陶瓷材料在汽車工業(yè)中應(yīng)用淺析
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摘要：經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料因為其獨(dú)特的良好綜合性能，近年來在汽車行業(yè)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。因為科技的進(jìn)步，納米陶瓷材料的出現(xiàn)更是推動了汽車工業(yè)的發(fā)展，使得汽車工業(yè)走到了一個新的領(lǐng)域中。此文將對陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析，從新興科技方面對陶瓷材料在汽車工業(yè)上的應(yīng)用及未來方向進(jìn)行探討和研究，并且指出陶瓷材料在汽車工業(yè)上應(yīng)用依然存在的一些問題，并且就這些問題進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：陶瓷材料；汽車工業(yè)；納米
內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在時間的推移下，在不斷的實驗中得到了改進(jìn)，并且時至今日已經(jīng)趨于完善，傳統(tǒng)用在內(nèi)燃機(jī)上的材料已經(jīng)不能適應(yīng)新時代對高強(qiáng)度耐腐蝕等更加嚴(yán)格的需求。陶瓷材料因為其獨(dú)有的特性，在綜合性能上符合新時代汽車各方面的需求，因此，將其應(yīng)用于汽車上不僅可以將車的整體重量降低，同時相對傳統(tǒng)的汽車，材料耗費(fèi)和成本也會得到降低，同時因為陶瓷材料具有的特性，發(fā)動機(jī)的熱效率也會得到加強(qiáng)。本文對各種陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用，其所擁有的性能特點(diǎn)、汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀以及陶瓷材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用未來前景進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析。
1陶瓷材料的類別以及相應(yīng)的特點(diǎn)
1.1氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷便是特種陶瓷材料的其中一種，制作它的原料十分的眾多且類別豐富，可以運(yùn)用在化工機(jī)械和現(xiàn)代尖端技術(shù)等多個領(lǐng)域。通常制備氮化硅使用的方法是反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法。同時，氮化硅具有強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗溫變性能好等多項優(yōu)點(diǎn)，對于制造耐磨、耐蝕、耐高溫的零部件十分的適合，而采用用氮化硅陶瓷材料作為發(fā)動機(jī)的原料，工作溫度甚至可以高達(dá)1370℃而不出現(xiàn)任何問題。
1.2碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷的形成，是先需要通過石英、碳和木屑制備碳化硅粉，具體的方法是將這些材料裝入電弧爐中，在近2000℃溫度下進(jìn)行反應(yīng)，從而合成碳化硅粉，之后再通過反應(yīng)燒結(jié)法和熱壓燒結(jié)法，利用粉末冶金便可以制成碳化硅陶瓷。碳化硅陶瓷最顯著的特點(diǎn)是耐高溫。即便是1400℃都難以發(fā)生形變且其擁有很好的熱穩(wěn)定性并且極為耐磨。
1.3氧化鋁陶瓷
制備氧化鋁陶瓷需要用到工業(yè)氧化鋁，雖然其有著很好的性能，但是，制備的過程比較復(fù)雜，需要花費(fèi)高昂的成本。制備氧化鋁陶瓷的方法是首先在氧化鋁中添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，之后對其進(jìn)行制坯處理，之后進(jìn)行燒結(jié)。氧化鋁陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，且在絕緣上面還有著顯著的效用。根據(jù)其所具有的特性，氧化鋁陶瓷可以用在噴砂用的噴嘴、紡織用的導(dǎo)熱器及火箭用倒流罩。
