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  • 关于先进陶瓷在各个领域应用的分享

    时间:2019-07-03 10:17 作者:长玉特陶

    一、先进陶瓷材料在汽车上的应用
           对于汽车行业来说,使用特殊材料打造汽车并不是什么新鲜事了,早就有厂商使用过碳纤维、铝镁等材料来装点前卫时尚的高性能轿车。但是陶瓷不是用来做精细瓷器和卫浴产品的么?



           这辆独一无二的陶瓷版布加迪威龙白金跑车是法国超级跑车制造商布加迪与柏林皇家瓷器建造厂去年联合推出的。它采用陶瓷材质进行整车制造,油箱盖、车标和轮盖部位由特殊材料制成。它由一个8升W16引擎提供动力,可产生1000马力,由于动力十足,时速从0加速到62英里(约100公里)仅需2.5秒,最大时速可达253英里(约407公里),出厂售价为160万英镑.


    二、陶瓷在汽车发动机上的应用




         新型陶瓷是碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成,是氧化铝陶瓷强度的三倍以上,能耐1000℃以上高温。要将柴油机的燃耗费降低30%以上,新型陶瓷是不可缺少的。现在汽油机中,燃烧能量中的78%左右是在热能和热传递中损失掉的,柴油机热效率为33%,与汽油机相比已十分优越,然而仍有60%以上的热能量损失掉。

         因此,为减少这部分损失,用隔热性能好的陶瓷材料围住燃烧室进行隔热,进而用废气涡轮增压器和动力涡轮来回收排气能量,有试验证明,这样可把热效率提高到48%。同时由于新型陶瓷的使用,柴油机瞬间快速起动将变得可能。采用新型陶瓷的涡轮增压器,它比当今超耐热合金具有更优越的耐热性,而比重却只有金属涡轮的约三分之一。因此,新型陶瓷涡轮可以补偿金属涡轮动态响应低的缺点。


    三、特种敏感陶瓷在汽车传感器上应用



           对汽车用传感器的要求是能长久适用于汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气),并应当具有小型轻量,重复使用性好,输出范围广等特点。陶瓷耐热、耐蚀、耐磨及其潜在的优良的电磁、光学机能,近年来随着制造技术的进步而得到充分利用,敏感陶瓷材料制成的传感器完全能够满足上述要求。


    四、陶瓷在汽车制动器上的应用



           陶瓷制动器是在碳纤维制动器的基础上制造而成的。一块碳纤维制动碟最初由碳纤维和树脂构成,它被机器压制成形,之后经过加热、碳化、加热、冷却等几道工序制成陶瓷制动器,陶瓷制动器的碳硅化合物表面的硬度接近钻石,碟片内的碳纤维结构使它坚固耐冲击,耐腐蚀,让碟片极为耐磨。目前此类技术除了在F1赛车中应用,在超级民用跑车中也有涉及。


    五、陶瓷在汽车减振器上的应用



          高级轿车的减振装置是综合利用敏感陶瓷正压电效应、逆压电效应和电致伸缩效应研制成功的智能减振器。由于采用高灵敏度陶瓷元件,这种减振器具有识别路面且能做自我调节的功能,可以将轿车因粗糙路面引起的振动降到最低限度。


    六、陶瓷材料在汽车喷涂技术上的应用

           近年来,在航天技术中广泛应用的陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。这种技术的优点是隔热效果好、能承受高温和高压、工艺成熟、质量稳定。为达到低散热的目标,可对发动机燃烧室部件进行陶瓷喷涂,如活塞顶喷的氧化锆,缸套喷的氧化锆。经过这种处理的发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗量。



           总之,特种陶瓷是一种正在不断开发中的陶瓷材料产品,但原料的制取、材料的评价和利用技术等许多方面都有尚待解决的课题。目前,特种陶瓷在汽车的应用并不广泛,其中的主要原因有:制造工艺复杂、要求高;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;成本较高,可加工性差、脆性大、使用可靠性差。不过,人们有充分理由相信,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和采用到汽车上,而且一定会在汽车生产中得到广泛的应用。


    七、国内外先进陶瓷材料产业发展现状


         1905年,德国人率先开始了氧化铝刀具的研究,1912年,首款氧化铝陶瓷刀具率先由英国人发明,20世纪20年代后期,先进陶瓷材料逐步走进研究人员的研究视线。从最初的主要用于军事领域的结构陶瓷发展到军事、民用结构陶瓷、功能陶瓷的研究;从最初偏重与陶瓷材料的制备发展到对陶瓷BETVLCTOR伟德下载、显微结构的系统分析,先进陶瓷材料的种类和应用在各领域取得了重大突破。


          20世纪60年代美国材料顾问委员会对材料制备领域进行了调研得出的重要结论是:“为了实现材料均匀的、可重复的无缺陷显微结构,提高材料性能的可靠性,陶瓷制备科学研究十分必要”。


         20世纪70年代以陶瓷发动机为背景,各国竞相加大了对陶瓷材料研究与开发的投入,对先进陶瓷材料的研究取得了长足的进步。从技术上讲,陶瓷材料已经能够基本满足各种苛刻条件下(包括陶瓷发动机部件在内)使用的要求, 陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性、结构与功能性一体化、低成本制备工艺等方面,各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投入。进入21世纪以来,各国竞相开发不同陶瓷材料在不同领域的应用,随着装备水平的提高,通过不断地实验、研究和质量控制等成功实现了陶瓷材料产品的批量化稳定生产与制备。


