车用陶瓷及其应用解读.doc

综述与述评车用陶瓷及其应用解读 肖九梅( 湖北武汉化工材料公司，武汉 430055)摘 要: 特种陶瓷在化学组成、内部结构、性能和使用效能各方面均不同于传统陶瓷，它具有各种优异、独特的性能。正是由于特种陶瓷这些优异的性能，对减轻车辆自身重量、提高发动机热效率、降低油 耗、减轻排气污染、提高易损件寿命，完善汽车智能性功能都有重要意义。根据车用陶瓷材料的性能特 点与应用前景，分别介绍了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷，以及汽车陶瓷传感器的结构性能 特 点、适用范围。关键词: 车用陶瓷 性能特点 适用范围随科学技术和社会经济的不断发展，人们对汽车轻质化、智 能 化、可 靠 性、环 保 性、舒 适 性 和 经济性的要 求 越 来 越 高，为了满足这些要求，汽 车的研发 及生产越来越多地采用新材 料 与 新 工 艺，而对于新材料的使用，陶瓷便是其中之一。 特种陶瓷在 化 学 组 成、内 部 结 构、性 能 和 使 用 效 能各方面 均不同于传统 陶 瓷，它具有各种优异、 独特的性 能。经 研 发、试验与应用证明，汽 车 许 多零、部件 改用陶瓷材料后，其机械特性远远优 于金属材料或其它材料 制 成 的 零 部 件。正 是 由 于特种陶瓷这些优异的性能，对减轻车辆自身重 量、提高 发 动 机 热 效 率、降 低 油 耗、减 轻 排 气 污 染、提高易 损 件 寿 命，完 善 汽车智能性功能都有 重要意义。式等。显然，陶瓷材料的涵义已大大得到扩展。陶瓷产品的 种 类 繁 多，性 能 各 异，其 分 类 方 法 也 各不相同。总体上可分为普通陶瓷和特种陶瓷。 从组成上可分为氧化物 陶瓷和非氧化物陶瓷。 又可分为结构陶瓷和功 能 陶 瓷 两 类。车 用 陶 瓷 大致可分为功能材料和 结 构 材 料。功 能 陶 瓷 利 用其绝缘性、介 电 性、半 导 性和磁性等功能来制 造各种传 感 器，以 满 足 汽 车电子化的迅猛发展; 结构陶瓷具有高温工况 下 强 度 高、耐 磨 性 好、隔 热性好、低 密度和低膨胀 系 数 等 性 能，广 泛 用 于 发动机和热交换零件的 制 造。陶瓷的性能由两 种因素决定。首先是物质结构，主要是化学键的 性质和晶体结构。它们决定陶瓷材料的性能，如 耐高温性、半导体性及绝缘性等。其次是显微组 织，包括分布、晶粒大小、形状、气孔大小和分布、 杂质、缺陷等。普通陶瓷是用粘土、长石、石英为原料，经配 制、烧结制 成。这类陶瓷质地坚硬、不 会 氧 化 生 锈、耐腐蚀、不 导 电、能 耐 一 定 高 温、加 工 成 型 性 好、成本低，但 强 度 较 低。一般最高使用温度不 超过 1200 ，这类陶瓷产量大，种类多，广泛用于 电气、化 工 等 行 业。 常用工程陶瓷材料主要包 括: 金属( 过渡金属或与之相近的金属) 与硼、碳、 硅、氮、氧等非金属元素组成的化合物，以及非金 属元素所组成的化合物，如硼和硅的碳化物和氮1车用陶瓷材料的性能特点与应用前景与传统 陶 瓷 相 比，新 型陶瓷一是其组成、纯度、粒度得 到 了 精 选，组 成 已超出了传统陶瓷的 硅酸盐成分范围，是一些纯的氧化物、氮化物、硼 化物及其他盐类或单质; 二是应用领域已从结构 材料扩展到电、光、声、热、磁等功能材料方面; 三 是成形工艺方面应用了等静压成形、热压注成形 等; 四是制品的形态有单晶、薄膜、纤维及复合形作者简介: 肖九梅( 1958 ) ，女，本科 从事建材技术工程研究442011 年第 3 期( 总第 129 期) 现 代技术陶 瓷综述与述评化物。根据其元素组成的不同可以分为: 氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼 化物陶瓷。此外，近年来玻璃陶瓷作为结构材料 也得到了广泛的应用。陶瓷材料的性能特点主要有: 一是弹性模量大，即刚性 好，是各种材料中最高的。