2特種陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用
2.1陶瓷絕熱發(fā)動機(jī)
通過上述研究我們可以得知，陶瓷材料具有耐熱、耐磨、耐腐蝕、低密度、強(qiáng)隔熱性多種優(yōu)點(diǎn)，將陶瓷材料用在制備陶瓷絕熱發(fā)動機(jī)上，我們發(fā)現(xiàn)，很好地防止了氣缸內(nèi)部熱能的損失。發(fā)動機(jī)的構(gòu)造也一改傳統(tǒng)模式下的復(fù)雜多變．發(fā)動機(jī)也不再如之前那般沉重，很用在其中主要的陶瓷零部件有以下幾種。（1）陶瓷活塞。一般情況下，陶瓷活塞是用在柴油機(jī)中的，之前都是使用貴重金屬，現(xiàn)在用陶瓷材料進(jìn)行代替，在渦流室柴油機(jī)的制備中大大地節(jié)省了成本。通過利用陶瓷材料的耐高溫性能，我們可以在直噴式柴油機(jī)的活塞頂部鑲?cè)胍粔K陶瓷塊，這樣一來，將會有著更好的熱效率，產(chǎn)生的噪音也會得到減少。而活塞當(dāng)中的鑲塊大小以及形狀，也需要與活塞的要求相符合，不能有著太大的差異，否則，會產(chǎn)生一種應(yīng)力作用在活塞鑲塊，對于活塞的使用會產(chǎn)生極大的影響，另外，陶瓷纖維活塞的原材料便是氮化硅。它的耐磨能力也十分強(qiáng)，所以可以有效地防止由于熱膨脹系數(shù)大，鋁合金活塞中出現(xiàn)“冷敲熱拉”現(xiàn)象。（2）陶瓷氣缸套。①陶瓷汽缸套可以分成以下的形式，這是為了迎合不同的需要，其中第一種是在汽缸套內(nèi)表面全部由陶瓷材料覆蓋。日本小松發(fā)動機(jī)便是一個典型的例子；第二種是僅在制備缸套上圈時用到陶瓷材料：而第三種是將金屬同陶瓷材料進(jìn)行復(fù)合制備，從而將一個全陶瓷缸套制作出來。全陶瓷缸套相對傳統(tǒng)的陶瓷缸套，對于氣缸內(nèi)熱能損失有著很好的解決辦法。發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會得到簡化，發(fā)動機(jī)的熱效率也會得到相應(yīng)的提升。②陶瓷傳感器。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量也日益提高，因此，在汽車上，人們對汽車的要求也更高更嚴(yán)苛，而為了響應(yīng)保護(hù)生態(tài)的世界共識，汽車的尾氣和噪音也要得到限制。而為了降低成本，保證經(jīng)濟(jì)效益，將功能陶瓷材料制備成調(diào)控敏感元件運(yùn)用在汽車上越來越廣泛，品種和規(guī)格也同樣逐漸完善。這些元件主要被人們需要的有溫度傳感器、空燃比傳感器、稀薄空燃比傳感器、廢氣傳感器、爆震傳感器等各種保證人們安全、舒適需求的傳感器，這些通過研究發(fā)現(xiàn)，用陶瓷來制備各方面的傳感器，不僅可以滿足人們對于各方面的需求，還可以節(jié)省成本，減少污染（如圖1）。
2.2材料取代后帶來的好處
事實證明，將陶瓷材料應(yīng)用在汽車上后，經(jīng)過對10輛汽車的實驗，在其性能經(jīng)濟(jì)性上，汽車行駛了12.5～35萬千米之間不等，陶瓷氣門可降低發(fā)動機(jī)內(nèi)部摩擦力約30%，氮氧化物排放量降低約80%，燃油消耗降低約3%～4%，傳統(tǒng)材料下的氣門能用5年之久，而陶瓷材料的卻是這個時間的2～3倍，從性能上更加的優(yōu)等，避免了對氣門的屢次更換，而以往，2017年，全國機(jī)動車污染物排放總量4359.7萬噸，這是一個龐大的數(shù)據(jù)，對環(huán)境的危害也是巨大的，但是經(jīng)過粗略的統(tǒng)計，如果將陶瓷材料運(yùn)用在汽車上，可以減少污染物的排放，由此可見，將陶瓷材料普遍應(yīng)用到汽車上很有必要，對于環(huán)境的保護(hù)有著重大的意義。
3納米陶瓷材料技術(shù)在汽車工業(yè)上的應(yīng)用
