新型陶瓷材料在汽车中的应用

湖北汽车工业学院

本科生课程论文

论文题目新型陶瓷材料在汽车中的应用及未来发展学生专业班级材料成型及控制工程（汽车产业）T1233-5

学生姓名（学号）朱宝林（2012030526）

指导教师（职称）王天国

完成时间2014-11-5

2014 年11月05 日

目录

前言 (3)

第一章汽车发动机中的陶瓷材料 (4)

1.1 陶瓷汽车发动机 (4)

1.2 活塞顶用陶瓷结构 (5)

1.3 涡轮增压器陶瓷材料 (6)

第二章陶瓷纤维在发动机零件上的应用 (6)

第三章陶瓷材料在发动机其它部件的应用 (7)

第四章新型陶瓷材料未来的发展及在汽车上的应用·7

前言

关于新型陶瓷材料：

新型陶瓷材料在性能上有其独特的优越性。在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面有催化、耐腐蚀、吸

性。因此研究开发新型功能陶瓷是材料科学中的一个重要领域。

摘要：随着科学技术飞速发展，现代汽车制造业将更多特种陶瓷、智能陶瓷制品引入，采用到汽车上，并且伴随着更多的新型结构材料的引入，在汽车零部件加工制造技术上也带来了一场新的革命，在此主要介绍一些新型的陶瓷材料在现在及未来的汽车行业的使用情况及以后可能应用的发展前景。

目前应用于汽车上的陶瓷材料主要有：氧化硅陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷，氧化铝陶瓷这几种。

关键词：陶瓷材料、发动机、汽车、应用

第一章汽车发动机中的陶瓷材料

1·1 陶瓷汽车发动机

新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐1000摄氏度以上高温，新材料推进了汽车上新用途的开发。例如：要将柴油机的燃耗费降低30%以上，可以说新型陶瓷是不可缺少的材料。现在汽油机中，燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的，柴油机热效率为33%，与汽油机相比已十分优越，然而仍有60%以上的热能量损失掉。因此，为减少这部分损失，用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热，进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量，有试验证明，这样可把热效率提高到48%。

同时，由于新型陶瓷的使用，柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器，它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性，而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此，新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。其他正在进行研究的有：采用新型陶瓷的活塞销和活塞环等运动部件。由于重量的减轻，发动机效率可望得到提高。

由于陶瓷材料具有优良的耐热性、耐磨性、隔热性及重量轻优点，故使用陶瓷材料替代金属制备热机部件的技术受到了世界各国的高度重视。目前，发动机的主要零部件，如活塞、气缸盖、气门、排气管、涡轮烟压器、氧传感器及火花塞等都用先进的陶瓷材料来制造，并研制出了无水冷的绝热陶瓷发动机。另外为了防止汽车废气对大气环境的影响，各国都采用了的措施，制订了严格的排放标准，这些都促进了汽车工业用新技术的开发以及新材料的研多，特别是在发动机用先进陶瓷瓷材料方面取大了软大的进展，并在近年来的技术创新中发挥着更重的作用。

陶瓷发动机的优越性为：

·可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，目前作为发动机制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000℃左右。而采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300℃，使发动机效率提高30%左右。

·工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。

·陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。

·陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。

1·2 活塞顶用陶瓷结构

在发动机中，活塞顶的工作环境非常苛刻，处于温度急变与应力急变的状态之中。在载货汽车用的直喷式发动机中，燃烧室位于活塞顶部呈对称涡流型。这种设计因其获得急速对称旋转的气流而使油粒与空气混合充分以达到完全燃烧。通常，燃烧室边缘的温度梯度最大，易产生热裂纹。值得注意的是，传统的活塞顶材料是铝合金，它可能受到450`C以上的高温作用。然而，铝合金的耐热性能较差，高温时可能导致活塞环与槽沟胶结。为此，活塞顶的内表面配置了复杂的油冷系统。现在，带有陶瓷顶的复合活塞是一种有效的解决方式。在这种设计中，陶瓷顶在活塞溶铸时嵌人或由螺钉固定在其裙套上。由于陶瓷材料的耐高温性和隔热性，就在顶部形成一层保护层，而且可使局部温度升高，更利于汽油的混合与燃烧。

