中國粉體網(wǎng)訊 一代材料,，一代產(chǎn)業(yè),。在汽車工業(yè)中，材料就是一切,，材料的革新往往會推動汽車行業(yè)的大跨步發(fā)展,。如今，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對汽車環(huán)保性,、節(jié)能性,、安全性以及舒適性的要求越來越高，汽車用材料也在不斷地發(fā)生變化,。
例如,，數(shù)十年前的汽車，幾乎皆以形形色色的鋼鐵打造。其中只有少數(shù)零件采用塑料或木材,。然而如今汽車工業(yè)在材料應(yīng)用上卻有很大的轉(zhuǎn)變,，鋁材等輕質(zhì)新材料大行其道，各種合成材料層出不窮,。更輕,、更強(qiáng)的材料相繼問世，勢必為汽車的“鐵器時代”劃上句號,。
先進(jìn)陶瓷與金屬材料,、高分子材料并稱為“三大固體材料”，具有優(yōu)異的力學(xué),、聲,、光、熱,、電,、生物等特性，在汽車產(chǎn)業(yè)中有重要的應(yīng)用,。尤其在如今的電動化浪潮下,，汽車的系統(tǒng)設(shè)計發(fā)生了翻天覆地的變化，各大總成及零部件也在同步變革,，先進(jìn)陶瓷的一小步有可能引領(lǐng)當(dāng)今汽車工業(yè)向前一大步,，例如，氮化硅陶瓷基板推動了第三代半導(dǎo)體加速上車,，同時氮化硅陶瓷軸承的應(yīng)用也直接突破了耐久性,、高轉(zhuǎn)速、電腐蝕的限制,。
傳統(tǒng)燃油車時代
發(fā)動機(jī)
陶瓷材料具有耐熱,、耐磨、耐腐蝕,、低密度,、強(qiáng)隔熱性多種優(yōu)點(diǎn)，將陶瓷材料用在制備陶瓷絕熱發(fā)動機(jī)上,，會很好地防止氣缸內(nèi)部熱能的損失,。陶瓷的密度雖然沒有鋁材那么低，但比鋼材要低不少,，密度更低意味著發(fā)動機(jī)可以減輕重量,，結(jié)合散熱系統(tǒng)簡化所減輕的重量，陶瓷發(fā)動機(jī)的重量可以做得比金屬發(fā)動機(jī)更輕巧,。其中主要的陶瓷零部件有以下幾種,。
1,、發(fā)動機(jī)心
為了提高發(fā)動機(jī)熱效率、節(jié)約能源,，可利用陶瓷材料的耐熱,、耐磨、耐腐蝕,、高彈性模量(低膨脹系數(shù)）,、低密度、隔熱性好等特點(diǎn)制作陶瓷絕熱發(fā)動機(jī)心,，這樣既可防止汽缸內(nèi)熱能損失,，又簡化了發(fā)動機(jī)的總體構(gòu)造，降低了發(fā)動機(jī)重量,。
圖片來源：Pexels
2,、活塞環(huán)
活塞環(huán)是防止燃燒室內(nèi)氣體泄漏到曲軸箱的裝置。傳統(tǒng)的活塞環(huán)通常使用鑄鐵或鋼質(zhì)材料制造,，但由于高溫和高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境,，這些材料容易出現(xiàn)磨損和變形等問題。因此,，一些汽車制造商開始采用高性能陶瓷材料制造活塞環(huán),，以提高其耐磨和耐高溫性能。
3,、陶瓷氣缸套
陶瓷氣缸套可以分成以下的形式：第一種是在汽缸套內(nèi)表面全部由陶瓷材料覆蓋,，日本小松發(fā)動機(jī)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(jìn)行復(fù)合制備,，從而將一個全陶瓷缸套制作出來。
4,、陶瓷配氣機(jī)構(gòu)
利用陶瓷材料低密度,、耐熱和耐磨的特點(diǎn),，用陶瓷材料制造氣門,、氣門座、挺柱,、氣門彈簧和搖臂,，可以減少氣門座的變形和落座時的彈跳，降低噪聲與振動,，延長使用壽命,。
陶瓷傳感器
在現(xiàn)代汽車上，電子零部件平均在每輛高檔車零部件成本中占有30%的比率,，汽車傳感器多達(dá)百至數(shù)百個,，以往安裝在豪華,、高檔車或?qū)Ｓ密囕v上的先進(jìn)傳感器，現(xiàn)也紛紛落戶在中,、低檔車上,。
應(yīng)用于汽車的陶瓷傳感器材料有熱敏陶瓷、氣敏陶瓷,、壓電陶瓷,、濕敏陶瓷和厚膜力敏陶瓷等。
尾氣處理—蜂窩陶瓷