納米陶瓷材料是新興的一種材料，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這種新材料在硬度、韌性上均具有非常好的效用，并且它的可塑性也很強(qiáng)，還可以抵抗腐蝕、抵抗磨損，即便是高溫高壓也可以輕易地進(jìn)行抵抗，因為其可塑性很好，結(jié)合其他的特性，所以使得汽車工業(yè)中的應(yīng)用得到了拓展。并且將納米陶瓷材料用來制造用于燃料電池汽車中的高溫燃料電池也可以起到很好的效果。而當(dāng)我們使用納米陶瓷為氣缸內(nèi)襯時，其耐高溫的特點(diǎn)能夠加快燃料燃燒；將其涂在汽車玻璃上面，可以防霧防塵，并且還可以起到很好的隔熱效果，還具有保潔殺菌功能。
4陶瓷材料在汽車工業(yè)中的未來前景和存在的問題
4.1應(yīng)用前景
陶瓷材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用，可以通過加快化學(xué)反應(yīng)從而大幅度提高發(fā)動機(jī)的熱效率，并且降低了耗油的成本，同時還減輕了傳統(tǒng)汽車對環(huán)境造成的污染。因為陶瓷材料的廣泛應(yīng)用，對陶瓷零部件應(yīng)用在汽車上這一項目非常值得開發(fā)。
4.2存在的主要問題
目前，陶瓷材料在汽車上應(yīng)用出現(xiàn)的問題有以下這些。（1）陶瓷材料的成本過于高昂，甚至金屬價格都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及。（2）陶瓷材料具有很強(qiáng)的脆性，所以難以進(jìn)行后續(xù)的加工。（3）特種陶瓷材料除了方法，對原料的選用也十分的嚴(yán)苛，對其中具有的工藝方法進(jìn)行掌握是困難的，因此，在量產(chǎn)上會出現(xiàn)一些問題。
4.3針對問題需要采取的措施
要解決以上問題，就要考慮到陶瓷是脆性材料，在對陶瓷材料進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)使零件承受的載荷盡量只受到壓力而不受到拉力，應(yīng)力集中的情況必須得到減少，零件體積要小，形狀也必須簡單，這也是為了避免零件受到機(jī)械的沖撞，加工和裝配精度要高。此外，應(yīng)對生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行改進(jìn)和完善，防止出現(xiàn)能夠?qū)е聰嗔训目斩春颓锌诔霈F(xiàn)。
5結(jié)語
由上文分析得知，隨著時代的變革，雖然陶瓷材料還存在著各種問題，但是，已經(jīng)可以用在汽車上，但是存在不足的是，由于筆者的自身學(xué)識尚淺，對于研究的內(nèi)容和研究的圖1陶瓷材料運(yùn)用在傳感器上方法存在一定誤差，對于探討陶瓷材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用方面沒有一定的深入研究，在方法與措施中，沒有對于相關(guān)問題和相關(guān)措施提出一定方法，而研究的陶瓷材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用也僅僅是根據(jù)自身的研究作為基礎(chǔ)，在領(lǐng)域上不能夠廣義地包含每種情況和設(shè)計，在本文中，可能存在著紕漏，學(xué)者在后續(xù)的研究中，應(yīng)該了解自身的研究內(nèi)容，謹(jǐn)慎參考意見，但是，筆者相信陶瓷材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用可以有更大的發(fā)展，擁有更好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)：
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[2]邢世凱,呂世君,聞德生,潘景昇.應(yīng)用于汽車工業(yè)的特種陶瓷材料及其研究進(jìn)展[期刊論文全文]-《中國陶瓷》-2003年3期.
[3]劉元梅.陶瓷材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[會議論文]1988-中國汽車工程學(xué)會汽車電器學(xué)術(shù)報告會.
作者:周錫文 單位:株洲湘火炬火花塞有限責(zé)任公司汽車密封分公司