中國(guó)粉體網(wǎng)訊 鑒于碳排放標(biāo)準(zhǔn)日益趨嚴(yán),，汽車(chē)輕量化已成為全球汽車(chē)工業(yè)的一致目標(biāo)。根據(jù)歐洲汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)的研究,，汽車(chē)質(zhì)量每下降100公斤,，百公里油耗可下降0.4L，碳排放大約可以減少1公斤,。美國(guó)能源部數(shù)據(jù)亦顯示,，汽車(chē)重量每下降10%，則其燃料消耗降低6%-8%,，若汽車(chē)的傳統(tǒng)鋼鐵部件被輕量化材料替代,，則汽車(chē)車(chē)身及底盤(pán)的重量可降低50%，相應(yīng)碳排放亦會(huì)降低,。因此,，汽車(chē)輕量化能夠有效降低碳排放。
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相比于傳統(tǒng)汽油車(chē)領(lǐng)域,，汽車(chē)輕量化對(duì)于節(jié)能與新能源汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展更為關(guān)鍵,。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)2020年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》，汽車(chē)輕量化是新能源汽車(chē),、節(jié)能汽車(chē)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的共性基礎(chǔ)技術(shù),，是我國(guó)節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)的未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向。
鋁合金材料由于具有輕量化,、易成型,、高強(qiáng)度、耐腐蝕,、價(jià)格低于鎂合金及碳纖維增強(qiáng)材料等優(yōu)點(diǎn),。在目前汽車(chē)工業(yè)追求節(jié)能,、綠色、環(huán)保的大環(huán)境下,，“以鋁代鋼”是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化一條明路,。
當(dāng)然,，任何材料都不是完美的,，單純的使用鋁及合金材料有時(shí)并不盡如人意。例如,，當(dāng)我們想用鋁合金做成剎車(chē)盤(pán)時(shí),，其相對(duì)較差的摩擦磨損性能則令人很不“放心”；當(dāng)我們想用鋁合金材料做一些車(chē)身結(jié)構(gòu)件如防撞梁,、門(mén)檻加強(qiáng)件時(shí),，其又顯得較為“軟弱”。
“陶瓷鋁合金”化解尷尬
針對(duì)以上這種狀況,，有人提出了“陶瓷鋁合金”的概念,，即陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。該材料結(jié)合了陶瓷顆粒及鋁合金的優(yōu)點(diǎn),，突破了單一材料的性能局限,，具有輕質(zhì)、高剛度,、高強(qiáng)度,、高抗疲勞、耐高溫的優(yōu)越性能,，其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于鋁合金,，同時(shí)保持了鋁合金良好的加工制造性能。
陶瓷顆粒的種類(lèi)有TiC,、ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷）,、Al2O3、SiC,、TiB2,、ZrO2、MgO,、Si3N4,、SiO2、WC,、B4C等,。每一種陶瓷顆粒的作用與功能各具不同，需綜合考慮材料的生產(chǎn)成本等因素,。目前TiB2,、SiC等陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相在汽車(chē)中使用的較為廣泛,。
SiC/Al復(fù)合材料及其在汽車(chē)中的應(yīng)用
制動(dòng)盤(pán)服役過(guò)程中受強(qiáng)烈摩擦力作用，車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能使制動(dòng)盤(pán)溫度迅速升高,，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中熱量又散至空氣中使制動(dòng)盤(pán)冷卻,，制動(dòng)盤(pán)易產(chǎn)生熱疲勞。因此,，制動(dòng)盤(pán)材料應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)度,、耐磨性能，穩(wěn)定且合適的摩擦因數(shù)等優(yōu)點(diǎn),。為滿足輕量化要求,，其還必須具有密度小的特性。
目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的城市軌道交通制動(dòng)盤(pán)主要為鑄鐵,、鑄鋼,、鍛鋼、鋁基復(fù)合材料與以碳纖維或其織物為增強(qiáng)相（C/C）的復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán),。在不同材料制成的制動(dòng)盤(pán)中,，鋁合金與灰口鑄鐵的適應(yīng)范圍最廣，基本覆蓋軌道交通的運(yùn)營(yíng)速度范圍,，但是鑄鐵,、鑄鋼、鍛鋼的密度大,，與軌道交通車(chē)輛輕量化發(fā)展方向不相符,；C/C復(fù)合材料具有質(zhì)輕、耐磨,、高導(dǎo)熱的特點(diǎn),，但成本高昂，在軌道交通方面經(jīng)濟(jì)性較差,。
碳化硅顆粒具有強(qiáng)度高,、硬度高、彈性模量高與耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn),，常被選用為鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體,。近年來(lái)，碳化硅增強(qiáng)的陶瓷鋁合金材料的高耐磨性能得到廣泛關(guān)注,，各國(guó)軌道交通領(lǐng)域均展開(kāi)了該材料在制動(dòng)盤(pán)上的應(yīng)用性能研究,。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，福特和豐田汽車(chē)公司開(kāi)始采用Alcan公司的20%SiC/Al-Si來(lái)制作剎車(chē)盤(pán),；美國(guó)Lanxide公司生產(chǎn)的SiC/Al汽車(chē)剎車(chē)片于1996年投入批量生產(chǎn),；德國(guó)已將該材料制作的剎車(chē)盤(pán)成功應(yīng)用于時(shí)速為160km/h的高速列車(chē)上。我國(guó)相關(guān)企業(yè)也就該項(xiàng)技術(shù)開(kāi)展大量工作，并取得顯著突破,。
