碳化硅材料在汽車上面的應(yīng)用探究

新型碳化硅材料在汽車上面的應(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。因此研究開發(fā)新型功能陶瓷是材料科學(xué)中的一個重要領(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)，將使汽車發(fā)動機(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)動機(jī)，由于工作溫度達(dá)到1370e，發(fā)動機(jī)效率可達(dá)30%，同時由于溫度提高，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。除了提高汽車的安全性和舒適性之外,如何提高環(huán)保性能也是一個焦點(diǎn)。3陶瓷發(fā)動機(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)材料來制造發(fā)動機(jī)。陶瓷發(fā)動機(jī)已成為當(dāng)前世界各國競相開發(fā)的目標(biāo)之一。用陶瓷材料制造的發(fā)動機(jī),具有以下優(yōu)越性:陶瓷的耐熱性好，這可以提高發(fā)動機(jī)的工作溫度,從而使發(fā)動機(jī)效率大大提高。例如，對燃?xì)廨啓C(jī)來說，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，這可延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。汽車發(fā)動機(jī)，過去都用合金鋼制造,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，最好的超級耐熱合金的耐溫極限也不能超過1093e。金屬材料的上述耐溫極限大大限制了發(fā)動機(jī)的工作溫度(熱效率)。而使用各種冷卻裝置又使發(fā)動機(jī)設(shè)計復(fù)雜，增加重量和耗費(fèi)許多功率。汽缸的活塞銷，由于耐高溫摩擦性能較差，壓縮效率下降較快，因而成了新型汽車工業(yè)的攔路虎。長期以來，人們在尋覓用一種理想的材料來代替發(fā)動機(jī)用的金屬材料。發(fā)動機(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)動機(jī)的主要零件，這就是人們常說的陶瓷發(fā)動機(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力渦輪來回收排氣能量，這樣可把熱效率提高到48%。同時,由于新型陶瓷的應(yīng)用，柴油機(jī)瞬間快速起動將變得可能。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)償金屬渦輪動態(tài)響應(yīng)低的毛病。其他還有:采用新型陶瓷活塞銷活塞環(huán)等運(yùn)動部件,由于重量減輕，發(fā)動機(jī)效率可望得到較大的提高。日本五十鈴汽車公司采用氮化硼陶瓷汽車發(fā)動機(jī)，這種新型發(fā)動機(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)明以來最鼓舞人心的新發(fā)展它將最終解決發(fā)動機(jī)要在苛刻環(huán)境下工作的問題。今后10年,將會出現(xiàn)許多陶瓷發(fā)動機(jī)。美國康寧公司不久前推出新一代用于輕型汽車和柴油車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)動機(jī)動力°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，在開口端每平方英寸就有600個孔。這種壁孔設(shè)計使該陶瓷載體質(zhì)量極輕,從而具有卓越的冷啟動減排性能?？祵帉?007年第三季度開始生產(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)動機(jī)性能。此外，它還為車輛制造商提供了更多的設(shè)計選擇性。他們利用在材料、產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)專長而開發(fā)出了這一創(chuàng)新的，高性能的陶瓷載體。陶瓷基復(fù)合材料在車用發(fā)動機(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)的溫度有時可取消對活塞的專門冷卻。由于陶瓷材料的質(zhì)t較輕,配氣機(jī)構(gòu)中的氣門、挺柱、搖臂及彈簧座改用陶瓷材料后允許發(fā)動機(jī)以提高轉(zhuǎn)速來提高功率?或者在轉(zhuǎn)速不變的情況下降低氣門彈簧的彈力而降低功率損耗。氣門座、搖臂頭等易磨損部件采用陶瓷材料后可以減少磨損、延長使用壽命。柴油機(jī)渦流室安裝陶瓷鑲塊后?改善了發(fā)動機(jī)低負(fù)荷時的燃燒狀況和低溫起動性能，降低了燃燒噪聲和HC的排放量。8陶瓷汽車制動器、剎車片陶瓷制動器碳纖維制動器基礎(chǔ)上制作而成。一塊碳纖維制動碟最初由碳纖維樹脂構(gòu)成,它被機(jī)器壓抑成形，碟片表面會有規(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)使它堅固耐沖擊，而堅硬耐腐蝕的的材質(zhì),也讓碟片極為耐磨。