陶瓷材料在汽車工業中的應用探究

周錫文

（株洲湘火炬火花塞有限責任公司汽車密封分公司，湖南 株洲 412000）

內燃機技術在時間的推移下，在不斷的實驗中得到了改進，并且時至今日已經趨于完善，傳統用在內燃機上的材料已經不能適應新時代對高強度耐腐蝕等更加嚴格的需求。陶瓷材料因為其獨有的特性，在綜合性能上符合新時代汽車各方面的需求，因此，將其應用于汽車上不僅可以將車的整體重量降低，同時相對傳統的汽車，材料耗費和成本也會得到降低，同時因為陶瓷材料具有的特性，發動機的熱效率也會得到加強。本文對各種陶瓷材料在汽車上的應用，其所擁有的性能特點、汽車上的應用現狀以及陶瓷材料在汽車工業的應用未來前景進行詳細的介紹和分析。

1 陶瓷材料的類別以及相應的特點

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，可以運用在化工機械和現代尖端技術等多個領域。通常制備氮化硅使用的方法是反應燒結法和熱壓燒結法。同時，氮化硅具有強度高、化學穩定性好、抗溫變性能好等多項優點，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動機的原料，工作溫度甚至可以高達1370℃而不出現任何問題。

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℃溫度下進行反應，從而合成碳化硅粉，之后再通過反應燒結法和熱壓燒結法，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是耐高溫。即便是1400℃都難以發生形變且其擁有很好的熱穩定性并且極為耐磨。

1.3 氧化鋁陶瓷

制備氧化鋁陶瓷需要用到工業氧化鋁，雖然其有著很好的性能，但是，制備的過程比較復雜，需要花費高昂的成本。制備氧化鋁陶瓷的方法是首先在氧化鋁中添加適當的添加劑，之后對其進行制坯處理，之后進行燒結。氧化鋁陶瓷具有高強度、高硬度、耐磨、耐高溫等諸多優點，且在絕緣上面還有著顯著的效用。根據其所具有的特性，氧化鋁陶瓷可以用在噴砂用的噴嘴、紡織用的導熱器及火箭用倒流罩。

2 特種陶瓷材料在汽車上的應用

2.1 陶瓷絕熱發動機

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、強隔熱性多種優點，將陶瓷材料用在制備陶瓷絕熱發動機上，我們發現，很好地防止了氣缸內部熱能的損失。發動機的構造也一改傳統模式下的復雜多變.發動機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中的，之前都是使用貴重金屬，現在用陶瓷材料進行代替，在渦流室柴油機的制備中大大地節省了成本。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的活塞頂部鑲入一塊陶瓷塊，這樣一來，將會有著更好的熱效率，產生的噪音也會得到減少。而活塞當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，會產生一種應力作用在活塞鑲塊，對于活塞的使用會產生極大的影響，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，所以可以有效地防止由于熱膨脹系數大，鋁合金活塞中出現“冷敲熱拉”現象。

（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表面全部由陶瓷材料覆蓋。日本小松發動機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行復合制備，從而將一個全陶瓷缸套制作出來。全陶瓷缸套相對傳統的陶瓷缸套，對于氣缸內熱能損失有著很好的解決辦法。發動機的內部結構也會得到簡化，發動機的熱效率也會得到相應的提升。②陶瓷傳感器。隨著汽車行業的發展和社會的不斷進步，人們的生活質量也日益提高，因此，在汽車上，人們對汽車的要求也更高更嚴苛，而為了響應保護生態的世界共識，汽車的尾氣和噪音也要得到限制。而為了降低成本，保證經濟效益，將功能陶瓷材料制備成調控敏感元件運用在汽車上越來越廣泛，品種和規格也同樣逐漸完善。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，這些通過研究發現，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，還可以節省成本，減少污染（如圖1）。

圖1 陶瓷材料運用在傳感器上

2.2 材料取代后帶來的好處

事實證明，將陶瓷材料應用在汽車上后，經過對10輛汽車的實驗，在其性能經濟性上，汽車行駛了12.5～35萬千米之間不等，陶瓷氣門可降低發動機內部摩擦力約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，從性能上更加的優等，避免了對氣門的屢次更換，而以往，2017年，全國機動車污染物排放總量4359.7萬噸，這是一個龐大的數據，對環境的危害也是巨大的，但是經過粗略的統計，如果將陶瓷材料運用在汽車上，可以減少污染物的排放，由此可見，將陶瓷材料普遍應用到汽車上很有必要，對于環境的保護有著重大的意義。

3 納米陶瓷材料技術在汽車工業上的應用

納米陶瓷材料是新興的一種材料，經過研究發現，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，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行抵抗，因為其可塑性很好，結合其他的特性，所以使得汽車工業中的應用得到了拓展。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。而當我們使用納米陶瓷為氣缸內襯時，其耐高溫的特點能夠加快燃料燃燒；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中的未來前景和存在的問題

4.1 應用前景

陶瓷材料在汽車工業的應用，可以通過加快化學反應從而大幅度提高發動機的熱效率，并且降低了耗油的成本，同時還減輕了傳統汽車對環境造成的污染。因為陶瓷材料的廣泛應用，對陶瓷零部件應用在汽車上這一項目非常值得開發。

4.2 存在的主要問題

目前，陶瓷材料在汽車上應用出現的問題有以下這些。

（1）陶瓷材料的成本過于高昂，甚至金屬價格都遠遠不及。

（2）陶瓷材料具有很強的脆性，所以難以進行后續的加工。

（3）特種陶瓷材料除了方法，對原料的選用也十分的嚴苛，對其中具有的工藝方法進行掌握是困難的，因此，在量產上會出現一些問題。

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，在對陶瓷材料進行設計時應使零件承受的載荷盡量只受到壓力而不受到拉力，應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械的沖撞，加工和裝配精度要高。此外，應對生產工藝過程進行改進和完善，防止出現能夠導致斷裂的空洞和切口出現。

5 結語

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，已經可以用在汽車上，但是存在不足的是，由于筆者的自身學識尚淺，對于研究的內容和研究的方法存在一定誤差，對于探討陶瓷材料在汽車工業中的應用方面沒有一定的深入研究，在方法與措施中，沒有對于相關問題和相關措施提出一定方法，而研究的陶瓷材料在汽車工業中的應用也僅僅是根據自身的研究作為基礎，在領域上不能夠廣義地包含每種情況和設計，在本文中，可能存在著紕漏，學者在后續的研究中，應該了解自身的研究內容，謹慎參考意見，但是，筆者相信陶瓷材料在汽車工業中的應用可以有更大的發展，擁有更好的發展前景。