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陶瓷材料在汽车工业中的应用
姓名：高洋洋
专业班级：机制0903班
学号：2011212010115 【Abstract】：Car of engineering materials and application of engineering materials choice has its own standards and plans, need to consider the cost, environment and user needs.The car key components, if bear load, temperature, fatigue stre and chemical role consideration, is located in the engine in the engine exhaust system.Some parts of engine performance play an important influence, such as spark plug, cylinder valve group and now use the camshaft catalytic convert agent, etc.In order to make these components meet engine performance requirements, people have been trying to application of ceramic materials.The application of ceramic is not only related to the selection of materials and the car manufacturing cost, also can affect to the car's performance.A ceramic material if used to make car parts, the fracture toughne values is low.But materials can be widely used as coating, especially metal matrix composites(MMC), to improve the stiffne of the high metal.【摘要】：汽车应用多种工程材料并对工程材料的选择有自己的标准与计划，需要考虑成本、环境和用户需求等问题。汽车上最关键的部件，若承受的载荷、温度、疲劳应力和化学作用等方面考虑，位于发动机内的发动机排气系统。有些部件对发动机的性能起到重要的影响，如火花塞、汽缸凸轮轴气门组和现在应用的催化转化剂等。为了使这些部件满足发动机的性能要求，人们一直在设法应用陶瓷材料。陶瓷的应用不仅关系到汽车的材料选择和制造成本，也会影响到汽车的使用性能。
【关键词】：汽车部件
陶瓷
金属基复合材料（MMC）应用
【引言】：在过去20年的时间里,为满足汽车功能多样化的要求，人们逐渐把更多的目光投向特种陶瓷方面。从最早开始采用陶瓷材料制作汽车用绝缘装置，到生产火花塞的绝缘子，又扩展到净化排气的氧传感器、蜂窝型催化剂载体、保护催化剂使用的温度传感器、提高热效率采用的爆燃传感器以及气门加热器、水泵用机械密封圈等，显示出特种陶瓷产品咄咄逼人的发展态势。近年来，人们对陶瓷发动机的研制开发兴趣不减，已经逾越不少科技方面的鸿沟与难题，据悉陶瓷发动机作为新一代汽车产品的心脏，即将投入正式使用。特种陶瓷在汽车零件与部件方面的运用将进一步扩大，从而有可能形成一大系列产品，从陶瓷产业结构与产品结构上引发一次革命性的骤变。【正文】
陶瓷材料的性能特点 由于陶瓷材料的结合键为共价键或离子键，因而陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。此外，陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高、脆性大等特点。对于功能陶瓷，还具有电、光、磁等特殊性能。按化学成分分类
按化学成分可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。氧化物陶瓷种类多，应用广，常用的有Al2O3、SiO2、ZrO2、MgO、CaO、BeO、Cr2O3、CeO2、ThO2等。碳化物陶瓷熔点高，易氧化，常用的有SiC、B4C、WC、TiC等。氮化物陶瓷常用的有Si3N4、AlN、TiN、BN等。陶瓷在汽车制造及设计中的应用
现代的陶瓷材料有极好的工程特性，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。然而他们作为发动机部件，还需要有适当的断裂韧性。技术陶瓷已经取得令人惊喜的进步，但是应用于汽车还是有较高的成本。陶瓷首先在高温燃气轮机中可用于制造叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等，在燃气轮机中可试用陶瓷制造的零部件有：
