新型陶瓷材料在汽車中的應用(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上湖北汽車工業(yè)學院 本 科 生 課 程 論 文  論 文 題 目 新型陶瓷材料在汽車中的應用及未來發(fā)展 學生專業(yè)班級 材料成型及控制工程（汽車產(chǎn)業(yè)）T1233-5 學生姓名（學號） 朱寶林（） 指 導 教 師（職稱） 王天國 完 成 時 間 2014-11-5 2014 年 11月 05 日 目錄前言···················

2、83;·······················3第一章 汽車發(fā)動機中的陶瓷材料················41·1 陶瓷汽車發(fā)動機·····

3、····················41·2 活塞頂用陶瓷結構·······················51·3 渦輪增壓器陶瓷材料·

4、;····················6第二章 陶瓷纖維在發(fā)動機零件上的應用··············6第三章 陶瓷材料在發(fā)動機其它部件的應用·········&#

5、183;··7第四章 新型陶瓷材料未來的發(fā)展及在汽車上的應用·7前言關于新型陶瓷材料：新型陶瓷材料在性能上有其獨特的優(yōu)越性。在熱和機械性能方面，有耐高溫、隔熱、高硬度、耐磨耗等；在電性能方面有絕緣性、壓電性、半導體性、磁性等；在化學方面有催化、耐腐蝕、吸附等功能；在生物方面，具有一定生物相容性能，可作為材料等。但也有它的缺點，如脆性。因此研究開發(fā)新型功能陶瓷是材料科學中的一個重要領域。摘要：隨著科學技術飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造業(yè)將更多特種陶瓷、智能陶瓷制品引入，采用到汽車上，并且伴隨著更多的新型結構材料的引入，在汽車零部件加工制造技術上也帶來了一場新的革命，在此主要

6、介紹一些新型的陶瓷材料在現(xiàn)在及未來的汽車行業(yè)的使用情況及以后可能應用的發(fā)展前景。目前應用于汽車上的陶瓷材料主要有：氧化硅陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷，氧化鋁陶瓷這幾種。關鍵詞：陶瓷材料、發(fā)動機、汽車、 應用 第一章 汽車發(fā)動機中的陶瓷材料1·1 陶瓷汽車發(fā)動機新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等無機非金屬燒結而成。與以往使用的氧化鋁陶瓷相比，強度是其三倍以上，能耐1000攝氏度以上高溫，新材料推進了汽車上 新用途的開發(fā)。例如：要將柴油機的燃耗費降低30%以上，可以說新型陶瓷是不可缺少的材料。現(xiàn)在汽油機中，燃燒能量中的78%左右是在熱能和熱傳遞中損失掉的，柴油機熱效率為33%，與汽油機相比已十分

7、優(yōu)越，然而仍有60%以上的熱能量損失掉。因此，為減少這部分損失，用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進 行隔熱，進而用廢氣渦輪增壓器和動力渦輪來回收排氣能量，有試驗證明，這樣可把熱效率提高到48%。同時，由于新型陶瓷的使用，柴油機瞬間快速起動將變得可能。采用新型陶瓷的渦輪增壓器，它比當今超耐熱合金具有更優(yōu)越的耐熱性，而比重卻只有金屬渦輪的約 三分之一。因此，新型陶瓷渦輪可以補償金屬渦輪動態(tài)響應低的缺點。其他正在進行研究的有：采用新型陶瓷的活塞銷和活塞環(huán)等運動部件。由于重量的減輕，發(fā)動機效率可望得到提高。由于陶瓷材料具有優(yōu)良的耐熱性、耐磨性、隔熱性及重量輕優(yōu)點，故使用陶瓷材料替代金屬制備熱機部件的技

8、術受到了世界各國的高度重視。目前，發(fā)動機的主要零部件，如活塞、氣缸蓋、氣門、排氣管、渦輪煙壓器、氧傳感器及火花塞等都用先進的陶瓷材料來制造，并研制出了無水冷的絕熱陶瓷發(fā)動機。另外為了防止汽車廢氣對大氣環(huán)境的影響，各國都采用了的措施，制訂了嚴格的排放標準，這些都促進了汽車工業(yè)用新技術的開發(fā)以及新材料的研多，特別是在發(fā)動機用先進陶瓷瓷材料方面取大了軟大的進展，并在近年來的技術創(chuàng)新中發(fā)揮著更重的作用。陶瓷發(fā)動機的優(yōu)越性為： ·可以提高發(fā)動機的工作溫度，從而大大提高效率。例如，目前作為發(fā)動機制造材料的鎳基耐熱合金，工作溫度在1000左右。而采用陶瓷材料，則可以將工作溫度提高到1300，使發(fā)動