“雙碳”背景下,，我國制定了一系列機(jī)動車污染物排放法規(guī),，控制標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，推動尾氣處理技術(shù)路線不斷升級,，產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格不斷提高,。2021年7月，堪稱全球最嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)的國六標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施,，距離國六實(shí)施半年后,，我國又印發(fā)《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，提出要全面實(shí)施汽車國六排放標(biāo)準(zhǔn)和非道路移動柴油機(jī)械國四排放標(biāo)準(zhǔn),，基本淘汰國三及以下排放標(biāo)準(zhǔn)汽車,。
蜂窩陶瓷載體是一種具有高目數(shù)、大比表面積,、高抗壓強(qiáng)度,、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異抗熱沖擊性能的陶瓷載體,，常用堇青石和碳化硅材質(zhì),，廣泛應(yīng)用于車用尾氣凈化處理的催化轉(zhuǎn)化器，對汽車排放廢氣中的有害氣體進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化,、固態(tài)顆粒物進(jìn)行過濾攔截,，滿足日趨嚴(yán)苛的排放法規(guī)。
陶瓷涂層
目前陶瓷涂層技術(shù)已在汽車及其他許多領(lǐng)域中成功應(yīng)用,，發(fā)揮越來越重要的作用,，其技術(shù)的開發(fā)有著非常廣闊的前景。例如熱噴涂納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層具有十分優(yōu)異的強(qiáng)韌性能,、耐磨抗蝕性能和抗熱震性能,，可應(yīng)用于汽車的各種機(jī)械零部件。諸如活塞,、活塞環(huán),、汽缸體、閥桿,、液壓支柱,、軸瓦,、銷子、凸輪,、凸桿,、渦輪機(jī)部件等。
除以上外,，傳統(tǒng)汽車上應(yīng)用特種陶瓷材料制成的元件還有利用陶瓷絕緣性制成的陶瓷加熱器,、利用陶瓷高溫高強(qiáng)度制成的轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)化器,、熱交換器,、發(fā)熱元件接頭和渦輪充電機(jī)以及燃?xì)鉁u輪機(jī)上的渦輪葉輪等零部件。
新能源汽車時代
當(dāng)前,，汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入百年一遇的大變革時期,，汽車電動化正成為新的發(fā)展潮流和趨勢。電動化浪潮下汽車的各大系統(tǒng)設(shè)計均發(fā)生了翻天覆地的變化,，不僅發(fā)動機(jī)變速箱等這些大總成正經(jīng)歷一場變革,，其零部件材料及設(shè)計的新舊更替也在迅速刷新著整條產(chǎn)業(yè)鏈。
目前來看,，先進(jìn)陶瓷材料憑借特殊性能優(yōu)勢正在加速“上車”,。從軸承、剎車片,、基板,、電容器、繼電器等零部件,，到汽車零部件的高效切削加工,，先進(jìn)陶瓷材料的優(yōu)勢在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮得淋漓盡致。
陶瓷基板
在電動汽車中,，大功率封裝器件在調(diào)控汽車速度和儲存-轉(zhuǎn)換交流和直流上發(fā)揮著決定性作用,。而高頻率的熱循環(huán)對電子封裝的散熱提出了嚴(yán)格的要求，同時工作環(huán)境的復(fù)雜性和多元性需要封裝材料具有較好的抗熱震性和高強(qiáng)度來起到支撐作用,。
氮化硅基板,，圖片來源：正天新材