陶 瓷 材 料 在断裂前无 塑 性 变 形，是 脆 性 材 料，冲 击 韧 性 很 低。如果设法减少材料内部的缺陷 ( 气 孔 和 裂纹) ，陶瓷材料的强度和韧性会大大改善; 二是抗压强度比抗拉强度高得多。陶瓷的抗拉强度与 抗压强度之比为 1 10( 铸铁为 1 3) 。此外，陶瓷 硬度高，一般为 1000 5000HV; 金刚石为最硬的 物质，为 6000 10000HV ( 而 淬 火 钢 仅 为 500 800HV，塑料小于 2OHV) ; 三是熔点高，高温强度高，线膨 胀 系 数 很 小，是很有前途的高温材料。用陶瓷材料制造的发动机体积小，热效率大大提 高。陶瓷材料在高温下不氧化，抗熔融金属的浸蚀性高，可用 来 制 作 坩 埚，对 酸、碱、盐 大 都 具 有 良好耐 蚀 性。 但 和 金 属 相 比，陶瓷抗热冲击性 差，不耐温 度 的 急 剧 变 化; 四是导电能力在很大 范围内变化。大部分陶瓷可作为绝缘材料，有的可作为半导 体 材 料，还 可 以作为压电材料、热 电 材料和磁性 材 料 等; 某 些 陶瓷具有光学特性，可作为激光 材 料、光 色 材 料、光 学 纤 维 等。陶 瓷 材料作为功能材料具有广泛的应用前景。车用电子陶瓷包括 的 范 围 很 广，如 介 电 陶 瓷、磁性陶瓷、压电及铁电陶瓷、半 导 体 陶 瓷、超导陶瓷、透明导电陶瓷等具有不同功能的陶瓷材料。介电陶瓷包括从低频 到微波频率范围的各 种陶瓷介电材料，磁性陶瓷是电子系统中使用较 广的一种功能陶瓷材料。压电陶瓷在一些企业 也有一定规模的生产，多是为沿海地区的企业提 供最初级的压电陶瓷片。半导体陶瓷方面具有一定的生产规模，尤其 是敏感加 热 元 件 领 域。现 阶段半导体陶瓷在传 感技术、压敏电阻等领域的应用方面有很大的应用市场，新材料也在不断出现。汽车的陶瓷材料是采用高纯超细的氧化物、 氮化物、硼化物等原料，经过预处理、破碎、磨粉、 混合、成型、干燥、烧结等特殊工艺而得到的结构精细的无机非金属材料。它具有高强度、高耐热性、抗蚀 性、高 硬 度、高 耐 磨 性、密 度 小、变 形 小、 抗热冲击等一系列优点，特别是抗拉强度和弯曲 强度可与 金 属 相 比。用 结 构陶瓷代替高强度合 金制造涡轮增压发动机、燃气轮机、绝热发动机， 可以将现在发 动 机 的 燃 烧 温 度 从 700 800 提 高到 1000 以上，热效率提高 1 倍以上。结构陶 瓷的质量为 铁 的 一 半，节 能效果非常显著，同 时 还能减少环境污染，节约钢材等金属材料。据报 道，奥迪公司的新型陶瓷制动刹车盘将成为奥迪 A8 W12 及其加长型奥迪 A8 LWl2 等车型的选配 装置。陶瓷刹车盘直径为 380mm，与 19in( 1in =25 4mm) 的前轮完美匹配; 后轮刹车盘直径为 356mm。陶瓷刹车盘由 10 个可变形的连接装置 固定在与轮毂相连的不锈俐制动底板上，安装在内部通风 刹车盘上的冷却管确保了刹 车 盘 的 最 佳冷却性能。前轮刹车盘采用了 Brembo 公司的6 活塞全铝卡 钳 轮 圈，后轮则采用了侧卡钳刹车 盘，这一技术装备确保了牢固的刹车盘具有如同 老虎钳式的夹紧性能。高科技材料的应用带来了整体的优越性，其中陶瓷刹车盘的抗锈蚀性能最为显著，刹车盘上 绝对不会有任何生锈的迹象。 此 外，动 感 的 外观、独特的 散热孔式样以 及红色的制动卡钳，都增添了诸多引人注目的 时 尚 情 趣。随 着 许 多 新 技术的兴 起，以 及 基 础 理 论和测试技术的发展， 人们对材 料结构和性能之间的关系有 了 深 刻 认 识。通过控制材料的化学成分和微观组织结构， 研制出了许多具有不同性能的陶瓷材料，如各种 功能陶瓷( 电 子 材 料、光 导 纤 维、敏 感 陶 瓷 材 料) 及高温结 构 陶 瓷。与 传 统 陶瓷材料相比其强度 得到了成百上千倍的提高，再加上陶瓷材料本身 具备的优 异 的 耐 高 温、耐 磨、耐 腐 蚀、绝 缘 等 特 性，使其在许多重要领域得到了越来越广泛的应 用。