陶瓷材料在汽车工业中的应用探究

胡 赫 张娇美 张丽超 韦钦磊（通讯作者）长春师范大学 吉林长春 130032

一、陶瓷材料概述

相比于普通的陶瓷材料，在汽车工业领域采用的陶瓷材料有着十分优越的整体性能，如耐磨、隔热等，且陶瓷材料的密度较低。使用陶瓷材料替代金属材料，可以大幅提升热机效率，减少能源损耗，还可以实现汽车轻量化发展。现阶段，陶瓷材料广泛应用于发动机制造、热交换器零件制造等领域。比如，在发动机制造中，主要涉及陶瓷气缸套、陶瓷燃烧室、陶瓷活塞等。特种陶瓷有着十分独特的性能，应用于汽车工业领域，可以大幅提升易损件的使用寿命，有利于完善汽车的性能。

二、陶瓷材料的分类

（一）氧化物陶瓷

氧化物陶瓷算得上是最早为人所使用的陶瓷，有着许多种类，使用的范围非常广泛，其中SiO2、MgO、CeO2、CaO、Al2O3等 最为常用，尤其是Al2O3、SiO2的应用范围最广，除了这些单一氧化物还，还包括了许多氧化物的复合氧化物陶瓷。

（二）氮化物陶瓷

氮化物陶瓷主要有AlN、TiN、BN、Si3N4几种类型，其中以Si3N4的耐高温性能最佳，TiN具有很强的硬度，BN的耐磨性能很强，AlN有着很强的热点性能。比如，氮化硅陶瓷是一种常用的特种陶瓷材料，在化工机械领域有着广泛的应用，该陶瓷材料的强度较高、化学稳定性较强，同时具有较好的抗温变性特点，适用于制造耐腐蚀、耐磨、耐高温的汽车零部件，在汽车发动机制造中属于一种主要原料。

（三）碳化物陶瓷

碳化物陶瓷相比于氧化物陶瓷有着更高熔点，不过碳化物陶瓷容易被氧化，因此在汽车制造及使用过程中要注重防止这一问题，其中TiC、B4C、WC等属于常用碳化物陶瓷材料。比如，制备碳化物陶瓷时，最主要在电弧炉中添加碳、石英等材料，在超高温情况下反应生产碳化硅粉，随后采用热压烧结法、反应烧结法，使用粉末冶金制成碳化硅陶瓷[1]。碳化硅陶瓷可以在高温情况下使用，即便是在超高温环境下，材料仍然具有较强热稳定性及耐磨性，不容易发生形变。

（四）其他化合物陶瓷

除了前文简述的几种陶瓷材料外，还包括常作为陶瓷添加剂的硼化物陶瓷和具有较强电学、光学特性的硫族化合物陶瓷等，我国目前对于陶瓷材料的研究及应用均呈现持续增长的趋势。

三、汽车工业中陶瓷材料的实际应用

（一）压电陶瓷

当前，伴随着国内汽车保有量的增长，人们对汽车安全的重视不断攀升，并且还要求汽车要有较高舒适性能。凭借压电陶瓷的压电效应，可以在汽车工业领域实现隔振、降噪、驱动、传感等功能，让汽车的安全、舒适等性能均得到有效提升。在一般情况下，不管是普通家用轿车还是豪华轿车，汽车上都需要安装大量传感器设备，而压电陶瓷传感器作为主要的传感器，主要类型有震爆传感器、加速度传感器、超声波传感器等。压电陶瓷可以制备成压电驱动器，将其应用于汽车工业领域，主要涉及电动座椅、电动门窗、电动后视镜等。利用压电陶瓷驱动悬置内部的大活塞，和大活塞连接的小活塞的运动位移对压电陶瓷的位移进行放大，可以在怠速工况下获得减震所需的较大位移量，在怠速工况下可以有效对发动机的振动进行抑制。压电陶瓷还具有发电特性，在轮胎转动过程中，可以对轮胎内的压电陶瓷产生挤压并产生正压电效应，压电陶瓷就可以持续发电，持续为轮胎的压力监视系统提供能源动力。

（二）陶瓷绝热发动机

陶瓷材料的优点十分明显，包括耐摩、耐高温、隔热等，将陶瓷材料用于制备汽车发动机，可以有效减少发动机气缸内的热能损失。尽管陶瓷材料的密度比铝材更高，不过仍然比钢材更低，其较低的密度代表可以减轻发动机的重量，和过去的金属发动机相比较，陶瓷发动机更加轻巧。为进一步提升发动机的热效率，达到节省能源的目的，可以凭借陶瓷材料的各种特性制备陶瓷绝热发动机心，这种发动机心可以有效避免汽缸内的热能损失，同时还可以对发动机的整体构造进行简化[2]。一般情况下，柴油机中常常会用到陶瓷活塞，和过去常常采用的贵重金属相比较，陶瓷材料可以有效替代这些金属材料，在涡流式柴油机的制备中可以减少大量投入的成本。气缸套在内燃机中所处工作环境十分复杂，由于其在运行时要承受的温度及压力较高，同时还会与活塞环反复产生摩擦，一般气缸套的磨损速度较快，很容易发生拉缸的问题，而先进的陶瓷材料凭借其较强的综合性能，可以有效解决传统气缸套的各种问题。根据需求的不同，陶瓷气缸套的应用可以分为三种形式：（1）缸套表面涂膜陶瓷涂层；（2）使用陶瓷材料制作气缸套的上圈；（3）使用陶瓷和金属材料复合支撑全陶瓷气缸套。使用全陶瓷气缸套替代传统气缸体，可以有效减少传统气缸内传输的热能损耗，还可以有效简化发动机结构，在促进发动机热效率提升的基础上，还可以降低发动机许多重量。

