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陶瓷在汽车上的应用现状
陈小林
09车3 *** 摘要：近年来非金属材料在汽车上运用越来越多，其中，陶瓷材料越来越引起重视和研究，运用也越来越多，本文将介绍陶瓷在汽车上的应用状况！关键词：
陶瓷
刹车片
传感器
发动机
引言：陶瓷是古老而又新型的材料，通常分为传统陶瓷和特种陶瓷两大类。传统陶瓷以天然硅酸盐矿物为原料烧制而成，也叫硅酸盐陶瓷。与之相区别，人们将近代发展起来的各种陶瓷总称为特种陶瓷，也称为新型陶瓷、高技术陶瓷或精细陶瓷。特种陶瓷以精制高纯的化工产品为原料，在化学组成、内部结构、性能和使用效能等各方面均不同于传统陶瓷。特种陶瓷具有各种优异、独特的性能，应用在汽车上，对减轻车辆自身质量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易损件寿命、完善汽车智能性功能都具有积极意义。在汽车上很早以前就在火花塞、窗玻璃、水泵的机械式密封中使用了陶瓷。而且作为排放对策，触媒载体、氧传感器、爆震传感器等功能陶瓷相继出现。目前，已有许多发动机零件采用结构陶瓷制造，不久的将来，陶瓷发动机将会出现。本文将介绍陶瓷在汽车刹车片、传感器、发动机上的应用！
1、陶瓷在汽车刹车片上的应用：制动系统是汽车的关键部件之一，而刹车片的综合性能直接影响到制动系统的稳定性和可靠性。汽车高速化要求越来越高，相应对制动摩擦材料以及结构也提出了更加苛刻的要求。目前国内已应用的摩擦材料中，无一能全面综合满足新的要求，因此导致一些赛车、进口车主要依靠进口来维持，这一状况己严重制约了汽车的制动性能乃至我国汽车业的高速发展。因此尽快研制开发新型摩擦材料已成为摩擦材料业的当务之急。由于现在汽车制动系统主要使用的半金属摩擦材料和无石棉摩擦材料刹车片存在噪音、振动、磨损率高、使用寿命短等问题，而可替代的碳／碳复合摩擦材料虽然性能优异，但其成本较高，通常只是在飞机上使用。而陶瓷材料具有比重小、熔点高、硬度大、化学稳定性好和耐腐蚀等优点，已被广泛地使用在摩擦材料上。因此，开发摩擦性能稳定、磨损率低、使用寿命长、无噪音和振动的新型陶瓷摩擦材料已经成为现在摩擦材料研究的一个热门领域。
(1)陶瓷刹车片是摩擦材料中的新品种，最初由日本刹车片企业于上世纪90 年代研制成功。陶瓷刹车片是由陶瓷纤维、不含铁的填料物质、胶黏剂和少量的金属所组成的，具有无噪音、无落灰、不腐蚀轮毂、使用寿命长、环保等优点。
(2)国内外汽车陶瓷摩擦材料的研究现状陶瓷作为摩擦学构件的研究和应用已成为当前国际摩擦学研究的前沿课题。目前，陶瓷摩擦学研究主要集中在Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3 等少数几种陶瓷上。而国内外陶瓷摩擦材料的研究主要有C/C-SiC 复合摩擦材料和Al2O3 基陶瓷摩擦材料。
(2).1 C/C-SiC 复合摩擦材料陶瓷基摩擦材料的典型代表是C/C-SiC 复合材料，即碳纤维增强碳化硅基体的C/SiC 复合材料。德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究 人员对C/C-SiC 复合材料应用于摩擦领域进行了研究，并研制出C/C-SiC 刹车片应用于保时捷轿车中，美国橡树岭国家实验室与Honeywell Advnanced composites公司HoneywellAireratf Lnading Systems 公司、Honeywell Commercial Vehicle systems 公司合作，正在研制低成本的C/SiC 复合材料刹车片，替代用于载重汽车的铸铁和铸钢刹车片。德国宇航院(DLR)的Walter Krekel 等人研究了C/C-SiC 复合摩擦材料的结构、制备及摩擦磨损等性能。