碳化硅材料在汽車(chē)上面的應(yīng)用探究

新型碳化硅材料在汽車(chē)上面的應(yīng)用1摩擦副材料的選配由于航空用離合器是工作在高速、高溫、高載荷狀態(tài)下,楔塊的材料應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度及耐磨損的需求,宜選用高強(qiáng)度、高溫、硬度高、高導(dǎo)熱性、耐熱沖擊、低熱膨漲系數(shù)性質(zhì)的材料根據(jù)以上使用特性,楔塊常用材料一般選Crl4Mo4V、Gr4Mo4V、W18Gr4V、M-50、AMS6490等耐高溫材料，硬度一般在HRC63左右。而相配合的內(nèi)外套常選用鎳鉻鉬材料(如18CrNi4A、SAE8640、AISI9310)或軸承鋼ZGGr15等，滾道表面最小硬度不低于HRC60。2碳化硅等特種陶瓷的結(jié)構(gòu)性能及種類陶瓷的性能由兩種因素決定。首先是物質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要是化學(xué)鍵的性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。它們決定陶瓷材料的性能，如耐高溫性、半導(dǎo)體性及絕緣性等。其次是顯微組織，包括分布、晶粒大小、形狀、氣孔大小和分布、雜質(zhì)、缺陷等。陶瓷材料在性能上有其獨(dú)特的優(yōu)越性。在熱和機(jī)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(dǎo)體性、磁性等;在化學(xué)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，可作為生物結(jié)構(gòu)材料等。但也有它的缺點(diǎn)，其致命缺點(diǎn)是脆性。因此研究開(kāi)發(fā)新型功能陶瓷是材料科學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。近期研究表明:用不同配比的各種原料和陶瓷復(fù)合材料制成的納米級(jí)原材料經(jīng)燒結(jié)可提高韌性。這一發(fā)現(xiàn)吸引了許多研究者，成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。預(yù)期合成陶瓷研究將使全陶瓷內(nèi)燃機(jī)盡快成為現(xiàn)實(shí)。這是21世紀(jì)的新挑戰(zhàn)，將使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、刀具、模具等方面面貌一新。工程陶瓷目前有氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)，硅化鎢(WSi2)、二氧化鋯(ZrO2)、三氧化鋁(A12O3)等。這些材料具有耐熱、高硬度、耐磨、耐腐蝕、相對(duì)密度小等特點(diǎn)。若能用于燃?xì)廨啓C(jī)，可使工作溫度從目前的1100e提高到1370e，而熱效率從60%提高到80%,應(yīng)是理想的發(fā)動(dòng)機(jī)材料。陶瓷材料種類繁多，各有特色，可制成各種功能元件。碳化硅陶瓷是用碳化硅粉，用粉末冶金法經(jīng)反應(yīng)燒結(jié)或熱壓燒結(jié)工藝制成。碳化硅陶瓷最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好、耐磨抗蠕變性好。適用于澆注金屬用的喉嘴、熱電偶套管、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、軸承等零件。同時(shí)由于它的熱傳導(dǎo)能力高，還適用于高溫條件下的熱交換器材料，也可用于制作各種泵的密封圈。氮化硅陶瓷抗溫度急變性好,硬度高，其硬度僅次于金剛石、氮化硼等物質(zhì)，用氮化硅陶瓷材料制作發(fā)動(dòng)機(jī)，由于工作溫度達(dá)到1370e，發(fā)動(dòng)機(jī)效率可達(dá)30%，同時(shí)由于溫度提高，可使燃料充分燃燒，排出廢氣污染成分大幅度降落，不僅降低能耗，并且減少了情形污染。氮化硅陶瓷原料豐富、加工性好,可以用低成本生產(chǎn)出各種尺寸精確的部件，特別是形狀復(fù)雜的部件，成品率比其他陶瓷材料高。金屬陶瓷，主要包括六大類:介電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、磁性陶瓷、壓電陶瓷、熱電陶瓷、絕緣陶瓷等，該技術(shù)有助于節(jié)能環(huán)保。