         从材料产业上讲,先进陶瓷已形成一个巨大的高技术产业,目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市场销售总额超过500亿美元,年增长率达8%。美国、法国、德国与日本在该领域整体上处于领先地位,而欧洲其它各国、韩国、中国大陆与台湾地区正从不同的研究领域展现出各自的优势。


    美国


        近50年来,美国在先进陶瓷领域的研究工作取得了一系列突破,推动了陶瓷技术的快速发展,对经济和社会发展也产生了深远的影响。1994 年克林顿政府在先进陶瓷研究方面增加了15%的科研预算,旨在强化国际竞争能力、保护环境、开发新型输送机构。1998年美国先进陶瓷市场总份额接近75亿美元。


          从20世纪90年代后期一直到2000年,美国先进陶瓷市场销售额稳步发展,年平均增长率达到8%。进入2001年,随着美国经济进入衰退,先进陶瓷的市场需求大大缩水。2003-2007年,随着美国经济的复苏,先进陶瓷材料产业的市场需求出现反弹,年增长率达到7%,先进陶瓷市场销售额超过110亿美元。2012年,先进陶瓷产业的市场销售额突破126亿美元。


         美国先进陶瓷发展的重点为高温结构陶瓷,结构陶瓷产量的增速最快,每年增加13.5 % 。目前在航天技术、汽车、航空器、核工程、医疗设备及机械动力等方面进入大范围使用阶段。以氮化硅,碳化硅,氧化锆陶瓷为主的精密材料陶瓷制品产量占世界总量的60%以上 。美国生产的陶瓷轴承工作温度高达1 300℃,其工作强度为普通金属轴承的5倍以上。美国研制的生物陶瓷产品也已大量用于骨骼修复,瓷牙修补的临床应用。目前美国先进陶瓷工业界还加紧军用先进陶瓷的研制开发,逐步加强在军事领域的应用。


    日本


        日本自20世纪80年代以后,日本在材料科学领域一直走在世界的前沿,特别是在先进陶瓷材料方面占有领先、突出的地位。尽管日本和欧美乃至中国在传统陶瓷材料研究方面水平相差并不大,但在新型陶瓷材料的产业方面日本在世界上占有绝对领先的优势。


       日本是世界上先进陶瓷最大的生产者,到2000年,陶瓷产量增长42%,而到2005年增加74%。2000年日本陶瓷产业的产值占据了整个日本传统产业的50%,先进陶瓷市场而成为这一领域的领头羊。对比与美国,日本先进陶瓷在功能陶瓷领域研究首屈一指,在结构陶瓷及陶瓷BETVLCTOR伟德下载的研究与应用在具有较强的竞争优势。


         日本近年来一直将先进陶瓷看作是决定未来竞争力前途的高科技产业,不余遗力地不断加大投资力度。其生产的先进陶瓷敏感元件已占据国际市场主要份额。包括热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等在内的各种先进陶瓷产品垄断着一大部分市场。日本正在试验高性能陶瓷电池,它是采用固态陶瓷材料代替酸性电解液,重量较传统电池减轻2/3,且污染小,尤适宜用于汽车及航空航天工业需要。


    国内


        国内先进陶瓷材料产业发展现状我国从20世纪50年代初从研究氧化铝陶瓷刀具为切入点,开始从事先进陶瓷材料的研究 。20世纪60年代开始研究从事碳化硅陶瓷及、压电陶瓷与铁电陶瓷的研究;20世纪60年代中期开始氮化硅和碳化硅陶瓷的研究,为我国先进耐火材料的研究奠定了良好的基础;20世纪70年代随着国际上先进陶瓷跨越式的发展,国内诸多高校和科研院所开始重视先进陶瓷材料研究,取得了一系列创新性成果。


        20世纪末,我国独创性地将纤维补强陶瓷基复合材料应用于战略导弹和各类卫星天线窗的保护框上,这是国际上纤维补强陶瓷基复合材料的首次实际应用。


        我国在所有先进陶瓷材料领域进行着研究、开发和生产,自上世纪80年代,以发动机用陶瓷零部件的研制为契机,研制成功了一系列新的陶瓷材料,并在先进陶瓷的应用方面也取得了令人瞩目的成绩。普通电子陶瓷和结构陶瓷如IC基板、电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件,中铝瓷,高铝瓷,电真空瓷,纺织瓷件,电熔石英、电熔刚玉等,在我国已能大批量生产,产品质量稳定,并占领一定的国际市场 。


       但大部分产品仍以价格优势提升竞争力,有待进一步提升产品的技术附加值。1990年我国研制成功的无水冷陶瓷发动机装在大客车中完成了上海到北京往返3 500km的道路试车 。以高温超导陶瓷为代表的诸多技术在尖端高技术陶瓷的理论研究和实验水平处于世界先进行列。


         虽然我国先进陶瓷材料开发上取得了长足的进步,与国际先进陶瓷领域领先的国家距离进一步缩小,但仍缺乏批量化、低成本、高效的制备优质先进陶瓷材料的先进技术、装备和管理水平。我国先进陶瓷材料的开发大都是结合国防和国民经济上的需要,具有独立的技术特色。


         然而,纵观我国先进陶瓷领域的发展现状,国内先进陶瓷材料在各领域内的应用总的来说还与国际发达国家相比还有明显的差距,特别是技术和产业化方面,满足不了国民经济迅速发展的要求。在全球数百亿美元的先进陶瓷年销售额中,中国销售额仅占1~2%。因而,目前世界最先进的高附加值的先进陶瓷产品,特别是高端装备中大量的陶瓷元件仍需进口,如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器,风力发电机陶瓷绝缘轴承和高端超细纳米BETVLCTOR伟德下载等。



    来源:互联网,电子材料圈编辑。



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