现阶 段，电子陶瓷领域的发展方向是模块 化、组件化，这样的产品可 以直接用于各种系统 之中。因此在电子陶瓷领域，应 以 模 块 化、组 件 化为产业界的发展方向，并形成具有一定规模的 产业链结 构。国 外 企 业 采 用这样的一种发展模 式，带动的经济规模及产生的经济效益是仅生产45现 代技术陶 瓷 2011 年第 3 期( 总第 129 期)综述与述评动零件( 活塞、活塞销等) 减小质量后可使内燃机减少摩擦、节 约 能 源、加快响应和减小振动。氧 化铝的 含 量 高 于 95% 的 Al2 O3 陶瓷具有优异的 电绝缘性能和较低的介质损耗等特点，因而在电 子、电器方面有十分广阔的应 用 领 域。Al2 O3 陶 瓷的高硬 度和耐磨性在机械领域得到 了 广 泛 应 用。各种发动机中还大量使用 Al2 O3 陶 瓷 火 花 塞。透明 Al2 O3 陶瓷对于可见光和红外线有良好 的透过性，同时具有高温强度高、耐热性好、耐腐 蚀性强等特点。可用于制造高压钠灯灯管、红外 检测窗口材料等。原始陶瓷片的企业所不可比较的。2氧化物陶瓷氧化物陶瓷材料的原子结合以离子键为主，存在部分共价键，因此具有许多优良的性能。大 部分氧 化物具有很高的 熔 点，良好的电绝缘性 能，特别是具有优异的化 学稳定性和抗氧化性，在上程领域已得到了较广泛的应用。氧化锆( ZrO2 ) 陶瓷有二种锆同素异 形 体 立 方结构 ( c 相 ) 、四 方 结 构 ( t 相 ) 及 单 斜 结 构 ( m 相) 。根据所含相的成分不同，ZrO2 陶 瓷 可 分 为 稳定 ZrO2 陶瓷材料、部分稳定 ZrO2 陶瓷。稳 定 ZrO2 陶瓷主要 由 立 方 相 组 成，其 耐 火 度 高、比 热 与导热系数 小，是 理 想 的 高 温 隔 热 材 料，可 以 用 做高温 炉 内 衬，也可作为各种耐热涂层。 稳 定 ZrO2 陶瓷化学稳定性好，高温时仍能抗酸性和中 性物质的腐蚀，但不能抵抗碱性物质的腐蚀。利 用稳定 ZrO2 的氧离子传导特性，可制成氧气传感 器，进行氧浓度的测量。部分稳定 ZrO2 陶瓷具有 非常高的强 度，断 裂 韧 性 和抗热冲击性能，被 称 为“陶 瓷 钢 ”。同时其热传导 系 数 小，隔 热 效 果 好，而热膨 胀系数又比较大，比较容易与金属部 件匹配，在日前所研制的陶瓷发动机中用于气缸 内壁、活塞、缸盖板部件。氧化铝陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是氧化 铝和氧化硅。它强度大、硬度高、耐腐蚀、绝缘性 好，耐热温度可达 1600 ，但缺点是脆性大，抗震 性差，工艺 复 杂，成 本 高。氧化铝陶瓷出色的高 温性能 和 介 电 性 能，使 其 适宜制作发动机火花 塞; 好的耐磨性可保证制作的活塞能够加工到相 当高的精 度 和 粗 糙 度。氧 化铝陶瓷的原料是工 业氧化铝，性能好但工艺复杂，成 本 高。制 备 方 法是在工业氧化铝中加入少量添加剂，然后经制 坯、烧结而 成，对 表 面 粗 糙 度和尺寸精度要求高 的制品，还应进行研磨和抛光处理。主要性能特 点是高强度、高硬度、耐磨、耐高温和具有良好的 绝缘性能。可用于喷砂用的喷嘴、纺织用的导热 器及火箭用倒流罩，也可作高温实验仪器及化工 零件、轴承、内燃机火花塞、活塞和触媒载体。运3氮化物陶瓷氮化物包括非金属和金属元素氮化物，他们是高熔点物质。碳化硅陶瓷是用碳化硅粉 ( 把 石 英、碳 和 木 屑装入电 弧 炉 中，在 1900 2000 的 高 温 下 合 成) 利用粉末冶金经反应烧结和热压烧结工艺制 成。氮化物陶瓷的种类很多，但都不是天然矿 物，而是人工合成的。工业上应用较多的氮化物 陶瓷有 氮 化 硅 ( Si3 N4 ) 、氮 化 硼 ( BN ) 、氮 化 铝( AlN) 、氮化 钛 ( TiN) 等。碳化硅陶瓷的最大特 点是 高 温 强 度 好 ( 在 1400 时抗弯强度仍保持 500 600MPa) 、传热能力强、热稳定性好并 且 耐磨。