除了提高汽車(chē)的安全性和舒適性之外,如何提高環(huán)保性能也是一個(gè)焦點(diǎn)。3陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷具有較好的高溫強(qiáng)度、耐蝕性和耐磨性,尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷，有可能作為高溫結(jié)構(gòu)材料來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)已成為當(dāng)前世界各國(guó)競(jìng)相開(kāi)發(fā)的目標(biāo)之一。用陶瓷材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī),具有以下優(yōu)越性:陶瓷的耐熱性好，這可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)效率大大提高。例如，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，目前作為其制造材料的鎳基耐熱合金，工作溫度在1000e左右;若采用陶瓷材料,工作溫度可達(dá)1300e,使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高30%左右;工作溫度高，可使燃料充分燃燒，排出廢氣中的污染成分大大減少。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(dǎo)性比金屬低，這使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量不易散發(fā),可節(jié)省能源;陶瓷具有較高的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，這可延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，過(guò)去都用合金鋼制造,汽缸工作溫度只有l(wèi)OOOe左右，而且還要用水冷卻。在傳統(tǒng)柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)用的金屬零件中，鋁合金的耐溫極限為350e，鋼和鑄鐵的為450e，最好的超級(jí)耐熱合金的耐溫極限也不能超過(guò)1093e。金屬材料的上述耐溫極限大大限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度(熱效率)。而使用各種冷卻裝置又使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜，增加重量和耗費(fèi)許多功率。汽缸的活塞銷(xiāo)，由于耐高溫摩擦性能較差，壓縮效率下降較快，因而成了新型汽車(chē)工業(yè)的攔路虎。長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)趯ひ捰靡环N理想的材料來(lái)代替發(fā)動(dòng)機(jī)用的金屬材料。發(fā)動(dòng)機(jī)用材料的重大改革則是用高性能陶瓷零件逐步代替金屬零件，直至發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件，這就是人們常說(shuō)的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。高性能陶瓷有許多優(yōu)于金屬的性能，例如耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、重量輕和隔熱性能好。這些特殊性能可使傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的熱效率低和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等許多難題得到合理解決并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和耐久性。要將柴油機(jī)燃耗費(fèi)降低30%以上,可以說(shuō)新型陶瓷是不可缺乏的材料?，F(xiàn)在汽油機(jī)，燃燒能量78%左右熱能熱傳遞會(huì)損失掉，柴油機(jī)熱效率為33%，與汽油機(jī)相比已十分優(yōu)越，然而仍有60%以上熱能量會(huì)損失掉。因此，為減少這部分損失，燃燒室采用陶瓷材料，并用廢氣渦輪增壓器動(dòng)力渦輪來(lái)回收排氣能量，這樣可把熱效率提高到48%。