他们先采用ZD 碳布叠层的方法制备C/C-SiC 摩阻材料，这种材料的特点是各向异性，即力学性能、热物理性能等在平行于碳布和垂直于碳布的方向上差异很大。由于 成本太高及轴向热导率太低造成摩擦性能的不稳定，发现它不适合用于制造刹车盘与刹车片。通过选取合适的纤维含量进行改进，Kreknel 采用反应熔体浸渗法工艺成功制备了不同种的C/C-SiC 刹车盘。同时他们认为对于汽车应用来说，采取碳布作为预制体是生产高性能刹车片的最佳选择，采用短碳纤维预制体加之合适的模压工艺是以后大批量生产C/C-SIC 刹车盘最有前途的一种方法。
(2).2 氧化铝基摩擦材料Al2O3 陶瓷价格低廉, 具有高弹性模量, 较好的耐磨性, 化学稳定性, 高温稳定和力学稳定等性能，是目前应用最广的结构陶瓷及功能陶瓷材料，近年来，开发以Al2O3 陶瓷为基体的摩擦材料己开始引起人们的关注。国外对于Al2O3 陶瓷作为摩擦材料的摩擦性能已有研究。L.Esposito 等人对低纯Al2O3 陶瓷的摩擦和磨损性能进行了研究。Scott L.McCOY 提到Al2O3 陶瓷由于它的来源低廉，高硬度及简单的操作工艺而被最常选为制动材料。K．Poser 等人在工业单晶Al2O3 表面嵌入TiN 粒子，研究了其在干摩擦条件下的性能。V.Ucar 和A.Miaroglu等人分别在Al2O3 陶瓷中添加SiO2/Mno2 和Cr2O3/SiO2 对他们的摩擦性能进行研究。Antonella Tucci 则研究了滑动系统中摩擦表面的第二相和物质转移。国内陈志刚、陈晓虎、刘苏等人先后以Al2O3 为基材通过添加不同种类的润滑组元研究了陶瓷基摩擦材料的组织组成、力学性能和摩擦磨损特性，为开发适于重载高速下使用的新型陶瓷摩阻材料提供科学依据。邓建新研究了Al2O3，Al2O3/TiB2 和Al2O3/TiB2/SiCW 在25 ℃ 到900 ℃ 时与合金滑动摩擦时的摩擦磨损特性。李雪源对增韧Al2O3 陶瓷与钢在无润滑条件下对磨的摩擦学性能进行了研究[6]。(3)关键的技术问题
目前，汽车陶瓷摩擦材料需要改进的几项关键技术问题:(3)、1 提高摩擦材料用粘结剂(树脂及橡胶)的性能与质量(如热分解温度高、热量损失小、游离酚含量低、软化点高、粒度细、韧性好等)，积极开发摩擦材料用新型 树脂;(3)、2 提高摩擦材料的热传导性，以加快摩擦热的传递，防止摩擦材料分解导致的性能降低;(3)、3 积极开发轻质和性能优越的多孔填料，以减小制品密度，降低制动噪声;(3)、4 提高粉碎、混料、热压及热处理(固化)等关键工艺设备水平，完善工艺操作和质量检测及控制手段，确保产品大批量生产质量的稳定性;(3)、5 减少摩擦片诱发制动噪声;(3)、6 提高制动摩擦片安全制动的剪切强度、耐压强度等。
（4）我国汽车陶瓷刹车片的现状及发展前景陶瓷刹车片具有无噪声、不腐蚀轮毂、耐用、环保等优点。日本和北美汽车市场现在使用非常广泛，欧洲新车型也开始装配陶瓷刹车片。国际市场对陶瓷摩擦材料的认可，加速了我国对陶瓷刹车片的研发。目前，国内主流刹车片企业已经具备了中高端陶瓷刹车片的自主研发与生产能力，并已为国外一些大汽车制造商配套，逐步进入国外中高端市场。但是，国内市场尚未得到很好的开发。原因在于首先陶瓷摩擦材料价格高，主机厂很难接受。其次国外对噪声、环保要求较高，陶瓷摩擦材料因其无噪声、耐用、环保等优点在国外备受青睐，而国内没有这方面的要求，消费者这方面的意识也比较欠缺。国内汽车刹车片的发展还停留在注重制动效果与安全性的阶段，没有发展到注重舒适性、环保性的阶段。陶瓷刹车片虽然短期内不太可能替代传统刹车片，但现代汽车正朝着高性能、高速度、安全舒适等方向发展，这就要求作为汽车重要组成部分的制动系统必须安全可靠，同时必须不断开发新的刹车材料以满足更严格的要 求，陶瓷刹车片必然成为今后的一个发展趋势。（4）展 望
