应用于汽车工业的特种陶瓷材料及其研究进展.pdf
应用于汽车工业的特种陶瓷材料及其研究进展邢世凯!吕世君!闻德生!潘景昇!#!$燕山大学 机械工程学院!秦皇岛%&%河北师范大学职业技术学院!石家庄%(%)!*摘要!陶瓷材料由于具有良好的综合性能!近几年在汽车上的应用愈来愈广#本文介绍了汽车用陶瓷材料的分类以及陶瓷材料在汽车上的应用情况!并探讨了陶瓷材料在汽车上应用存在的主要问题#关键词!汽车 陶瓷材料 应用中图分类号$+,!-文献标识码$.文章编号$!%!/0&%)&%)/%)(/%!前言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#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#!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!)-%!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#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!0%/%!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!%!时抗弯强度仍保持(%/&%123*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!所示#图!非氧族陶瓷零!部件制备方法$%&#!()*+(+,%-.,)/0.-1-&%)2 3-(/)(+4%/2/-4*-.).,+.5*+(,2-3.-.6-78&).收稿日期!#$%$&作者简介!邢世凯%&()*男#工学硕土$讲师$河北赵县人$主要从事汽车新材料%新技术的科研与教学工作&!中国陶瓷9:;?=;9A第)0卷 第)期%)年&月4567)0 7)89:;%)!#年第#期中 国陶瓷!#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#为汽车用高温结构陶瓷的主要性能参数#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#$%陶瓷绝热发动机材料密度$%&(弹性模量$)*+断裂韧性$,-+%#%.抗弯强度#./(0!,-+#1/(0导热系数!2%0热膨胀系数$!#345%0烧结氧化硅$667&(8.(8./.93(.3:/:;3/93(;3:13#(.#(8(8:热压氮化硅$*67&(8.(8(#3(.35;993;93:;3993.:(3(8.(81热等静压氮化硅$&(8#(8.133113(:1;35;31;35;315;3(8;1:热压碳化硅$&(8.1(3!113(:513;93513;93539318:18/热等静压碳化硅$&(8.133(:;3:;39118:氧化铝$?.A(891(531331:44.:(3998#部分稳定氧化锆$*6B&:8/:8;#93.(39#:(33极低.(89;#38:热等静压氧化锆$=*6B&58#.339.;3.3318.#3钛酸铝$?CD(8(1:534:3#:.4#.38:.莫来石(8.(8(#1(.3.8;44:81189:8#6D+EFG(8.93(339;8:533:33.#.(8.表%汽车用高温结构陶瓷的主要性能&()*%&+*,-./01/*02-*3 14+-5+62*,/*0270*32078270)8*0,83-.721,1(-)*为了提高发动机热效率#节约能源!可利用陶瓷材料的耐热#耐磨#耐腐蚀#高弹性模量!低膨胀系数#低密度#隔热性好等特点制作陶瓷绝热发动机心这样既可防止汽缸内热能损失!又简化了发动机的总体构造!降低了发动机重量 其中主要的陶瓷零部件有以下几种(8#8#陶瓷活塞陶瓷活塞一般用于柴油机 在涡流室柴油机中用陶瓷材料代替贵重金属!可进一步减少冷却装置!因此整体成本有望降低 直喷式柴油机中利用陶瓷材料的耐高温性能在活塞顶部镶入陶瓷块!热效率#噪声与排放情况均有所改善 陶瓷活塞中镶块的尺寸和形状应选择适当!否则由于材料热膨胀系数的差异!会在陶瓷镶块上产生应力!影响活塞的使用寿命(另外!用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纤维活塞!因其良好的耐磨性!可防止铝合金活塞由于热膨胀系数大而产生的)冷敲热拉*现象(#.陶瓷气缸套根据不同的需要!陶瓷气缸套可有以下三种 形式(一是缸套内表面全部喷涂陶瓷材料日本小松发动机即采用此结构二是仅用陶瓷材料做成缸套上圈三是用金属和陶瓷材料复合制成全陶瓷缸套 采用全陶瓷缸套代替传统的气缸套!可防止汽缸内热能损失!简化发动机结构!进而提高热效率和降低发动机质量(#(陶瓷配气机构利用陶瓷材料低密度#耐热和耐磨的特点!用陶瓷材料制造气门#气门座#挺柱#气门弹簧和摇臂!可以减少气门座的变形和落座时的弹跳!降低噪声与振动!延长使用寿命 我国1;.H?