叶片、燃烧筒、套管、主轴轴承等。在内燃机中可用陶瓷制造的零部件有：活塞内衬、气缸、预燃烧室、挺杆、阀门、喷嘴、涡轮增压器转子及轴承等零部件。但是关于陶瓷方面技术还未成熟，所以还没有应用到主要的运动件上。据测算，若汽车发图1陶瓷涡轮增压器叶片
动机的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金发动机轻2/3，燃料费下降20%。这是很诱人的前景。此外陶瓷还有极好的耐久性，耐久性差会引起材料外表变化，金属的湿腐蚀和氧腐蚀是很常见的，腐蚀和氧化的组合作用会导致机械失效，这对汽车部件将是灾难性的。日照特别是紫外线辐射、氧化和一些化学剂造成塑料和其它聚合物的性能恶化。通常添加稳定剂，改善加工和提高使用寿命。相比之下，陶瓷比聚合物和金属更稳定，但脆性较大。可使陶瓷作为涂层材料，用在难熔金属上及金属和聚合物的复合材料中，可使它们潜在的优势最大化而限制最小。陶瓷复合材料
如前所述，陶瓷材料若用于制造汽车部件，其断裂韧度值较低。但材料可广泛用作涂料,特别是金属基复合材料（MMC)中，能够提高较高金属的刚度。
最关键的应用是发动机顶部活塞，其工作温度至少为350摄氏度，频率为600hz，速度为0-60mile/h，产生1000g的重力加速度。共晶成分的铝/硅合金便于采用重力法铸造，用于制造活塞体。在铝/硅合金中加入5%的铜，能够承受更高的温度。在工作的温度下，这样的合金强度高、膨胀系数低。多年来活塞的质量已经减小，这主要是由于先进的设计而不是材料的改进。活塞底部和气门底座区域现在用MMC离子涂层，用氧化铝基/二氧化硅晶须增强的铝合金组成。由于提前点火及敲缸问题，这些涂层一般不能用于汽油机，但它们在柴油机上的广泛应用，柴油机能够以更高的温度有效的运转。陶瓷缸套所用的材质是国际上最先进的增韧性氧化镐材料，其断裂性为传统陶瓷的10倍左右，耐磨、耐腐性极佳。用严格控制的工艺参数和烧成制度，可制成多种规格大尺寸一体陶瓷缸套。该种缸套寿命达到5000～6000h。
活塞环起到弹性密封的作用，防止气体在活塞燃烧室空间和承载油的曲轴之间漏气及损失功率，燃烧器体不能向下泄露，机油不能进入到燃烧室，否则产生排放问题。活塞环必须耐磨损，汽缸套也必须耐磨损。它们涂有MMC这样的高硬度的镀铬层，由超细的氧化铝颗粒来增强，氧化铝位于各微型裂孔中。相类似的有发动机的轴承，如主轴和大端连杆轴承常用氧化铝基MMC涂层，大大改进了耐磨性能。
汽车靠离合器摩擦盘来传递动力，离合器的使用寿命，主要取决于从动盘摩擦片的耐磨性，铝基复合材料的耐磨性，导热性好，可用它来做离合器摩擦片。美国DWA公司采用硅/铝复合材料制造摩托车活塞，解决了其耐磨性问题，在一年内100次以上的越野赛后仍无明显磨损。
Lotus公司生产的莲花Elise车，用MMC材料代替制动盘的铸铁，这样的制动盘通常用于一级方程式赛车和Grard prix摩托车，所有的欧洲制造厂正在评价MMC用于新车型的制动盘和制动鼓。有两种主要类型的MMC,基于粉末的和基于纤维的，基于粉末的材料（PMMC）在经济上具有更大的竞争力。熔融的金属混
图3Lotus生产的莲花Elise
图2陶瓷刹车盘
合物法是制造PMMC成本最低的方法。这将生产出铸块，通常是铝或锰基的，通过标准的铸造技术，为避免机体和颗粒之间产生化学反应，温度的控制最为关键。
在催化剂的设计和制造中，还有一些材料问题。汽油在燃烧过程中不能完全地将碳转化为二氧化碳和水，虽然正在开发稀薄燃烧
图4蜂窝陶瓷 发动机，但碳氢化合物、一氧化碳和氢化物仍然存在于废气中。催化转化剂可将90%的废气排放物转变成水、二氧化碳和氮。使用稀土金属铂、钯和铑，用镍或镉作为稳定剂，防止颗粒烧结，以减少催化剂活动造成的损失。昂贵的稀土催化转化剂承载在氧化铝基的涂层，这种涂层稳定且有效。复杂的氧化铝系统用于涂在挤压的陶瓷蜂窝状结构中，由矿物精石来制造。这种结构是由一系列的内通道或管组成，每平英寸大约有400个管道，产生快速化学反应所需要的较大面积。反应面积根据氧化铝涂层系统的设计会增大，稀土催化剂金属颗粒的平均直径为10nm，可以估计最终的反应面积相当于三个足球场的面积。整体式蜂窝状结构被不锈钢盖所包围，用不锈钢网或陶瓷垫作为夹层，这可以防止不同的热膨胀及机械振动。最后转化剂与汽车排气系统的其它部分集成。催化转化剂用于柴油机还不成熟，因为涉及到处理碳粒和碳烟这样的排气成分和相关的润滑油和硫化物，这些不仅会使人类中毒，而且能使催化转化剂稀土金属中毒，致使稀土金属效果减弱。故柴油机燃料排放问题的解决需要一定的成本。【结束语】
为了保护大气环境和节约能源，国内、外汽车行业都在加紧对未来汽车的研究和开发工作。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。我国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。未来的汽车将向高技术化、轻型化、节能化、无污染化等方面发展。高性能陶瓷的将来发展，不可估量。
【参考文献】
【1】 张金柱等，《现代汽车设计概念》，化学工业出版社，2007.1 【2】 李世普，《特种陶瓷工艺学》，武汉工业大学出版社，1990 【3】 www.daodoc.com/cms/cms/infopub/infopre.jsp汽车工业信息网2010.12