新型汽车陶瓷刹车片，特别是耐高温、低噪音、无金属、无纤维刹车片的研究并进一步研制成功，可望会改变我国现有刹车片的应用状况，将具有非常重要的社会意义、经济意义和良好的发展前景，同时其深入的理论研究将具有重大的科学意义和理论价值。
2、陶瓷在汽车传感器上的应用：（1）、陶瓷传感器的简介：
车用传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电 子技术领域研究的核心内容之一。汽车电子化和自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大，因此，国内外都将车用传感器技术列为重点发展的高新技术。目前，电子零部件在平均每辆 高档车零部件成本中占有30％的比率，汽车传感器多达上百至数百只，以往安装在豪华、高档车或专用车辆上的先进传感器，现也纷纷落户在中、低档车上，陶瓷传感器就是其产品 之一。陶瓷是一种包含三种物相（单晶相、玻璃相、气相）的多相系统。陶瓷传感器采用标 准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶-凝胶等）生产，完成适当的预备性操作之后，已成 形的元件在高温中进行烧结。其工作过程主要是作用在陶瓷基片和测量膜片上的差压引起电 容极板间电容值的变化并由位于陶瓷基片上的电极进行检测。（2）、陶瓷传感器的五大应用
（2）、1．检测汽车温度：
一辆汽车检测温度一般需用10 余只陶瓷温度传感器。例如，发动机电喷系统需要连续精确地测量冷却水温度、进气温度、排气温度的传感器，以便根据温度变化修正或补偿燃油喷射量，改变怠速转速控制目标值等，获得最佳空燃比；负温度系数NTC 热敏电阻的温度特性为一种指数函数，随温度升高电阻值减小，有负温度特性、灵敏度高、价格便宜等特点，常用作检测冷却水和进气以及机油温度传感器；NTC 热敏电阻由Mn、Cu、Ni、Fe 等过渡金属氧化物配方，经陶瓷烧结工艺制作，按配方的不同，主要分为二元系、三元系、四元系等材料。工作温度范围在-200℃～130℃的NTC 用于水温进气温度的检测，其结构是将NTC电阻装配在螺栓型金属外壳内，与电控单元的电阻串联。另一类以BaTiO3 为主要材料，与金属氧化物混合烧结制成的正温度系数PTC 热敏电阻，则用作汽车的液面水平传感器或低温启动加热元件。
（2）、2．检测汽车尾气
利用固体电解质气敏陶瓷材料，研制出用于汽车尾气监测的氧传感器，测定尾气排放中的氧浓度来检测发动机空燃比，除可节省燃油外，还能减少CO、NO2 等有害气体的排放量。ZrO2氧传感器因灵敏度高、可靠性好，在汽车的实际应用中大多数采用这种类型，其主要结构由产生电动势的U 形ZrO2 电解质敏感管以及起电极作用的衬套、电阻加热器、有废气进口的防护外壳、多孔陶瓷帽组成。ZrO2 管的内外表面涂覆有薄薄一层R，Pt 既作电极又具有电动势放大作用，以及R 涂覆在ZrO2 管上的催化作用，外电极是测量电极，内电极是参比电极。气体通过多孔陶瓷帽（扩散障）的气量小，排气温度低时，由电控单元给电阻加热器通电加热，保证氧传感器正常工作。ZrO 氧传感器安装在歧管或前排气管内，在400℃高温下，敏感管内外面存在氧浓度差时就会产生电动热，提供0～1V 的反馈信号，通过检测废气中的氧压比，非常适于空燃比的控制。按工作原理，可分为浓差电池型和电化学泵的极限电流型氧传感器，这两种结构类似，制造工艺相似，分别适宜理论空燃比和稀薄燃烧系统空燃比的控制。此外，TiO2、Nb2O5 和CeO2 等氧化物陶瓷氧传感器、薄膜和厚膜型氧传感器的研发及在汽车中的应用开发也在积极深入开展。汽车采用柴油发动机作动力时，除氧传感器外，用氮氧化物NOx 传感器进一步改善燃烧状态和废气再处理也是十分重要的。利用溅射法在氧化铝基板上形成约100μm 厚的ZnO 及SnO2 薄膜，然后加上电极，并在基板内侧装上加热器，构成NOx 传感器。NOx 在薄膜表面上吸附负电荷，NOx 浓度增加时，薄膜电阻增大，在3～15s 内即可检测出废气中的NOx浓度，灵敏度为5～800ppm。