9、機效率提高30%左右。 ·工作溫度高，可使燃料燃燒充分，所排廢氣中的有害成分大為降低，這不僅降低了能源消耗，而且減少了環(huán)境污染。 ·陶瓷的熱傳導性比金屬低，這使發(fā)動機的熱量不易散發(fā)，節(jié)省能源。 ·陶瓷具有較高的高溫強度和熱傳導性，可延長發(fā)動機的使用壽命。1·2 活塞頂用陶瓷結構在發(fā)動機中，活塞頂?shù)墓ぷ鳝h(huán)境非?？量蹋幱跍囟燃弊兣c應力急變的狀態(tài)之中。在載貨汽車用的直噴式發(fā)動機中，燃燒室位于活塞頂部呈對稱渦流型。這種設計因其獲得急速對稱旋轉的氣流而使油粒與空氣混合充分以達到完全燃燒。通常，燃燒室邊緣的溫度梯度最大，易產(chǎn)生熱裂紋。值得注意的是，傳統(tǒng)的活塞頂材料

10、是鋁合金，它可能受到450C以上的高溫作用。然而，鋁合金的耐熱性能較差，高溫時可能導致活塞環(huán)與槽溝膠結。為此，活塞頂?shù)膬?nèi)表面配置了復雜的油冷系統(tǒng)。現(xiàn)在，帶有陶瓷頂?shù)膹秃匣钊且环N有效的解決方式。在這種設計中，陶瓷頂在活塞溶鑄時嵌人或由螺釘固定在其裙套上。由于陶瓷材料的耐高溫性和隔熱性，就在頂部形成一層保護層，而且可使局部溫度升高，更利于汽油的混合與燃燒。近年來，氮化硅材料（合成方法：主要有硅粉直接氮化法、二氧化硅還原法和氯化硅法，保存方法：常溫密閉，陰涼通風干燥處，用途：1.氮化硅粉末作為工程陶瓷材料，在工業(yè)上有廣泛用途。主要用于超高溫燃氣透平，飛機引擎，透平葉片，熱交換器，電爐等。也可作耐熱

11、涂層，用于火箭和原子能反應堆。2.用于、機械耐磨材料、熱機材料、切削工具、高級耐火材料及抗腐蝕、耐磨損密封部件等。氮化硅陶瓷可做燃氣輪機的燃燒室、機械密封環(huán)、輸送鋁液的電磁泵的管道及閥門、永久性模具、鋼水分離環(huán)等。氮化硅摩擦系數(shù)小，用于高溫軸承，其工作溫度可達1200，比普通合金軸承的工作溫度提高2.5倍，而工作速度是普通軸承的10倍。利用氮化硅陶瓷很好的電絕緣性和耐急冷急熱性可以用來做電熱塞，用它進行汽車點火可使發(fā)動機起動時間大大縮短，并能在寒冷天氣迅速起動汽車。氮化硅陶瓷還有良好的透微波性能、介電性以及高溫強度，作為導彈和飛機的雷達天線罩。3.用作精細陶瓷燒結原料，耐腐蝕、耐磨、研磨原材料

12、。）在工程中的應用日益廣泛。由于它具有好的高溫力學性能以及抗熱震、抗氧化、耐磨損性能，因此是一種較理想的陶瓷發(fā)動機活塞頂材料。1·3 渦輪增壓器陶瓷材料渦輪增壓器是通過動力渦輪對高溫排氣熱能回收使之轉化為機械能的發(fā)動機組合元件。為了耐受高溫尾氣的沖擊，渦輪通常由一種叫“尼孟鎳克”(鉻、鎳耐熱合金)的特殊介金材料制成的。而現(xiàn)在的陶瓷材料不僅有較高的抗熱應力性能，而且可以減輕零件的重量，這在渦輪增壓器上意味著有更快的響應特性和更高的效率。德國大眾汽車公司已開發(fā)出帶SiC轉子的渦輪增壓器，并將裝有這種新型陶瓷增壓器的氣車進行了60小時連續(xù)運轉試驗。測試時，增壓界的最高轉速為r/min，此時

13、渦輪機溫度可達1200，在加速測試時，該渦輪的響應比金屬渦輪快20%左右。第二章 陶瓷纖維在發(fā)動機零件上的應用在發(fā)動機連結件中，陶瓷纖維對其強度提高方面有越來越廣泛的應用。有種名為“FP”的A1203纖維，主要是用來增強汽車發(fā)動機的超輕連桿。這項新技術將為陶瓷纖維在發(fā)動機零部件的應用開拓出廣闊的前景。這種陶瓷纖維的氧化鋁含量為99%，主要有以下優(yōu)點:·高硬度 ;·優(yōu)良的抗熱應力性能;·高抗拉強度;·重量輕 。與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)連桿相比，這種由Al2O3纖維增強的鋁質(zhì)連桿在具有相同尺寸參數(shù)的情況，重量減輕約35%，這可減小連桿活塞系統(tǒng)的慣性，從而降低由此造成的機