SiC/Al復(fù)合材料汽車(chē)中的成功應(yīng)用還包括發(fā)動(dòng)機(jī)活塞,，用碳化硅增強(qiáng)的陶瓷鋁合金材料與傳統(tǒng)的鋁材料相比，具有較低的熱膨脹系數(shù),，縮短了活塞和氣缸壁之間的間隙,，從而提高了性能。
TiB2/Al復(fù)合材料及其在汽車(chē)中的應(yīng)用
在陶瓷鋁合金材料的增強(qiáng)相中,，TiB2顆粒結(jié)構(gòu)單一,，易于制備且具有優(yōu)異的耐蝕和力學(xué)性能，所以TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料得到了研究人員的重視,。
該材質(zhì)陶瓷鋁合金材料具有高剛度,、高強(qiáng)度,、高抗疲勞,、耐高溫等優(yōu)越性能。開(kāi)發(fā)該納米陶瓷鋁合金材料,，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),，應(yīng)用于汽車(chē)上的不同零部件，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)降重,、降成本,、提高疲勞壽命等目標(biāo)。
該陶瓷鋁合金在汽車(chē)上的應(yīng)用
1,、鑄造納米陶瓷鋁合金
鑄造納米陶瓷鋁合金新材料可應(yīng)用于汽車(chē)底盤(pán)零件,，如副車(chē)架、轉(zhuǎn)向節(jié),、車(chē)輪支架,、控制臂等，尤其是一體化副車(chē)架,，以及目前正在研究的一體化后地板,，均可使用該材料，可顯著降低汽車(chē)質(zhì)量,，提升操控性,。采用該鑄造納米陶瓷鋁合金材料生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)可達(dá)到鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)水平。
2,、型材納米陶瓷鋁合金
質(zhì)量輕,、強(qiáng)度高的型材納米陶瓷鋁合金材料可應(yīng)用于車(chē)身結(jié)構(gòu)件，如防撞梁,、門(mén)檻加強(qiáng)件,、新能源車(chē)電池盒等，可顯著減輕汽車(chē)質(zhì)量,，減小壁厚,，提升可靠性,。型材納米陶瓷鋁合金在同等強(qiáng)度下，壁厚比常規(guī)鋁合金型材薄,，可結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),。
型材納米陶瓷鋁合金應(yīng)用于汽車(chē)電池托盤(pán)
3、耐高溫納米陶瓷鋁合金
按照國(guó)V,、國(guó)VI及以上排放要求,，不斷增加的發(fā)動(dòng)機(jī)升功率，不斷增長(zhǎng)的活塞壽命,，傳統(tǒng)耐高溫鋁合金已經(jīng)不能滿足要求,，耐高溫納米陶瓷鋁合金與常規(guī)耐高溫鋁合金材料比較，高溫抗拉強(qiáng)度,、抗熱疲勞性能,、耐腐蝕性及耐磨性顯著提高，可廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)零件,。
耐高溫納米陶瓷鋁合金應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)
4,、納米陶瓷鋁合金3D打印材料
納米陶瓷鋁合金3D打印材料具有高的激光吸收率，晶粒尺寸細(xì)小,，經(jīng)3D打印后可實(shí)現(xiàn)零件定制化,、輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化,，零件性能達(dá)到或超過(guò)鍛件水平,。
納米陶瓷鋁合金3D打印材料應(yīng)用于汽車(chē)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件
通過(guò)使用納米陶瓷鋁合金3D打印材料可以快速制造加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，例如渦輪增壓葉片,、熱交換器,、管接頭等，這樣可以減少開(kāi)發(fā)階段的開(kāi)模費(fèi)用和實(shí)驗(yàn)周期,。
制備方法簡(jiǎn)述
目前可以通過(guò)粉末冶金法,、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法,、噴射共沉積法等方法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,，其中鑄造法是目前正在發(fā)展應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料制造方法中最為經(jīng)濟(jì)的方法之一，該方法的消耗較小且不受零件形狀的限制,。
此外,，與外加顆粒制備技術(shù)相比，原位自生復(fù)合技術(shù)能夠有效改善增強(qiáng)體與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度,，近年來(lái)受到研究人員的廣泛關(guān)注,。
結(jié)束語(yǔ)
隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)材料性能要求越來(lái)越高，單一材料難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求,，材料的復(fù)合化是未來(lái)材料發(fā)展的必然趨勢(shì),。陶瓷鋁合金材料作為新型技術(shù)，它與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān),，它的出現(xiàn)將有力地促進(jìn)汽車(chē)輕量化發(fā)展進(jìn)程,。
參考來(lái)源：
[1]胥洲等.納米陶瓷鋁合金在汽車(chē)上的應(yīng)用
[2]王瑞等.制動(dòng)盤(pán)用SiCp/A357鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能研究
[3]張躍波等.擠壓態(tài)原位自生TiB2/6061鋁基復(fù)合材料組織及性能研究
[4]劉春軒等.軌道交通制動(dòng)盤(pán)用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研究及進(jìn)展
[5]鄭喜軍等.碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
[6]郝世明等.陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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