（3）3．检测汽缸工作状态
基于压阻效应的压电陶瓷可以监测汽缸工作的状态。压电陶瓷爆震传感器由压电陶瓷振子、金属片、密封垫、金属外壳等构成。压电振子产生的电荷与发动机气缸发生的振动成正比，所产生的电压经屏蔽线进入电控单元，由此检测出7kHz 左右振动所产生的电压，电控单元根据这一电压的大小判断爆震强度，及时修正或相应推迟点火提前角消除爆震，使发动机在接近爆震、热效率最高、燃料消耗量最少的点火时刻工作，实现无爆震工作状态，保证发动机以最大可能的功率与经济指标运转。
（4）4．指导汽车安全驾驶
基于压阻效应的超声波传感器用作汽车倒车防撞报警装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。超声波传感器通常由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成，具有水平方向特性宽，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用钡钛酸铅PZT 压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，即在压电陶瓷上加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于压电陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算能显示出车与障碍物的距离与危险相撞时及时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。为获得高的发射效率和接收灵敏度，发射接收全并在一起的自发圆盘弯曲振动换能器的超声波传感器是目前市场上的主流产品，具有很高的发射效率与接收灵敏度以及尖锐的指向性。超声波有一定的探测角度和范围，欲覆盖汽车后部整个区域，窄体车辆需装用2 只超声波传感器，而宽体车辆则需安装4 只或更多。陶瓷加速度传感器可用于汽车安全气囊系统，利用碰撞惯性形成的惯性力会在压电陶瓷体内产生剪切力作用，由此发生与加速度成正比的电荷及电压，高精度、可靠，能快速分辨碰撞实况。将两枚压电陶瓷片通过内部的共同电极串联粘接起来，形成二极结构，安装在运动方向上并形成悬臂梁，并与外围电路厚膜集成制作在一个外壳内。用于检测汽车瞬间的低速或高速碰撞强度，转换成电信号输出，满足诊断控制多种算法要求，确保碰撞强度大时，安全气囊准确及时开启，提高汽车安全性能。
(4)5．检测汽车湿度
湿敏陶瓷的特点是测湿范围宽，响应时间较快，生产工艺较简单，是汽车湿度传感器的主要材料。适用于车窗玻璃防霜、结露和发动机化油器进气部分空气湿度的检测。湿度传感器的内部装有用金属氧化物系列陶瓷材料制成的多孔烧结体，利用烧结体表面对水分子的吸附作用来敏感湿度，其灵敏度取决于材料的气孔率及孔径，感湿特征量为电阻，呈负的湿敏特性。当烧结体吸附了水分子时，其电阻值会发生变化，由镀覆电极输出，湿度增加时阻值减少，相对湿度从0 变化为100％RH 时，传感器的电阻值将有数千倍的变化，由此检测出湿度变化。
(3)、陶瓷传感器的发展趋势
陶瓷传感器已有四十多年的历史。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和震 动的材料。陶瓷的热稳定性及厚膜电阻可以使它工作温度范围高达-40℃～125℃，而且具有 测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2KV，输出信号强，长期稳定性好。高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家陶瓷传感器有全面替 代其它类型传感器的趋势，在中国也有越来越多的用户使用替代扩散硅压力传感器。总之，随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，汽车传感器市场需求将保持高速 增长，高稳定性、高精度、长寿命、无线化、集成化和网络化的传感器将逐步取代传统的传 感器，成为车用传感器的主流。3 陶瓷在发动机上的应用:（1）气门挺杆