經(jīng)過加熱、碳化、加熱、冷卻等幾道工序制成陶瓷制動器。陶瓷制動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)使它堅固耐沖擊，耐腐化，讓碟片極為耐磨。陶瓷碳纖維制動器相比普通的鑄鐵制動器有很多的優(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密集型，成本較高，目前的陶瓷碳纖維制動器只運(yùn)用在高端的超級跑車上面。目前此類技巧除了F1賽車?yán)?，超級民用跑車也有涉及，例如奔馳CL55AMG。一副陶瓷制動碟，能用上30萬公里。奔馳SLR概念車就采用了陶瓷剎車盤。這種剎車盤不會因水浸而降低性能，而且減速非?？?，即使是像SLR這樣動力巨大的車，都被它管束得服服帖帖，而且剎車過程還很均勻，絕不突然，讓人有理由相信這種新技術(shù)前景廣闊。保時捷的陶瓷制動系統(tǒng),其制動碟表面的摩擦系數(shù)在制動初段比鑄鐵高25%,這樣在急剎車時，車子無需額外的制動輔助技術(shù)，單靠制動器便能迅速提供充足的制動力。陶瓷制動器采用6活塞的制動卡鉗,在活塞與制動片之間，裝有陶瓷隔熱體，用以防止制動時產(chǎn)生的高熱傳入液壓組件和制動液，這套剎車系統(tǒng)更可以在800e高溫下正常工作。陶瓷剎車片作為摩擦材料中的一個新品種，具有無噪聲、無落灰、不腐蝕輪轂、使用壽命長、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而中國的剎車片行業(yè)主流企業(yè)也都具備了陶瓷剎車片的自主研發(fā)能力。陶瓷剎車片作為目前市場上公認(rèn)的中高端產(chǎn)品，畢竟成為未來剎車片的發(fā)展方向。作為制動系統(tǒng)的新寵,陶瓷剎車片擁有廣闊的發(fā)展空間。陶瓷剎車片具有無噪聲、不腐蝕輪轂、耐用、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。日本和北美汽車市場現(xiàn)在使用非常廣泛，歐洲新車型也開始裝配陶瓷剎車片。國際市場對陶瓷摩擦材料的認(rèn)可，加速了我國對陶瓷剎車片的研發(fā)。目前，國內(nèi)主流剎車片企業(yè)已經(jīng)具備了中高端陶瓷剎車片的自主研發(fā)與生產(chǎn)能力，并已為國外一些大汽車制造商配套，逐步進(jìn)入國外中高端市場。但是，國內(nèi)市場尚未得到很好的開發(fā)。原因在于首先陶瓷摩擦材料價格高，主機(jī)廠很難接受。其次國外對噪聲、環(huán)保要求較高，陶瓷摩擦材料因其無噪聲、耐用、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在國外備受青睞,而國內(nèi)沒有這方面的要求，消費(fèi)者這方面的意識也比較欠缺。國內(nèi)汽車剎車片的發(fā)展還停留在注重制動效果與安全性的階段，沒有發(fā)展到注重舒適性、環(huán)保性的階段。陶瓷剎車片雖然短期內(nèi)不太可能替代傳統(tǒng)剎車片，但現(xiàn)代汽車正朝著高性能、高速度、安全舒適等方向發(fā)展,這就要求作為汽車重要組成部分的制動系統(tǒng)必須安全可靠，同時必須不斷開發(fā)新的剎車材料以滿足更嚴(yán)格的要求，陶瓷剎車片必然成為今后的一個發(fā)展趨勢。9車用陶瓷軸承滾動軸承是現(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，對整臺機(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)25億只滾動軸承，幾乎每一臺機(jī)器設(shè)備都要使用滾動軸承。滾動軸承較之滑動軸承具有摩擦系數(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,陶瓷材料在滾動軸承中的應(yīng)用開辟了軸承材料的新天地。目前，這種陶瓷滾動軸承已經(jīng)問世。陶瓷滾動軸承具有下列優(yōu)點(diǎn):陶瓷的耐蝕性好，所以陶瓷滾動軸承適合于在有腐蝕性介質(zhì)的惡劣環(huán)境中工作;陶瓷滾動體的密度比鋼低，轉(zhuǎn)動時對外圈的離心作用力可降低40%,故使用壽命長;陶瓷的熱膨脹系數(shù)比鋼小,在軸承的間隙一定時，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體對套圈的應(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,這些無疑擴(kuò)展了傳統(tǒng)鋼制軸承的使用范圍。陶瓷滾動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。日本已開發(fā)成功在高溫下采用固體潤滑劑的陶瓷滾動軸承，以及用液體或油脂潤滑的鋼)陶瓷組合滾動軸承或全陶瓷滾動軸承。目前，陶瓷滾動軸承已應(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)動機(jī)等。陶瓷材料的應(yīng)用是滾動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。對于車用軸承的材料要求,伴隨著汽車向高速化發(fā)展，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度要求越來越高，其對材料的要求也越來越高。目前,陶