同時(shí),由于新型陶瓷的應(yīng)用，柴油機(jī)瞬間快速起動(dòng)將變得可能。采用新型陶瓷渦輪增壓器，它比當(dāng)今超耐熱合金具有更優(yōu)越耐熱性,而比重卻只有金屬渦輪的三分之一。因此，新型陶瓷渦輪可以補(bǔ)償金屬渦輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)低的毛病。其他還有:采用新型陶瓷活塞銷(xiāo)活塞環(huán)等運(yùn)動(dòng)部件,由于重量減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)效率可望得到較大的提高。日本五十鈴汽車(chē)公司采用氮化硼陶瓷汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度可達(dá)到1300e?1500e，不要水冷卻，再加上它的密度只有鋼的一半，所以，汽車(chē)重量減輕。它不僅可節(jié)省30%的熱能，而且工作效率提高了15%?20%。陶瓷DE是在燃燒室和活塞的部分表面用比金屬更加耐熱的陶瓷材料，從而提高了零部件的耐熱性，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)，除可減少冷卻損失，提高熱效率外,還可使DE更加緊促，使自身重量減輕。副燃燒室、活塞頭、汽缸襯套、汽缸頭、增壓轉(zhuǎn)子等部件與零件都可采用氮化硅結(jié)合碳化硅或部分穩(wěn)定氧化鋯等特種陶瓷材料。機(jī)械強(qiáng)度則可達(dá)到500MPa以上，陶瓷材料基本上能滿足使用要求。不僅強(qiáng)度高，而且熱導(dǎo)率也比其它材料低很多。最初，人們研究和使用的是陶瓷涂層和單一整體陶瓷制的發(fā)動(dòng)機(jī)零件。陶瓷涂層技術(shù)成熟、成本低、壽命較高,采用等離子噴涂工藝，可涂覆二氧化鋯、碳化鈦和二氧化鈦等陶瓷，獲得1毫米以內(nèi)的耐久涂層。為了解決陶瓷涂層太薄的問(wèn)題人們研究用二氧化鋯、氮化硅、碳化硅和鈦酸鋁制造發(fā)動(dòng)機(jī)的整體陶瓷零件。此外，還研究了玻璃瓷、氧化鋁等整體陶瓷件。高性能陶瓷是自內(nèi)燃機(jī)發(fā)明以來(lái)最鼓舞人心的新發(fā)展它將最終解決發(fā)動(dòng)機(jī)要在苛刻環(huán)境下工作的問(wèn)題。今后10年,將會(huì)出現(xiàn)許多陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)康寧公司不久前推出新一代用于輕型汽車(chē)和柴油車(chē)催化凈化器的陶瓷載體)))Celcor(R)600/2載體。這種新型載體具有超薄的蜂窩壁，能減少耗油量，并可以有效地降低排放系統(tǒng)背壓從而增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力°Celcor600/2產(chǎn)品蜂窩壁的厚度僅為50微米)))大約是一根頭發(fā)的直徑，在開(kāi)口端每平方英寸就有600個(gè)孔。這種壁孔設(shè)計(jì)使該陶瓷載體質(zhì)量極輕,從而具有卓越的冷啟動(dòng)減排性能。康寧將從2007年第三季度開(kāi)始生產(chǎn)并供應(yīng)Celcor600/2載體，而這些載體將被安裝到2008款的車(chē)輛上。這種先進(jìn)的陶瓷載體，它能降低系統(tǒng)的總體成本,并具有卓越的低背壓從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。此外，它還為車(chē)輛制造商提供了更多的設(shè)計(jì)選擇性。他們利用在材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)專長(zhǎng)而開(kāi)發(fā)出了這一創(chuàng)新的，高性能的陶瓷載體。陶瓷基復(fù)合材料在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)上有著廣泛的應(yīng)用。如活塞部分采用陶瓷材料后?可使燃燒室中實(shí)現(xiàn)部分隔熱，從而減少冷卻系統(tǒng)的容量和尺寸。在高強(qiáng)度柴油機(jī)中可有效降低活塞環(huán)槽區(qū)的溫度有時(shí)可取消對(duì)活塞的專門(mén)冷卻。由于陶瓷材料的質(zhì)t較輕,配氣機(jī)構(gòu)中的氣門(mén)、挺柱、搖臂及彈簧座改用陶瓷材料后允許發(fā)動(dòng)機(jī)以提高轉(zhuǎn)速來(lái)提高功率?