日本五十铃汽车公司在柴油机上试验过氮化硅陶瓷挺杆，其关键技术在于将陶瓷片直接钎焊在钢挺杆体上的结构和工艺。福特公司已将喷射形成的陶瓷挺杆用于V8 发动机上。（2）气门
氮化硅陶瓷气门比钢质气门轻，有一定节油效果，并能减少有害物排放。硅粉直接氮化得到Si3N4，成本较低。德国采用冷挤压法生产氮化硅陶瓷气门。（3）气门加热技术
为使汽车发动机起动时完全燃烧，在其吸气侧安装了加热装置即气门加热器，以加热吸气，使燃料蒸发混合完全。吸气加热时，为控制好温度、提高装置的可靠性，用钛酸钡瓷系PTC（热敏电阻）制做气门加热器，使发动机一经发动即处于完全燃烧状态，从而发挥提高热效率、节能及净化排气等功效。（4）活塞。
用氮化硅陶瓷制造的陶瓷纤维活塞，耐磨性好，可以有效防止铝合金活塞由于热膨胀系数大而产生的“冷敲热拉”现象。直喷式柴油机活塞的陶瓷紊流圈利用了陶瓷材料的耐高温性能。从热效率、排放与噪声等方面综合考虑，带缩口或紊流圈的凹坑活塞比敞口凹坑活塞更有优越性。另外，热负荷的增加，使活塞材料的温度大约升高5" 6，所产生的附加热应力会使铝活塞的耐久性发生问题，而镶入一个陶瓷圈会得到较好的效果。（5）绝热发动机
为提高发动机的热效率，利用陶瓷耐热、耐磨、耐腐蚀、热膨胀系数小的特点，可以制造陶瓷绝热发动机。日本日野汽车公司开发了陶瓷发动机，该机气缸套、活塞、气门等40%的燃烧室零件用陶瓷材料制成，取消了散热器和冷却装置，提高功率10%，降低燃烧消耗30%!（6）陶瓷在柴油机微粒过滤器中的应用 陶瓷可用于柴油机微粒过滤器中，材料是镁铝硅酸盐，与作为汽油机催化反应器载体的材料相似。加工时妥善地选择材料的多孔度，可使滤清效率高达90%以上。过滤器再生温度高达01300，如果用金属过滤器，需要用耐热钢。此外，陶瓷过滤器还可以降低成本。（7）陶瓷在汽车催化转化器载体上的应用
在汽车催化转化器中，采用堇青石质蜂窝陶瓷作为催化剂载体，蜂窝型陶瓷载体呈多孔、质
2薄型结构，材料强度为100N/mm。堇青石耐高温、强度高、热膨胀系数低、体积质量小，适宜催化剂载体的环境。
4综上所述：陶瓷材料在汽车上的应用越来越多，其优点不言而喻。只是很多特殊陶瓷材料还有待研究目前，特种陶瓷在汽车上的应用并不广泛，其中的主要原因是如下：（1）制造工艺复杂、要求高。
（2）因特种陶瓷对原材料要求比较严格、工艺难
以掌握，使得各批制品的性能难以保持均匀一致。
（3）成本较高。
（4）可加工性差、脆性大、使用可靠性差。
随着科学技术的飞速发展，在未来的汽车制造业中，将会有更多的特种陶瓷、智能陶瓷制品被引入与采用到汽车上，而且一定会在汽车生产中得到广泛的应用。
参考文献：［1］ 李尹熙1汽车用非金属材料［M］北京：北京理工大学出版社，1999 ［2］ 王培铭1无机非金属材料学［M］上海：同济大学出版社，1999 ［3］ 金志浩1工程陶瓷材料［M］西安：西安交通大学出版社，2000 ［4］ 肖永清，杨忠敏1汽车的发展与未来［M］1北京：化学工业 出版社，2004 [5] 韩翎.陶瓷摩擦材料配方的优化(D).北京: 北京化工大学硕士学位论文,2006 [6] [盛钢，马保吉.制动摩擦材料研究的现状与发展[J].西安工业学院学报，2000，20（1）：127 [7] 王海庆, 孙玉璞, 戈春刚等.碳纤维刹车片[J].重型汽车,1996(2):21
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