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特种陶瓷与汽车零部件

发布时间:2015/5/20
      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。
   1、优越的机械性能
   众所周知,汽车是一种使用环境与工作条件极其苛刻的产品,因此组成这一庞然大物的各种零部件都必须具备非常优越的使用功能。多少年来各种金属材料非常荣耀地占据这一位置。但由于金属材料致命的弱点、如抗疲劳性能差、传热快、耐摩擦与耐腐蚀性能差等,严重制约了汽车工业的发展。特种陶瓷以其具有优良的性能,正好弥补了金属材料的不足,因而开始为汽车所接纳。如它具有长期忍耐20G的振动功能;用于燃烧、排气系统的零件,可以长期忍耐50~60℃/S的急冷急热;由于机械性能可靠性强,故障率通常在10—5以下;特种陶瓷与金属及其它材质接合性良好;可以大批量生产,而且价格低廉,便于形成产业化的经营等等独特的优点。
     近些年来,国际特种陶瓷界的科学家经过艰苦试验与攻关,开发研制出一大批汽车用特陶制品,经过实验与工业化应用证明:陶瓷材料优越的机械特性及高温化学性能,已远远超过金属材料或其它材料制成的零部件。这些都为特陶制品大规模进多,应用广泛的局面。概括介绍如下:
    ①氧化锆陶瓷氧传感器
   氧化锆陶瓷质氧传感器具有很高的机械性能与使用可靠性,作为净化排气的部件,用它测定汽车排气中的O2浓度,再将该测定值反馈给发动机给气与燃料供给系统,以使燃料经常保持在充分燃烧状态。由于此种陶瓷材料全部相位是完全立方晶型的稳定氧化锆、四方晶型和单斜晶型混合的部分稳定氧化锆,在使用过程中机械性能十分优越,而且可以减少摩擦产生的热。
   ②堇青石陶瓷蜂窝催化剂载体
   亦称蜂窝陶瓷。蜂窝型催化剂载体呈多孔薄型结构,材料强度为10kg/mm2。它同样处于与氧传感器相同的工作温度与振动环境中,受到热应力的严酷考验。催化剂被用于净化汽车排气(尾气),在载体场合下发动机点火后,未燃烧的排气可在载体表面燃烧。因此温度变化较之氧传感器更为剧烈。材料采用堇青石陶瓷质后,呈现低膨胀,故在载体上产生的热应力的氧传感器小。目前汽车废气处理装置主要采用了堇青石质蜂窝陶瓷制品,由于它出色的节能与净化、环境保护功能,其产量将会有大幅度增长。目前日本产品主导国际市场。 
   ③陶瓷气门加热器
   为使发动机在起动时完全燃烧,在发动机吸气.侧装配有加热装置,即气门加热器,以加热吸气,使燃料的蒸发混合完全。吸气加热时,为控制好温度、提高装置的可靠性,而将钛酸钡陶瓷系PTC(热敏电阻)用作气门加热器。采用陶瓷气门加热器后,发动机一发动即处在完全燃烧状态,从而达到提高热效率、节能及净化排气等功效。气门加热器系由特种陶瓷材料制成。
   ④爆燃传感器
   为提高汽车燃料的燃烧效率,人们希望发动机内的爆燃经常调整在活塞的上止点发生。采用压电陶瓷爆燃传感器可以在反复使用下仍能抗疲劳,使用寿命延长。现在汽车爆燃器使用PZT陶瓷元件制成,其使用性能在数千小时内保持稳定不变。其断裂韧性为6.5MNm-3/2,强度为10kg/mm2,充分发挥出提高燃烧效率的作用。
   ⑤陶瓷发动机
   特种陶瓷在汽车中的应用,得到普及与推广的已有活塞型发动机,将出现副燃烧室、活塞头、汽缸衬套、汽缸头、增压转子等。这些零部件均在考虑采用氮化硅、碳化硅、部分稳定氧化锆等特陶材料。此处机械强度要求为:抗折强度达到50kg/mm2以上,热膨胀系数≤3.5×10-6℃
   上述材料基本上均可满足这些要求,特别是部分稳定氧化锆陶瓷,不仅机械强度高达100kg/mm2,而且热传导率也比其它材料,仅为-0.04/cmsc。
   在燃气涡轮发动机方面,轿车为实现与柴油机同量的燃料费用,涡轮进口温度要高达1350℃,可以忍耐这一高温的只有碳化硅与氮化硅陶瓷材料。目前专家们对其寄以厚望,认为涡轮的转子、定子使用上述陶瓷材料最为理想。未来陶瓷发动机最有可能使用氮化硅结合碳化硅陶瓷或部分稳定氧化锆陶瓷材料制成。
     ⑥各种陶瓷传感元件
   高级轿车减震装置,它是利用敏感陶瓷的正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应综合研制成功的智能减震器。这种智能减震器具有识别路面且能做自我调节的功能。可以将轿车在粗糙路面形成的震动减至最低,让乘坐者感觉舒适。
   智能陶瓷雨刷:这种雨刷系由钛酸钡陶瓷的压敏效应制成。它能够自动感知雨量,并能将轿车挡风玻璃上的雨刷自动调节到最佳速度。其它有些陶瓷传感元件,如热敏、压敏、湿敏、磁敏陶瓷材料制成的元件,还可对温度、湿度、结露、防冻等呈现出敏感的显示与自动控制调节。
   此外,汽车上使用的诸多器件、零件、小型装置亦都采用特陶材料制成。如电子蜂鸣器、超声波振子、吸热玻璃、光电池、油塞环、油水密封件等。这类由新型特种陶瓷材料制成的汽车用制品,一般都具有很高的物理、化学性能,如抗震、耐磨、防腐蚀、耐高温、重量轻、及易加工生产等特点。迄今为止,国际陶瓷界确认有数十种陶瓷材料制品已经或正在应用于汽车产品上,大量采取陶瓷零部件的优点还包括在:①节能、降耗、提速;②保护环境,杜绝废气污染;降低噪音污染、抗磁化干扰;③降低机械摩擦产生的废热;④使用性能可靠,使用寿命长,重量轻等等。
   展望21世纪的汽车陶瓷制品,将会形成广阔的市场需求。近年来,我国汽车工业的发展也对特种陶瓷产业提出许多新的要求,也形成了很大的市场,需每年从国外进口许多特种陶瓷元件。国内特陶产品生产虽有一定进展,但在种类、数量、质量及技术方面仍有较大差距,因此,可以说未来20年我国汽车用特陶产品生产会出现一个快速增长期,这对于从科技含量上提升整个陶瓷行业也是非常有利的。
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