可用于制作火箭尾部喷嘴、浇 注 金 属 用 喉嘴、轴承、燃气轮机的叶片、高温热交换器材料及 各种泵的密封圈等。氮化硅陶瓷是新型特种陶瓷材料，它原料丰 富、加工性 能 好，可 以 用 低 成本生产出各种尺寸 精确的部件，特 别 是 形 状 复 杂 的 部 件，成 品 率 比 其他陶瓷材料高，在化工机械和现代尖端技术等方面均有 应 用。制 备 方 法 有反应烧结法和热压 烧结法。 主要性能特点是强度高、化 学 稳 定 性好、抗 温 变 性 能 好、耐 磨、绝 缘、制 品 精 度 高。可用于制造 耐 磨、耐 蚀、耐高温及绝缘零部件。用 氮化硅陶瓷材料制造发动机，工作温度从理论上 可提高到 1370 左右，发动机效 率 可 提 高 30% 。 同时由于温 度 提 高，可 使 燃 料 充 分 燃 烧，排 出 的 废气中污染成分大幅度 下 降，不 仅 降 低 能 耗，并462011 年第 3 期( 总第 129 期) 现 代技术陶 瓷综述与述评且减少了 环 境 污 染。反 应 烧结氮化硅可用于制 造泵的机械密封环、高温轴承、阀门等零件; 热压 反应烧结氮化硅可用于制造切削刀具。氮化铝 ( AlN) 陶瓷属于共价键化合物，六方 晶系，纤维锌矿型结 构，白 色 或 灰 白 色，密 度3. 26g / cm2 ，无 熔 点，在 2200 2250 升 华 分 解，热硬度 很 高，即 使 在 分 解温度前也不软化变 形。具有优异 的 抗 热 震 性。AlN 对 Al 和 其 它 熔 融金属、砷 化稼等具有良 好 的 耐 蚀 性，尤 其 对 熔 融 Al 液具有极好的耐侵蚀性，此外，还具有优良 的电绝缘性和介电性质; 但 AlN 的高温抗氧化性 差，在大气中易吸潮、水解。AlN 可以用作熔融金 属用坩锅、热电偶保护管、真空蒸镀用容器，也可 用作真空中蒸镀金的容器、耐 热 砖 等，特 别 适 用 于作为 2000 左右氧化性电炉的炉衬材料; AlN的导 热 率 是 Al2 O3 的 2 3 倍，热 压 时 强 度 比Al2 O3 还高可用于高强度、高导热的场合。氮化硼( BN) 陶瓷存在着六方与立方结构两种 BN 材料。六 方 BN 具 有 自 润 滑 性，可 用 于 机械密封、高 温 固 体 润 滑 剂，还可用作金属和陶瓷 的填 料 制 成 轴 承。 其 耐 热 性 非 常 好，可 以 在900 以下的氧化气氛中和 2800 以下的氮气和 惰性气氛中使用。六方 BN 对酸碱和玻璃熔渣有 良好的耐侵蚀性，对大多数熔融金属既不润湿也 不发生反应，因 此 可 以 用 作熔炼有色金属、贵 金 属和稀有 金 属 的 坩 锅、器 皿 等 部 件。BN 既 是 热 的良导体，又是电的绝缘体。它的击穿电压是氧 化铝的 4 5 倍，介电常数是氧化铝的 1 /2，可 用 来做超高压电线的绝缘材料。BN 对微波和红外 线是透 明 的，可用作透红外和微波 的 窗 口。BN 在超高压下性能稳定，可以作为压力传递材料和 容器。BN 是 最 轻 的 陶 瓷 材 料，可以用于高温结 构材料。立方 BN 为闪锌矿结构，化学稳定性高， 导热及耐 热 性 能 好，其 硬 度与人造金刚石相近， 是性能优良的研磨材料。与金刚石相比，其最突 出的优点在于高温下不与铁系金属反应，并且可 以在 1400 的温度使用。除了直接用作磨料外， 还可以将其与某些金属或陶瓷混合，经烧结制成 块状材料，作为各种高性能切削刀具。4碳化物陶瓷在特种陶瓷领域，碳化物是一种最耐高温的材料。碳化物陶瓷种类很多，大体上可划分为类 金属碳化物和非金属碳 化 物 两 种。属 简 单 结 构的碳化 物陶瓷较为稳定，具有很高的熔点和硬 度，所以现 在研究与开发 应 用 比 较 广 泛、个 别 品种成为热 门 产 品。碳 化 物 陶瓷最主要的特性之 一是具有高熔点。例如碳化钛熔点高达 3460 ， 碳化钨为 2720 、碳 化 锆 为 3450 、碳 化 硅 的 气 化点为 2600 。可 以说基本上所有的碳化物陶 瓷的熔点都很高。除熔点很高外，碳化物陶瓷还 具有较高 的 硬 度。