型发动机在采用陶瓷配气机构后!各种工况下可节油.49$三菱公司采用陶瓷制成发动机摇臂!五十铃公司用氮化硅制成的陶瓷气门!在使用中也取得了较好的效果此外!气缸盖和活塞销等零部件也可采用特种陶瓷材料来铸造日本日野汽车公司开发了陶瓷发动机!该机气缸套#活塞#气门等燃饶室零件有13$为陶瓷零件!取消了散热器和冷却装制实验证明该陶瓷绝热!第!卷 第!期中 国陶瓷发动机可提高功率!燃烧消耗降低#!表$为日本#美国绝热发动机采用的结构陶瓷情况!#$陶瓷!铝复合捧气管日产公司制造的陶瓷$铝复合排气管!是用%&()合金短纤维和陶瓷复合材料制成排气管骨架!再浇注熔化的铝液制成 对于*+的排气来说!陶瓷表$日本美国绝热发动机采用的结构陶瓷%&()*%+),-./0-/.&(0).&120,34)5625)25 7&8&5&59:;陶瓷材料在汽车上应用存在的问题和发展前景!?应用前景陶瓷材料在汽车上的应用较好地提高了发动机的热效率#降低了油耗#减少了排放污染!符合节能#环保的要求因此!汽车上陶瓷零部件的开发及应用前景将十分诱人#*存在的问题目前!阻碍特种陶瓷在汽车上应用的原因有以下几个方面%!8成本长期居高不下!远远高于金属零件的价格%$8可加工性差#脆性强#使用可靠性差%#8再现性困难 由于特种陶瓷对其原料要求比较严格!工艺难以掌握!使得每批制品的性能难以同前一批一致%/8制造工艺复杂!要求高 陶瓷的制造工艺5原料粉末的制取#成形#烧结#加工#接合#涂覆等8对成品的可靠性影响很大!因此对制造工艺要求很高#!措施要解决以上问题!考虑陶瓷为脆性材料这一特点!设计陶瓷材料时应使零件承受的载荷尽可能设计成受压不受拉!应尽量减少应力集中#避免受机械冲撞#零件体积要小且形状简单!避免与热膨胀系数相差明显的金属配合!加工和装配精度要高此外还应不断改进和完善生产工艺过程&防止构成断裂源的空洞#切口等!#!#年第#期中 国陶瓷缺陷的出现!确保烧结后的尺寸精度和表面粗糙度!尽量减少工序和缩短加工时间等$!$结论随着制造技术#加工技术#设计技术和可靠性评价技术的不断提高!陶瓷零部件成本有可能急剧下降美#日#德等国均花巨资研制汽车上的陶瓷零#部件!我国从!年代中期开始陶瓷发动机及其它陶瓷零#部件的研究工作!已取得了很大进展 相信不久的将来!陶瓷材料在汽车上应用这一领域会有更大的突破!从而大幅度改善汽车的性能参考文献#$%吕莉雯!沈丽珍!轿车零部件新材料主共应用#&%北京$北京理工大学出版社!$()#*%陈维常!车用非金属材料教程#&%北京$北京理工大学出版社!+(!#,%陈克文!张志远工程陶瓷材料在内燃机上的应用#-%世界汽车!+(%+&$+*.+/#/%李尹熙车用非金属材料#&%北京理工大学出版社!+(#0%乌谢费尔特!彼瓦尔泽!未来的汽车技术#&%北京$人民交通出版社!+(1%&()*+(,*-)(%-*.,)*+*/0).%*&+)(*.)1/)/*2.1-13)+!#$%&()*+,-#.-/&-#0)1(#20/&-#0)34 5&64#)2+345 6788595 7:&5;4;=5=9A=B4D5EBFGHI=94J=9K7L)/M*N7;7=8;Q7ERDHS4 TU4J=9L0LL,+V*4567896W XJ5 F7:D7JE=F59EF5K Y75E:7ER=;5HF45;7=7:;5E;B=85 B ZK5E K5E=E5;5=FG5EB=E5;5=F G5B YY5EHF45;8:;7=K F45;7=7:;5E;B=85=FE7KJ;5K=F7=H F45RT7E YE7P85RB 7:F45;7=7:;5E;B R=85 E5 8B7 YJF:7EZEK:;5W JF7R7P85M 65E;&8MYY85;7=.%.1?),(1/)2-1&*A2 BC).D+*)/%*/).*,E&1.,E3(748&-#2-65E;EF=BFFJF5 7:E7:5BB7=_ 35;4=J5H-=9K5U45=,LL+a9&4 3:#;#02T 65E;b7Ec5EB _ SFD5EBFGH-=9K5U45=,LLLa*4567896W35BFB 4D5 P55=;5K 7JF PG R=9 JB5 7:F45 5BF=9 9E55=P7KGS7R5 BBJ5B 4D5 8B7 P55=K5F4 F4=:8J5=;5 F45 YE7Y5EFG 7:PFJE5 B8Y 7:dE;7=JR 7YJ5 98U5HF45 5:5;F 7:7YFGHF45 JFG=K F45 7YFG=K F457YFG 7:98U5:;F5W eFJE5HUE;7=JR 7YJ5 98U5H 7YJ5 5:5;FH 7YFG!上接第#页!$%&(&)*+,-.%/,012*,#3!三项陶瓷行业标准$月G日实施由全国陶瓷标准化中心归口的Ief3*01(*LL*)普通陶瓷烹调器*#Ief3*0!L(*LL*)精细陶瓷烹调器*#Ief3*01!(*LL*)陶瓷原料化学成分光度分析方法*三项行业标准由国家经贸委发布!已于*LL,年/月+日实施全国陶瓷标准化中心45!