近年来，氮化硅材料（合成方法：主要有硅粉直接氮化法、二氧化硅还原法和氯化硅法，保存方法：常温密闭，阴凉通风干燥处，用途：1.氮化硅粉末作为工程陶瓷材料，在工业上有广泛用途。主要用于超高温燃气透平，飞机引擎，透平叶片，热交换器，电炉等。也可作耐热涂层，用于火箭和原子能反应堆。2.用于绝缘材料、机械耐磨材料、热机材料、切削工具、高级耐火材料及抗腐蚀、耐磨损密封部件等。氮化硅陶瓷可做燃气轮机的燃烧室、机械密封环、输送铝液的电磁泵的管道及阀门、永久性模具、钢水分离环等。氮化硅摩擦系数小，用于高温轴承，其工作温度可达1200℃，比普通合金轴承的工作温度提高2.5倍，而工作速度是普通轴承的10倍。利用氮化硅陶瓷很好的电绝缘性和耐急冷急热性可以用来做电热塞，用它进行汽车点火可使发动机起动时间大大缩短，并能在寒冷天气迅速起动汽车。氮化硅陶瓷还有良好的透微波性能、介电性以及高温强度，作为导弹和飞机的雷达天线罩。3.用作精细陶瓷烧结原料，耐腐蚀、耐磨、研磨原材料。）在工程中的应用日益广泛。由于它具有好的高温力学性能以及抗热震、抗氧化、耐磨损性能，因此是一种较理想的陶瓷发动机活塞顶材料。

1·3 涡轮增压器陶瓷材料

涡轮增压器是通过动力涡轮对高温排气热能回收使之转化为机械能的发动机组合元件。为了耐受高温尾气的冲击，涡轮通常由一种叫“尼孟镍克”(铬、镍耐热合金)的特殊介金材料制成的。而现在的陶瓷材料不仅有较高的抗热应力性能，而且可以减轻零件

的重量，这在涡轮增压器上意味着有更快的响应特性和更高的效率。德国大众汽车公司已开发出带SiC转子的涡轮增压器，并将装有这种新型陶瓷增压器的气车进行了60小时连续运转试验。测试时，增压界的最高转速为110000r/min，此时涡轮机温度可达1200℃，在加速测试时，该涡轮的响应比金属涡轮快20%左右。

第二章陶瓷纤维在发动机零件上的应用

在发动机连结件中，陶瓷纤维对其强度提高方面有越来越广泛的应用。有种名为

“FP”的A1

20

3

纤维，主要是用来增强汽车发动机的超轻连杆。这项新技术将为陶瓷纤

维在发动机零部件的应用开拓出广阔的前景。这种陶瓷纤维的氧化铝含量为99%，主要有以下优点:

·高硬度 ;

·优良的抗热应力性能;

·高抗拉强度;

·重量轻。

与传统的钢质连杆相比，这种由Al

2O

3

纤维增强的铝质连杆在具有相同尺寸参数的

情况，重量减轻约35%，这可减小连杆——活塞系统的惯性，从而降低由此造成的机械能损失。由30%——35%的“FP”纤维增强的铝质和镁质材料，其硬度和抗疲劳性能分别提高到原来的4倍和5倍。目前，这种铝质增强杆已经在丰田车上得到了使用。

第三章陶瓷材料在发动机其它部件的应用

目前，正在生产和测试的陶瓷发动机部件还有钦酸铝质气缸盖,Si

3N

4

陶瓷预热室、

PSZ气缸套、陶瓷气门座及Si

3N

4

陶瓷轴承等。另外，在发动机活动件上采用等离子喷涂

方法涂覆陶瓷材料对于减小活动件的磨擦，延长零件的使用寿命效果十分显著。无水冷绝热陶瓷发动机利用了陶瓷材料的耐高温、强度高、隔热性好的特点，并采用陶瓷或陶瓷涂层对燃烧室零部件隔热，从而大大减少了由气缸盖、气缸套传出的热量，去除了气缸套、气缸盖中的冷却水，进而取消了发动机独立的冷却水系统。与传统的发动机相比，具有以下优点:【9】