近年來已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用較為廣泛的陶瓷基板主要有：Al2O3,、BeO,、SiC,、Si3N4,、AlN等。其中氮化硅是國內(nèi)外公認(rèn)兼具高導(dǎo)熱,、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料,。同時,，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩(wěn)定,。這使Si3N4成為第3代SiC半導(dǎo)體功率器件高導(dǎo)熱基板材料的首選,。
陶瓷軸承
電動化浪潮下，軸承作為一個小零部件其設(shè)計和供應(yīng)鏈也在持續(xù)變革,。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為電動汽車發(fā)展對軸承行業(yè)的挑戰(zhàn)主要呈現(xiàn)在以下幾個方面：
首先是高轉(zhuǎn)速�,，F(xiàn)今，新能源汽車對電機(jī)轉(zhuǎn)速提出越來越高的要求,，目前比較常見的是20,000-25,000rpm,，這對軸承來說是比較苛刻的挑戰(zhàn)，這個挑戰(zhàn)來自耐久性能和極高轉(zhuǎn)速的限制,。與此同時,，扁線電機(jī)逐步成為技術(shù)趨勢，這在功率密度提升的同時,，也對軸承的潤滑和發(fā)熱都帶來了新的考驗(yàn),。
圖片來源：養(yǎng)貞軸承
其次是低噪音。低噪音振動是電動汽車用戶體驗(yàn)良好的關(guān)鍵,，然而電機(jī)的高轉(zhuǎn)速趨勢給整機(jī)的NVH帶來了不小的挑戰(zhàn),，而軸承是NVH控制的關(guān)鍵因素之一。
再者,，電腐蝕問題也在電機(jī)發(fā)展的過程中如影隨形,。在傳統(tǒng)400V電驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)，鋼球軸承電腐蝕已經(jīng)非常普遍,；而在800V高壓系統(tǒng)中,，隨著SiC基材逆變器被大規(guī)模使用，高壓和高開關(guān)頻率會進(jìn)一步加劇電腐蝕的發(fā)生,。
還有一點(diǎn)是電機(jī)輕量化帶來的挑戰(zhàn),。在新的設(shè)計中，軸承的使用數(shù)量越來越少,、設(shè)計越來越緊湊,，這對軸承的輕量化及耐久性提出了更高要求。
陶瓷材料尤其是氮化硅陶瓷軸承因其材料具有輕量化,、高硬度,、高強(qiáng)度、低摩擦,、高耐熱性,、電絕緣性優(yōu)良以及壽命長等優(yōu)勢，被認(rèn)為是制造汽車軸承的最佳材料,。
MLCC
片式多層陶瓷電容（MLCC）被稱為“電子工業(yè)大米”,，是全球用量最大的被動電子元件之一,，幾乎所有消費(fèi)電子都要用到MLCC元器件。
MLCC在傳統(tǒng)的燃油車中也有大量的應(yīng)用,， 但目前,，汽車“新四化”（電動化、智能化,、網(wǎng)聯(lián)化,、共享化）正成為新的發(fā)展潮流和趨勢，MLCC又找到了更加滋潤的土壤,。汽車電動化,、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的功能，都是通過各種電子元器件組成的功能模塊實(shí)現(xiàn)的,，作為通用的基礎(chǔ)元件,，MLCC是使用數(shù)量最多的被動元件之一。
不同車型對MLCC的需求量
電動化程度不同的車型,，對MLCC的需求量也有所不同,，其中一輛純電動汽車需要MLCC數(shù)量可達(dá)到18000顆。隨著汽車新四化潮流的不斷深入,，車規(guī)級MLCC需求日盛,。
碳陶剎車片
剎車材料經(jīng)歷了從石棉材料、半金屬材料,、粉末冶金材料到碳碳復(fù)合材料和碳陶復(fù)合材料的發(fā)展,。粉末冶金剎車材料存在高溫容易粘結(jié)、摩擦性能易衰退,，高溫強(qiáng)度下降顯著,，抗熱震能力差，使用壽命短等缺點(diǎn),；而C/C剎車材料存在靜態(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)低（濕態(tài)相對干態(tài)衰減約50%）,、熱庫體積大、抗氧化性能差,、生產(chǎn)周期長及生產(chǎn)成本高等問題,，制約了其進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。