14、械能損失。由30%35%的“FP”纖維增強的鋁質(zhì)和鎂質(zhì)材料，其硬度和抗疲勞性能分別提高到原來的4倍和5倍。目前，這種鋁質(zhì)增強桿已經(jīng)在豐田車上得到了使用。第三章 陶瓷材料在發(fā)動機其它部件的應用目前，正在生產(chǎn)和測試的陶瓷發(fā)動機部件還有欽酸鋁質(zhì)氣缸蓋,Si3N4陶瓷預熱室、PSZ氣缸套、陶瓷氣門座及Si3N4陶瓷軸承等。另外，在發(fā)動機活動件上采用等離子噴涂方法涂覆陶瓷材料對于減小活動件的磨擦，延長零件的使用壽命效果十分顯著。無水冷絕熱陶瓷發(fā)動機利用了陶瓷材料的耐高溫、強度高、隔熱性好的特點，并采用陶瓷或陶瓷涂層對燃燒室零部件隔熱，從而大大減少了由氣缸蓋、氣缸套傳出的熱量，去除了氣缸套、氣缸蓋中的冷卻

15、水，進而取消了發(fā)動機獨立的冷卻水系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比，具有以下優(yōu)點:【9】·由燃燒室溫度升高，燃燒條件改善，故可燃用多種料;·取消冷卻水系統(tǒng)，減少了冷卻水帶走的熱量，使發(fā)動機熱效率得到了提高;·使發(fā)動機結構簡化，減少了發(fā)動機出現(xiàn)的故障率;·使發(fā)動機能適應高寒、沙漠、缺水等環(huán)境及特種場合的需要·此外，此發(fā)動機還可以配裝渦輪增壓器來回收利用排氣帶走的熱量，從而進一步提高發(fā)動機的熱效率。無水冷絕熱陶瓷發(fā)動機雖已試車成功，但要在實際中推廣使用，還有許多問題要解決。例如，提高陶瓷零部件的可靠性，降低成本以改善其經(jīng)濟性等。隨著陶瓷零部件設計開發(fā)的不斷進

16、展，可以預見，陶瓷發(fā)動機成為產(chǎn)品是完全有希望的。第四章 新型陶瓷材料未來在汽車上的應用在各種新材料中, 新型陶瓷是近年來發(fā)展很快的一種, 其中功能陶瓷, 特別是電子功能陶瓷的發(fā)展速度快于結構陶瓷。目前研究與開發(fā)的重點已出現(xiàn)向結構陶瓷和復合陶瓷逐步轉移的趨勢, 預測以后, 這種轉移將有明顯增強。21 世紀將是一個以各種復合材料為主的時代。當前的研究工作主要是為下世紀的技術突破作準備。無論是氧化物陶瓷, 還是非氧化物陶瓷一, 都存在向小型化、薄膜化、集體化、高功能、多功能發(fā)展的趨勢。有逐步重視關鍵基礎技術研究的傾向,目

17、的是實現(xiàn)陶瓷材料性能測試與評價技術的實用化。在材料體系中, 成分全新的新品種不多, 絕大多數(shù)是通過改換元素、添加元素和改善工藝等途徑來實現(xiàn)性能的最佳化。因此, 技術方面的更新不斷出現(xiàn)。由于陶瓷的制造需要系列專門技術, 各道生產(chǎn)工序都影響材料的最終性能, 因此近幾年國外公司有實行從原料準備到成品加工一體化生產(chǎn)的傾向 陶瓷材料發(fā)展日新月異，并且在各個行業(yè)及領域都展現(xiàn)出了很好的發(fā)展前景。未來還將會有氧化鋰陶瓷，滑石陶瓷，氧化釷陶瓷，鈦酸鋇陶瓷，硼化物、氮化物、硅化物等金屬陶瓷，鐵氧體陶瓷，稀土鈷瓷等更多的新型特種陶瓷材料應用到汽車的制造與加

18、工上。相信在汽車材料與加工行業(yè)中，新型陶瓷材料也會大放異彩，在其中發(fā)揮重要作用。參考文獻：1、張南林等6105陶瓷無水冷發(fā)動機的研制.發(fā)動機用先進 陶瓷，科學出版社19932、張連方等我國研制的陶瓷絕熱渦輪復合式發(fā)動機發(fā)動 機 用先 進陶瓷，科學出版社19933、唐紹裘.傳感器與敏感陶瓷元器件的發(fā)展概況.陶瓷19 93 .2 8一334、王零森編特種陶瓷.中南工業(yè)大學出版社，19945、鄰風英等無水冷機用氮化硅陶瓷活塞頂材料研究及部件 制備發(fā)動機用先進陶瓷科學出版社，(1993)6、張偉儒等6105機氮化硅陶瓷氣門材料及其部件制備的研 究.現(xiàn)代技術陶瓷,1997,4,3一67、SWARTZ S L.SHROUT TR,TAKENAKAT, Electronic ceramics R&D in the US and JapanJ.Parr I：Japanese View Am Ceram Soc Bull，1997,76（8）：51558、Masahiko Miyaki, Hideya Fujisawa, Akira Masuda,Yoshihisa Yamamoto. Development of New Electronically Controlled Fuel Injection System ECD-U2 for Diesel Engines. SAE pa