·由燃烧室温度升高，燃烧条件改善，故可燃用多种料;

·取消冷却水系统，减少了冷却水带走的热量，使发动机热效率得到了提高;

·使发动机结构简化，减少了发动机出现的故障率;

·使发动机能适应高寒、沙漠、缺水等环境及特种场合的需要

·此外，此发动机还可以配装涡轮增压器来回收利用排气带走的热量，从而进一步提高发动机的热效率。

无水冷绝热陶瓷发动机虽已试车成功，但要在实际中推广使用，还有许多问题要解决。例如，提高陶瓷零部件的可靠性，降低成本以改善其经济性等。随着陶瓷零部件设计开发的不断进展，可以预见，陶瓷发动机成为产品是完全有希望的。

第四章新型陶瓷材料未来在汽车上的应用

在各种新材料中, 新型陶瓷是近年来发展很快的一种, 其中功能陶瓷, 特别

是电子功能陶瓷的发展速度快于结构陶瓷。目前研究与开发的重点已出现向结构陶瓷和复合陶瓷逐步转移的趋势, 预测以后, 这种转移将有明显增强。21 世纪将是一个以各种复合材料为主的时代。当前的研究工作主要是为下世纪的技术突破作准备。无论是氧化物陶瓷, 还是非氧化物陶瓷一, 都存在向小型化、薄膜化、集体化、高功能、多功能发展的趋势。有逐步重视关键基础技术研究的倾向,目的是实现陶瓷材料性能测试与评价技术的实用化。在材料体系中, 成分全新的新品种不多, 绝大多数是通过改换元素、添加元素和改善工艺等途径来实现性能的最佳化。因此, 技术方面的更新不断出现。由于陶瓷的制造需要系列专门技术, 各道生产工序都影响材料的最终性能, 因此近几年国外公司有实行从原料准备到成品加工一体化生产的倾向陶瓷材料发展日

新月异，并且在各个行业及领域都展现出了很好的发展前景。未来还将会有氧化锂陶瓷，滑石陶瓷，氧化钍陶瓷，钛酸钡陶瓷，硼化物、氮化物、硅化物等金属陶瓷，铁氧体陶瓷，稀土钴瓷等更多的新型特种陶瓷材料应用到汽车的制造与加工上。相信在汽车材料与加工行业中，新型陶瓷材料也会大放异彩，在其中发挥重要作用。

参考文献：

1、张南林等6105陶瓷无水冷发动机的研制.发动机用先进陶瓷，科学出版社]1993

2、张连方等我国研制的陶瓷绝热涡轮复合式发动机发动机用先进陶瓷，科学出

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3、唐绍裘.传感器与敏感陶瓷元器件的发展概况.陶瓷19 93 .2 8一33

4、王零森编特种陶瓷.中南工业大学出版社，1994

5、邻风英等无水冷机用氮化硅陶瓷活塞顶材料研究及部件制备发动机用先进陶瓷

科学出版社，(1993)

6、张伟儒等6105机氮化硅陶瓷气门材料及其部件制备的研究.现代技术陶

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7、SWARTZ S L.SHROUT TR,TAKENAKAT, Electronic ceramics R&D in the US and

Japan[J].Parr I：Japanese View Am Ceram Soc Bull，1997,76（8）：51～55

8、Masahiko Miyaki, Hideya Fujisawa, Akira Masuda,Yoshihisa Yamamoto. Development of New Electronically Controlled Fuel Injection System ECD-U2 for Diesel Engines. SAE paper 910252

9、Jan Cxsmits,，Susan I. Dalke and Thomas Cooney [J].The constituent equations of Piezoelectric bimorphs. 2000 14(28): 41-61

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