碳陶復(fù)合剎車材料是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種以高強(qiáng)度C纖維為增強(qiáng)體,，以熱解C,、SiC等為基體的多相復(fù)合剎車材料，是在C/C復(fù)合剎車材料的基礎(chǔ)上,，引入具有優(yōu)異抗氧化性能的SiC陶瓷硬質(zhì)材料作為基體的一種剎車材料,，其既保持了C/C復(fù)合剎車材料密度低、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，又克服了C/C剎車材料靜摩擦系數(shù)低,、濕態(tài)衰減大,、摩擦壽命不足及環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn),，成為新一代剎車材料,。
動力電池
1、陶瓷隔膜
鋰離子電池主要由正極材料,、負(fù)極材料,、隔膜、電解液以及封裝材料等五部分組成,。隔膜是鋰離子電池材料中技術(shù)壁壘最高的部分,，其成本占比僅次于正極材料，約為10%~14%,，在一些高端電池中隔膜成本占比甚至達(dá)到20%,。
在高溫下，傳統(tǒng)隔膜會收縮或熔化,，從而引起內(nèi)部短路,，導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸。針對這種情況,，人們已經(jīng)采取了多種方法來提高隔膜的熱穩(wěn)定性,，在PP或者PE隔膜上涂覆一層無機(jī)陶瓷顆粒被認(rèn)為是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法,。目前常用的陶瓷材料包括α-氧化鋁,、勃姆石。
2,、電極添加材料
如今越來越多的陶瓷粉體被用于鋰離子電池正極材料,，例如，用高純氧化鋁進(jìn)行表面包覆鈷酸鋰（LiCoO2）,、錳酸鋰（LiMn2O4）,、磷酸鐵鋰（LiFePO4）、三元材料（Li-Ni-Co-Mn-O）等正極材料能有效提升正極材料的電化學(xué)性能,。同時,，越來越多的鋰電池設(shè)計方案開始使用納米復(fù)合氧化鋯粉體作為正極添加材料，用以穩(wěn)定電池性能,、增加循環(huán)壽命,。
陶瓷密封圈
密封圈正是位于電池蓋板之下，用于動力電池蓋板和極柱之間形成密封導(dǎo)電連接,，確保電池?fù)碛辛己玫拿芊庑�,，阻擋電解液的泄露，為電池�?nèi)部反應(yīng)供應(yīng)良好的密閉環(huán)境。同時在電池蓋板下壓時還能起到減壓緩沖用途,，保證電池內(nèi)部組件的正常運(yùn)行,，為電池的壽命和安全供應(yīng)重要保障。
目前,，大多數(shù)塑料或玻璃密封圈在壓力用途下,，會出現(xiàn)損毀失效，將會影響電池的使用壽命,。關(guān)于一些特殊性電池顯然達(dá)不到其要求,，這就需要一些其他材料的新型密封圈，陶瓷材料具有良好的耐酸堿,、抗腐蝕,，耐高溫等特性使其成為新的選擇，現(xiàn)在陶瓷密封圈也被越來越多的應(yīng)用于動力鋰電池行業(yè),。
陶瓷繼電器
電控技術(shù)是衡量新能源節(jié)能電動汽車發(fā)展水平的重要標(biāo)志,，高壓直流陶瓷繼電器是電控系統(tǒng)的核心元件。高壓直流真空繼電器,，在由金屬與陶瓷封接的真空腔體中,，陶瓷絕緣子滑動連接在動觸點(diǎn)組件與推動桿之間，使動觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)無論是在導(dǎo)通成斷開的任何狀態(tài)下都與繼電器的導(dǎo)磁軛鐵板,、鐵芯等零件構(gòu)成的磁路系統(tǒng)保持良好的電絕緣,，從而保證了繼電器在切換直流高電壓負(fù)載時的斷弧能力，電弧是汽車自燃的主要原因,。只有采用“無弧”接通分?jǐn)嗟睦^電器產(chǎn)品,，才是從根本上解決“自燃”問題的良方。