碳 化 硼 硬度仅次于金刚石与 立方氮化硼，属于最硬的材料。典型碳化物陶瓷材料一有碳 化 硅 ( SiC) 、碳 化硼( B4 C) 碳化钛( TiC) 碳化锆( ZrC 等) 、碳化物 的共同 特 点 是 高 熔 点，许 多碳化物的熔点都在 3000 以上。碳化物在非常高 的温度下均会发 生氧化，但许多碳化物的抗氧化能 力 都 比 W，Mo 等高熔点 金 属 好。大 多 数 碳化物都具有良好的 电导率 和 热 导 率，许 多 碳 化物都有非常高的硬 度，特别是 B4 C 的硬度仅次于金刚石和立方氮化 硼，但碳化物的脆性一般较大。碳化硅为一种典 型的共价键结合的化合物，属于人工合成制造的 陶瓷材料。由于碳化硅的超常硬度，最初应用于 各种磨削工具及各种磨料。碳化硅没有熔点，在 常压下 2500 时发生分解。碳化硅的硬度很高， 莫氏硬度为 9 2 9 5，显微硬度为 33400MPa，仅 次于金刚 石、立 力 BN 和 B4 C 等少数几种物质。 碳化硅的热导率很高，大约为 Si3 N4 的 2 倍; 其热 膨胀系数大约相当于 Al2 O3 的 1 /2; 抗 弯 强 度 接 近 Si3 N4 材料，但断裂韧性比 Si3 N4 小; 具有优异 的高温强度和抗高温蠕变能力，热压碳化硅材料 在 1600 的高温抗弯强度基本和室温相同; 抗热 震性好。其化学稳定性高，不溶于一般的酸和混 合酸中。碳化硼的显著特点是高熔点( 约 2450 ) ; 低 比重，其密度仅是钢的 1 /3; 低膨胀系数; 高导热; 高硬度和高耐磨性，其硬度仅低于金刚石和立方47现 代技术陶 瓷 2011 年第 3 期( 总第 129 期)综述与述评BN; 较高的强度和一定的断裂韧性，热压 B4 C 的抗弯强度为 400 600MPa; 具有较大的热电动势( 100V / k) ，是 高 温 P 型 半 导 体，随 B4 C 中 碳 含量的减少，可从 P 型半导体转变为 N 型半导体;具有高的中子吸收截面。碳化物陶瓷还具有良好的导电性、导热性及 良好的化 学 稳 定 性。大 多 数碳化物陶瓷在常温 下不与酸 反 应。极 少 数 碳 化物即使加热亦不同 酸起化学 反 应。结 构 最 稳 定的碳化物陶瓷甚至 于不受硝酸与氢氟酸混合酸的腐蚀，成为陶瓷材 料中耐磨 蚀 的 佼 佼 者。鉴 于以上各种独特的优 良性能，碳化物陶瓷作为耐热材料、超硬材料、耐 磨材料、耐 腐 蚀 材 料，在 尖 端科学及工业领域应 用前途非 常 广 阔。其 中 象 碳化硅陶瓷已经实现 批量生产，早已运用在各个领域。碳化物陶 瓷作为耐热材料和超硬工具用途 十分广泛。我国在碳化物 复合陶瓷材料研究领 域结合国 防和国民经济发展需要也取 得 了 一 系 列成果，拥 有自己的技术特色。近 十 年 来，我 国 以发动机用陶瓷零部件的研制为契机，研制成功 一系列新型陶瓷材料及 相 关 应 用。目 前 氮 化 硅 与碳化硅基陶瓷材料已应用于机械密封、金属加 工切削和金属冶炼工业中; 氧 化 铝、氧 化 锆 基 增 韧陶瓷部件也应用于集成电路基片、光纤连接器 关键部件、汽车工业和石油工业等许多领域。伴 随着科技的进步，碳化物复合陶瓷必将越来越广 泛的应用于生活的各个方面。汽车用陶瓷零件的种类和用途见表 1。表 1 汽车用陶瓷零件的种类及用途范围用途利用特点材料零件用途备注各种氧化物、氮化物及碳化物BaTiO3ZnO，SiC ZrO2 ，ThO2PZT各种温度 补 偿 元 件、热 敏 元 件、温 度 传 感器燃油化油器系统 过电压的吸收件氧传感器、蓄电池爆震传感器热敏电阻PTC压敏电阻 离子传导性强介电性电 子 与 电 气 材 料多结 晶 和 单结晶 Al2 O3绝缘性集成印制电路板、玻璃窗、火花塞绝缘子透明、高硬度钢钙石英玻璃Al2 O3 SiO2绝热高耐火性高温高强度， 高耐磨性 高耐磨性 高弹性、 高耐腐蚀性催化反应槽保温、排气管、保温绝热垫燃气轮机 转 子 叶 片、定 子 叶 片，往 复 式 发 动机气缸涡轮增压器纤维多孔体柴 油 机、汽 油机Si3 N3 AlN结 构 材 料 Al2 O3玻璃、碳、石墨机械密封件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。