（三）蜂窝陶瓷

蜂窝陶瓷顾名思义就是呈蜂窝状的陶瓷材料，表示在材料内部有许多贯通的孔洞。根据材质不同展开分类，可以将蜂窝陶瓷分为氧化硅、莫来石、堇青石、氧化铝等，在使用条件不同的情况下，一般需要选择不同性能的陶瓷材料。蜂窝陶瓷有着很强的吸附性和热稳定性，其密度较低、耐磨性良好，是一种使用频率较高额的材料，环保特性良好，尤其是在国六标准的严格要求下，在对汽车尾气处理系统进行升级的过程中，蜂窝陶瓷的应用范围得到了进一步拓展。

（四）陶瓷刹车片

陶瓷材料作为一种新型材料，在汽车工业领域的应用，可以大幅提升汽车制动的有效性和安全性，在汽车刹车片的制备中得到了广泛应用。在当前的汽车工业领域，针对陶瓷摩擦的研究，大多数还集中于BN、SiC、ZrO2等少数几种陶瓷材料上。利用特种陶瓷制备汽车刹车片，其具有较强的耐腐蚀性和耐摩擦性，属于一种新型环保材料，在汽车行驶过程中产生的噪声较小，可以大幅提升人们行车的舒适性。

（五）纳米陶瓷

纳米陶瓷属于一种新型材料，其抗热性及硬度很高，纳米陶瓷的可塑性较强，还具有抗磨损、抗腐蚀等优点，即便是在高温高压的环境下也具有较强适用性，其目前在汽车工业领域得到了广泛应用。在燃料电池汽车制造中，针对高温燃料电池的制备使用纳米陶瓷，可以有效提高汽车在运行时的安全性。该材料还可以用于制备气缸内衬，由于材料具有耐高温的特性，可以加快燃料燃烧速度。将纳米陶瓷用于制备汽车玻璃，可以大幅提升汽车玻璃防尘和防雾的效果，并且具有较强的隔热性能，有利于提升汽车行驶的舒适程度[3]。

（六）陶瓷转子

转子主要是支撑发电机、电动机、燃气轮等机械动力供应的核心部件。日本特殊陶瓷业公司采用气压烧结法的氮化硅烧结体制造技术，研发了首个涡轮机加压供气用陶瓷转子，该转子内部几乎不存在气孔，具有较高强度和耐氧化特性。相比于过去使用的转子，陶瓷转子的重量得到了大幅减少，在旋转期间其惯性矩更小。陶瓷转子从低速到高速的运转中，相比于普通涡轮机具有更好的效果，有利于实现汽车轻量化、低油耗和大功率化发展。

四、汽车工业中陶瓷材料的应用前景

在汽车工业中加强对陶瓷材料的使用，有利于大幅提升汽车发动机的热效率，有效降低汽车使用过程中产生的较高耗油成本，同时还可以降低传统汽车给生态环境造成的严重污染。由于陶瓷材料在汽车工业领域的应用十分宽广，因此未来还需要进一步加强对汽车陶瓷零部件的研究与开发。从目前陶瓷材料应用于汽车工业领域的情况来看，相比于传统金属材料，制造陶瓷材料要投入更高的成本，而且陶瓷本身就是一种较脆的材料，在整个生产流程中需要格外细心[4]。特种陶瓷材料在汽车工业中的应用，对陶瓷原料的选用有着十分严格的要求，对其中采用的工业方法进行掌握有很高难度，当前怎样实现量产是汽车工业领域面临的一大难题。面向未来，首先要解决的就是陶瓷材料脆性较高的问题，在设计陶瓷材料的过程中，要考虑零件承受的荷载，尽可能保证陶瓷材料只承受压力、尽量减少应力集中的问题，重视控制好陶瓷材料的体积，并对其结构进行简化，避免在使用陶瓷零部件的过程中受到机械的强烈冲撞，尽可能提高陶瓷材料的装配精度。因此在未来，还需要进一步对应用于汽车工业领域的陶瓷材料的生产工艺进行改善。

五、结语

伴随着时代的进步，尽管在汽车工业领域应用陶瓷材料的过程中还存在各类问题，不过陶瓷材料应用于汽车工业领域已经成为一种必然趋势，因此在未来还需要结合汽车工业的特征进一步加强对陶瓷材料的研究。陶瓷材料作为汽车工业领域的一种新型材料，加强对陶瓷材料的应用有诸多好处，尤其是在发动机、制动器、传感器方面，陶瓷材料有着传统金属材料无法比拟的优势。不过在汽车工业领域广泛使用的特种陶瓷其造价通常较高，未来要重点处理好这一问题。总的来说，陶瓷材料在我国汽车工业领域的应用已经取得了巨大进步，希望未来通过更加深入地研究，不断提高陶瓷材料的应用价值，让国产汽车的整体性能得以优化，提高汽车的安全性。