目前,，在國際上高壓直流繼電器只有日本松下,、美國TE公司及韓國知名公司可以生產(chǎn)，產(chǎn)品售價較高,。國內(nèi)企業(yè)在高壓繼電器的研發(fā),、生產(chǎn)領(lǐng)域尚處于起步階段。
陶瓷熔斷器
熔斷器是對電路進(jìn)行過電流保護(hù)的器件,。工作時,，熔斷器串接在電路中，負(fù)載電流流經(jīng)熔斷器,。當(dāng)電路發(fā)生短路或過載,，過電流的熱效應(yīng)使熔體熔化、氣化產(chǎn)生斷口,，斷口產(chǎn)生電弧,，熔斷器通過熄滅電弧切斷故障電路，起到電路保護(hù)的作用。
汽車用熔斷器分為低壓和高壓兩部分,，高壓保護(hù)主要適用于新能源汽車,，應(yīng)用電壓一般為 60VDC-1500VDC，主要是電力熔斷器（新能源汽車高壓熔斷器）對主回路和輔助回路進(jìn)行保護(hù),。隨著新能源車市進(jìn)入后補(bǔ)貼時代,，個人消費(fèi)需求推動新能源車的高壓平臺化，快充,、電機(jī),、功率器件等高壓領(lǐng)域?qū)τ诎踩囊蟛豢珊鲆�,，熔斷器在穩(wěn)定性以及過流反應(yīng)中的快速分?jǐn)嗄芰⒃谛履茉窜嚳焖僭鲩L下保持需求的高速提升,。
LED車燈—藍(lán)寶石襯底（高純氧化鋁）
2022年，受下游市場消費(fèi)需求萎縮的影響,，傳統(tǒng) LED 照明市場表現(xiàn)低迷,，而車用 LED 市場因新能源汽車?yán)瓌幽鎰萆蠐P(yáng)。
LED 襯底是藍(lán)寶石材料,，藍(lán)寶石襯底的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在器件穩(wěn)定,、制備技術(shù)成熟、不吸收可見光,、透光率較好,、價格適中等方面，有資料顯示全球80%的LED企業(yè)釆用藍(lán)寶石作為襯底材料,。制備藍(lán)寶石襯底的原料是高純氧化鋁,，這種氧化鋁需要具備較高的純度，且原料中的水分含量要求非常低,。
球形氧化鋁
在動力電池組裝中,，膠粘劑廣泛應(yīng)用于PACK密封、結(jié)構(gòu)粘接,、結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱,、電池灌封等方面，提供安全防護(hù),、輕量化設(shè)計,、熱管理等功能，為動力電池實(shí)現(xiàn)持久,、穩(wěn)定,、高效、安全的運(yùn)行起到了關(guān)鍵性作用,。電控方面,，IGBT模組與冷面之間的剛性界面需涂抹導(dǎo)熱硅脂，減少熱阻隔；在驅(qū)動電機(jī)內(nèi),，定子用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁性,，通常采用高導(dǎo)熱膠對定子進(jìn)行整體灌封。球形氧化鋁作為一種熱界面材料在以上三個方面均有重要應(yīng)用,。
小結(jié)
除了上面列舉的陶瓷材料,，還有很多陶瓷粉體或制品沒有直接上車，但在汽車零部件的生產(chǎn)中卻發(fā)揮著重要作用,。例如,，在鋰電池正極材料的燒結(jié)過程中，推板,、匣缽,、輥棒等陶瓷窯具必不可少；金屬零部件的切削加工需要陶瓷刀具來完成,；另外在汽車鋁合金輪低壓鑄造中,，澆口套、澆口杯,、流槽,、吸液管和除氣桿等關(guān)鍵部件均為陶瓷制品，發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。
參考來源：
[1]周錫文.陶瓷材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用探究
[2]吳玉宏.陶瓷材料在汽車上的應(yīng)用
[3]李婷.車用陶瓷材料的簡述及其應(yīng)用
[4]中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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