5汽车陶瓷传感器陶瓷湿 度 传 感 器。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482011 年第 3 期( 总第 129 期) 现 代技术陶 瓷综述与述评陶瓷湿度传感器的类型: 一是半导体型。它是利用水 的电子给予性化学吸附所产 生 的 半 导 体电阻变化的原理; 二是容量型。利用水的吸附 产生容量 变 化 的 原 理。采 用 的 氧 化 物 有 Al2 O2 ， Ta2 O3 等; 三是 质 子 传 导 型。它是利用多孔质陶 瓷表面上 水的物理吸附及毛细管凝结 而 引 起 电 阻变化的 原 理。目 前 主 要 采用在室温附近的质 子传导型。陶瓷汽车温度传感器。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，呈现出负温度特性、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。 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。陶瓷汽车尾气传感器。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。气体要通过多孔陶瓷帽 ( 扩 散 障) 的 小 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。ZrO2 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。车用柴油机除氧传 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 100m 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。汽缸工作状态爆震传感器。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。爆震传感器可预知高 负荷下易产生的爆震 防止点火 延 迟。特 别 适 用 于装有涡轮充电机的 发动机。检测爆震主要根据汽缸部件的振动 ( 一 旦产生爆 震，机械振动就加剧 ) ，间 接 地 察 觉 爆 震。汽车压 电 传 感 器。所谓压电性是指 一 旦 加 力，就产生电 压，反 之，一 加 上 电 压，就 会 产 生 位 移或力这 一 性 质。具 有 压 电体的陶瓷已在许多 领城广泛应 用。这 种 被 称 作 PZT 的 材 料 除 在 传 感器上得到 利 用 外，还 被 用在倒车报警器上，作 为超声波的接收器和发 射 器 而 被 利 用。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，原理上利用错钦酸铅 PZT 压电陶瓷49现 代技术陶 瓷 2011 年第 3 期( 总第 129 期)综述与述评足诊断控 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。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，满结束语6随着现代汽车工业的发展，特种陶瓷的应用领域越来越 广 泛，目 前，特 种陶瓷新的应用领域 还在不 断 地 开 发，车 用 陶 瓷市场的发展依然不 够。所以如何选择成熟的车用陶瓷产品，并将这 一产品成 功切入到它的应用领域仍然 是 企 业 和 研发机构需要解决的首要问题。此外，在节能减 排、发展低碳产业上也是对陶瓷产业的一个巨大 考验，突破 这 一 瓶 颈，陶 瓷 行业将迎来了又一个 新的发展 高 潮。车用陶瓷的发展，前 途 无 量，任 重而道远。参考