或者在轉(zhuǎn)速不變的情況下降低氣門(mén)彈簧的彈力而降低功率損耗。氣門(mén)座、搖臂頭等易磨損部件采用陶瓷材料后可以減少磨損、延長(zhǎng)使用壽命。柴油機(jī)渦流室安裝陶瓷鑲塊后?改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)的燃燒狀況和低溫起動(dòng)性能，降低了燃燒噪聲和HC的排放量。8陶瓷汽車(chē)制動(dòng)器、剎車(chē)片陶瓷制動(dòng)器碳纖維制動(dòng)器基礎(chǔ)上制作而成。一塊碳纖維制動(dòng)碟最初由碳纖維樹(shù)脂構(gòu)成,它被機(jī)器壓抑成形，碟片表面會(huì)有規(guī)則的小孔，背面是螺旋發(fā)散線狀的溝槽，用于散熱。壓制成型之后，趁著碟片仍有一定溫度，馬上被送入高溫爐，高溫定型。爐膛內(nèi)充滿氮?dú)?，溫度接近lOOOe，在這種情況下，所有非碳有機(jī)物都將轉(zhuǎn)化成碳，因此這道工序也叫碳化。碟片內(nèi)的碳纖維結(jié)構(gòu)使它堅(jiān)固耐沖擊，而堅(jiān)硬耐腐蝕的的材質(zhì),也讓碟片極為耐磨。經(jīng)過(guò)加熱、碳化、加熱、冷卻等幾道工序制成陶瓷制動(dòng)器。陶瓷制動(dòng)器碳硅化合物表面硬度接近鉆石,碟片內(nèi)碳纖維結(jié)構(gòu)使它堅(jiān)固耐沖擊，耐腐化，讓碟片極為耐磨。陶瓷碳纖維制動(dòng)器相比普通的鑄鐵制動(dòng)器有很多的優(yōu)點(diǎn)，尤其是它們具有輕量化和很強(qiáng)的抗熱衰退性能（散熱很快）。唯一的缺點(diǎn)就是現(xiàn)有的制造工藝屬于勞動(dòng)密集型，成本較高，目前的陶瓷碳纖維制動(dòng)器只運(yùn)用在高端的超級(jí)跑車(chē)上面。目前此類技巧除了F1賽車(chē)?yán)?，超?jí)民用跑車(chē)也有涉及，例如奔馳CL55AMG。一副陶瓷制動(dòng)碟，能用上30萬(wàn)公里。奔馳SLR概念車(chē)就采用了陶瓷剎車(chē)盤(pán)。這種剎車(chē)盤(pán)不會(huì)因水浸而降低性能，而且減速非?？?，即使是像SLR這樣動(dòng)力巨大的車(chē)，都被它管束得服服帖帖，而且剎車(chē)過(guò)程還很均勻，絕不突然，讓人有理由相信這種新技術(shù)前景廣闊。保時(shí)捷的陶瓷制動(dòng)系統(tǒng),其制動(dòng)碟表面的摩擦系數(shù)在制動(dòng)初段比鑄鐵高25%,這樣在急剎車(chē)時(shí)，車(chē)子無(wú)需額外的制動(dòng)輔助技術(shù)，單靠制動(dòng)器便能迅速提供充足的制動(dòng)力。陶瓷制動(dòng)器采用6活塞的制動(dòng)卡鉗,在活塞與制動(dòng)片之間，裝有陶瓷隔熱體，用以防止制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高熱傳入液壓組件和制動(dòng)液，這套剎車(chē)系統(tǒng)更可以在800e高溫下正常工作。陶瓷剎車(chē)片作為摩擦材料中的一個(gè)新品種，具有無(wú)噪聲、無(wú)落灰、不腐蝕輪轂、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而中國(guó)的剎車(chē)片行業(yè)主流企業(yè)也都具備了陶瓷剎車(chē)片的自主研發(fā)能力。陶瓷剎車(chē)片作為目前市場(chǎng)上公認(rèn)的中高端產(chǎn)品，畢竟成為未來(lái)剎車(chē)片的發(fā)展方向。作為制動(dòng)系統(tǒng)的新寵,陶瓷剎車(chē)片擁有廣闊的發(fā)展空間。陶瓷剎車(chē)片具有無(wú)噪聲、不腐蝕輪轂、耐用、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。日本和北美汽車(chē)市場(chǎng)現(xiàn)在使用非常廣泛，歐洲新車(chē)型也開(kāi)始裝配陶瓷剎車(chē)片。國(guó)際市場(chǎng)對(duì)陶瓷摩擦材料的認(rèn)可，加速了我國(guó)對(duì)陶瓷剎車(chē)片的研發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)主流剎車(chē)片企業(yè)已經(jīng)具備了中高端陶瓷剎車(chē)片的自主研發(fā)與生產(chǎn)能力，并已為國(guó)外一些大汽車(chē)制造商配套，逐步進(jìn)入國(guó)外中高端市場(chǎng)。