及其研究进展.docVIP

PAGE / NUMPAGES 1 前 言 汽车底盘技术 　　　随着内燃机技术的不断改进和发展，传统的内燃机材料已很难满足高强度、耐腐蚀、低导热及耐磨性等方面的要求。特种陶瓷材料由于具有优良的综合性能而越来越受到业内人士的关注。将其应用于汽车上可以有效地降低整车的质量、提高发动机的热效率、降低油耗、减少排气污染。本文介绍了汽车用陶瓷材料的分类、性能特点、制备方法以及在汽车上的应用现状和发展前景。 　　2 汽车用特种陶瓷材料分类及特点 　　　特种陶瓷不是传统意义上的陶瓷，它属于精细陶瓷的一个分支，也可称为新型陶瓷、高技术陶瓷或工程陶瓷。汽车用特种陶瓷可分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类。 功能陶瓷利用其绝缘性、介电性、半导性和磁性等功能来制造各种传感器，以满足汽车电子化的迅猛发展；结构陶瓷具有高温工况下强度高、耐磨性好、隔热性好、低密度和低膨胀系数等性能，广泛用于发动机和热交换零件的制造。现对结构陶瓷的性能特点和生产步骤作简单介绍。 　　2.1 氧化硅陶瓷 　　　氮化硅陶瓷是新型特种陶瓷材料，它原料丰富、加工性能好，在化工机械和现代尖端技术等方面均有应用。制备方法有反应烧结法和热压烧结法。主要性能特点是强度高、化学稳定性好、抗温变性能好、耐磨、绝缘、制品精度高。可用于制造耐磨、耐蚀、耐高温及绝缘零部件。用氮化硅陶瓷材料制造发动机，工作温度从理论上可提高到1370℃左右。温度提高可使燃烧充分，发动机热效率提高，并降低排气污染。反应烧结氮化硅可用于制造泵的机械密封环、高温轴承、阀门等零件；热压反应烧结氮化硅可用于制造切削刀具。 　　2.2 碳化硅陶瓷 　　　碳化硅陶瓷是用碳化硅粉(把石英、碳和木屑装入电弧炉中，在1900-2000℃的高温下合成)利用粉末冶金经反应烧结和热压烧结工艺制成。碳化硅陶瓷的最大特点是高温强度好(在1400℃时抗弯强度仍保持500-600MPa)、传热能力强、热稳定性好并且耐磨。可用于制作火箭尾部喷嘴、浇注金属用喉嘴、轴承、燃气轮机的叶片、高温热交换器材料及各种泵的密封圈等。氮化硅和碳化硅属于非氧族陶瓷，其零件制备过程如图 1所示。 　　2．3 氧化铝陶瓷 　　　氧化铝陶瓷的原料是工业氧化铝，性能好但工艺复杂，成本高。制备方法是在工业氧化铝中加入少量添加剂，然后经制坯、烧结而成，对表面粗糙度和尺寸精度要求高的制品，还应进行研磨和抛光处理。主要性能特点是高强度、高硬度、耐磨、耐高温和具有良好的绝缘性能。可用于喷砂用的喷嘴、纺织用的导热器及火箭用倒流罩，也可作高温实验仪器及化工零件、轴承、内燃机火花塞、活塞和触媒载体。运动零件(活塞、活塞销等)减小质量后可使内燃机减少摩擦、节约能源、加快响应和减小振动。表1为汽车用高温结构陶瓷的主要性能参数。 　　3 特种陶瓷材料在汽车上的应用 　　　从理论上分析，汽车上能用特种陶瓷材料制造的零件很多，但由于受到生产价格、制备工艺、可靠性等条件的限制，实际大批投入生产，应用到汽车上的零、部件并不多，大部分仍处于研究开发阶段。现将作者所了解的国内、外汽车上已经应用或正在开发的陶瓷零部件作如下简单介绍。 　　3.1 陶瓷绝热发动机 　　　为了提高发动机热效率、节约能源，可利用陶瓷材料的耐热、耐磨、耐腐蚀、高弹性模量(低膨胀系数)、低密度、隔热性好等特点制作陶瓷绝热发动机心这样既可防止汽缸内热能损失，又简化了发动机的总体构造，降低了发动机重量；其中主要的陶瓷零部件有以下几种。 　　3.1.1 陶瓷活塞 　　　陶瓷活塞一般用于柴油机。在涡流室柴油机中用陶瓷材料代替贵重金属，可进一步减少冷却装置，因此整体成本有望降低。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，热效率、噪声与排放情况均有所改善。陶瓷活塞中镶块的尺寸和形状应选择适当，否则由于材料热膨胀系数的差异，会在陶瓷镶块上产生应力，影响活塞的使用寿命：另外，用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纤维活塞，因其良好的耐磨性，可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。 　　3．1．2陶瓷气缸套 　　　根据不同的需要，陶瓷气缸套可有以下三种 形式：一是缸套内表面全部喷涂陶瓷材料。曰本小松发动机即采用此结构；二是仅用陶瓷材料做成缸套上圈；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。 3．1．3 陶瓷配气机构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