但是，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)尚未得到很好的開(kāi)發(fā)。原因在于首先陶瓷摩擦材料價(jià)格高，主機(jī)廠很難接受。其次國(guó)外對(duì)噪聲、環(huán)保要求較高，陶瓷摩擦材料因其無(wú)噪聲、耐用、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)外備受青睞,而國(guó)內(nèi)沒(méi)有這方面的要求，消費(fèi)者這方面的意識(shí)也比較欠缺。國(guó)內(nèi)汽車(chē)剎車(chē)片的發(fā)展還停留在注重制動(dòng)效果與安全性的階段，沒(méi)有發(fā)展到注重舒適性、環(huán)保性的階段。陶瓷剎車(chē)片雖然短期內(nèi)不太可能替代傳統(tǒng)剎車(chē)片，但現(xiàn)代汽車(chē)正朝著高性能、高速度、安全舒適等方向發(fā)展,這就要求作為汽車(chē)重要組成部分的制動(dòng)系統(tǒng)必須安全可靠，同時(shí)必須不斷開(kāi)發(fā)新的剎車(chē)材料以滿足更嚴(yán)格的要求，陶瓷剎車(chē)片必然成為今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。9車(chē)用陶瓷軸承滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)械中的重要部件。它主要用于支承軸及軸上的零件，對(duì)整臺(tái)機(jī)器的精度、效率和使用壽命有直接的影響。全世界一年要生產(chǎn)25億只滾動(dòng)軸承，幾乎每一臺(tái)機(jī)器設(shè)備都要使用滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承較之滑動(dòng)軸承具有摩擦系數(shù)小、消耗功率少、效率高的優(yōu)點(diǎn)。它一般由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成常用合金鋼制造，但同樣可用陶瓷制造。作為一種新材料,陶瓷材料在滾動(dòng)軸承中的應(yīng)用開(kāi)辟了軸承材料的新天地。目前，這種陶瓷滾動(dòng)軸承已經(jīng)問(wèn)世。陶瓷滾動(dòng)軸承具有下列優(yōu)點(diǎn):陶瓷的耐蝕性好，所以陶瓷滾動(dòng)軸承適合于在有腐蝕性介質(zhì)的惡劣環(huán)境中工作;陶瓷滾動(dòng)體的密度比鋼低，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)外圈的離心作用力可降低40%,故使用壽命長(zhǎng);陶瓷的熱膨脹系數(shù)比鋼小,在軸承的間隙一定時(shí)，允許在溫差變化較大的環(huán)境中工作;陶瓷的彈性模量比鋼高，具有較好的剛度,有利于提高工作速度，達(dá)到較高的精度。陶瓷材料的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)鋼軸承的許多應(yīng)用極限，如高速性、耐磨性、絕緣性、耐溫性。常用的氮化硅陶瓷比重僅僅是鋼的1/3多,因此在高速下引起的滾動(dòng)體對(duì)套圈的應(yīng)力水平大大降低，同尺寸的軸承極限轉(zhuǎn)速大幅提升;氮化硅陶瓷的硬度達(dá)1500HV是軸承鋼的一倍，耐高溫達(dá)1200e是軸承鋼的6倍,這些無(wú)疑擴(kuò)展了傳統(tǒng)鋼制軸承的使用范圍。陶瓷滾動(dòng)軸承的制造材料主要采用氮化硅陶瓷，其中含氧化鋁和氧化釔添加劑的陶瓷強(qiáng)度要比含氧化鎂的高。日本已開(kāi)發(fā)成功在高溫下采用固體潤(rùn)滑劑的陶瓷滾動(dòng)軸承，以及用液體或油脂潤(rùn)滑的鋼)陶瓷組合滾動(dòng)軸承或全陶瓷滾動(dòng)軸承。目前，陶瓷滾動(dòng)軸承已應(yīng)用于渦輪增壓器、離心分離器、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等。陶瓷材料的應(yīng)用是滾動(dòng)軸承材料的一次革命，陶瓷材料軸承是面向21世紀(jì)的最具發(fā)展前景的新材料軸承。對(duì)于車(chē)用軸承的材料要求,伴隨著汽車(chē)向高速化發(fā)展，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度要求越來(lái)越高，其對(duì)材料的要求也越來(lái)越高。目前,陶