车用陶瓷材料的简述及其应用
摘要：本文从陶瓷的组成、陶瓷材料的性能特点、陶瓷材料的分类，以及其用途进行了阐述，重点讲述了新型陶瓷材料在车辆中的应用情况。研究表明：新型陶瓷由碳化硅和氮化硅等无机非金属烧结而成。与以往使用的氧化铝陶瓷相比，强度是其三倍以上，能耐l000℃以上高温。此外，新材料推进了汽车上新用途的开发，比现在的普通陶瓷(烧结而成)具有更优良性能。
关键词：陶瓷材料；组成；性能特点；应用
1概述
利用天然硅酸盐矿物(如粘土、长石、石英等)原料制成的陶瓷叫普通陶瓷，也叫传统陶瓷。传统陶瓷是指以粘土等天然矿物粉末为原料，经混合、塑化、成形、烧结而成的固体材料。广义的陶瓷则包含一切天然及合成的无机非金属固体材料，如水泥、耐火材料、玻璃、石墨、天然石、现代工程陶瓷及功能陶瓷等。由于陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、硬度高，甚至还具有特殊的电、磁、热、光等功能效应，在现代生活及工业中已得到了广泛的应用，是很多高科技产品制作的必需材料。
普通陶瓷原料来源广、成本低、用量大。天然原料中的杂质对陶瓷的性能不利，因此，可以采用人工合成纯度高的原料(如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物等)。用传统陶瓷工艺方法制造的新型陶瓷，也叫现代陶瓷或特种陶瓷。陶瓷一般由晶相、玻璃相和气相组成。汽车工业应用多属精细陶瓷，在汽车上很早以前就在火花塞、窗玻璃、水泵的机械式密封上使用了陶瓷。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，不久将来，陶瓷发动机将会出现。
2陶瓷的组成
传统上的陶器、瓷器、玻璃、水泥和耐火材料，其主要成分为硅酸盐类物质，所以也称为硅酸盐陶瓷或硅酸盐材料。随着材料科学与工程的发展，陶瓷材料的范畴也不断扩展，涌现了一系列应用于高技术场合的新型陶瓷，或称特种陶瓷、先进陶瓷，如功能陶瓷、半导体材料、新型玻璃、非晶态材料及人工晶体等。新型陶瓷的组成已不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫系化合物、硅、锗等。其形态也趋多样化，还有超微粉体(即纳米材料)，单晶和非晶材料，以及纤维、晶须、薄膜、复合材料等，各有独特的性能及用途。
一般陶瓷由多种原料经塑化、成形、烧成后而制成，所以大多数陶瓷材料均含有一种或一种以上的晶体、一定数量的玻璃相及少量的气相，为一种多相固体材料。
陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物及非氧化物三种。晶相是陶瓷中量大而主要的部分，其种类、大小、分布、数量对陶瓷的性能起决定作用。普通陶瓷中的玻璃相是以长石熔融的液相为主体构成的低熔点非晶态物质，常富含氧化硅、碱金属氧化物及杂质，可充填晶粒间隙而提高致密性，降低烧结温度和抑止晶粒长大，黏结分散的晶粒形成一定强度。但玻璃相的强度及耐热性低，过多则会降低陶瓷的性能。一般陶瓷中玻璃相占20%～40%。气孔来自于烧结过程中各组分发生物理、化学作用而生成的空隙及压制不致密而残存的空隙。气孔使应力集中增加，有效断面下降，导致强度下降。同时，还使电绝缘性及透明性下降。一般陶瓷的气孔体积百分比达5%～10%左右，甚至更高。
3陶瓷材料的性能特点
一般而言，陶器杂质多，烧结温度低(即烧结不充分)，坯体断面粗糙无光，有较大的气孔率和吸水率，如烧结砖、瓦、罐等。瓷器成分较纯，烧结温度高(即烧结充分)，坯体致密细腻，具有一定光泽，基本不吸水，如日用细瓷等。而炻器则介于陶器和瓷器之间，如普通的墙地砖、卫生陶瓷、化工陶瓷等。
与传统陶瓷相比，新型陶瓷具有：第一，其组成、纯度、粒度得到了精选，组成已超出了传统陶瓷的成分范围，是一些纯的氧化物、氮化物、硼化物及其他盐类或单质；第二，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；第三，成形工艺方面应用了等静压成形、热压铸成形等；第四，制品的形态有单晶、薄膜、纤维及复合形式等。显然，陶瓷材料的涵义已大大得到扩展。陶瓷材料的性能特点主要有以下几个方面。
（1） 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。
（2） 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；金刚石属于最硬的物质，为6000～10000HV(而淬火钢仅为500～800HV，塑料小于20HV)。
（3） 熔点高，高温强度高，线膨胀系数很小，是一种较好的高温材料。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，抗熔融金属的侵蚀性高，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。
（4） 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。有的陶瓷在人体内无特殊反应，可制作人造器官(称为生物陶瓷)。陶瓷材料作为功能材料具有广泛的应用前景。
4陶瓷材料的分类
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。现代陶瓷又称精细陶瓷，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。
汽车用陶瓷大致可分为功能材料和结构材料。功能材料是利用其绝缘性、介电性、压电性、半导体、磁性等特异功能，主要用于陶瓷传感器，以不断满足汽车电子化的急剧发展。
5陶瓷材料的用途
结构陶瓷因具有良好的性能，如高强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数、隔热性好及低密度等，用它来替代耐热合金能大幅度地提高热机效率、降低能耗、节约贵重金属、达到轻量化效果。目前，已广泛用于制造发动机和热交换器零件。此外，结构陶瓷还被用来制造切削工具、轴承、泵的机械密封环等，实用效果较好。结构陶瓷的优良机械性能要得以充分发挥，并用于大量生产的汽车零件，就需要解决性能的稳定性和再现性及不断完善加工技术、评价技术、接合技术等方面的问题。功能陶瓷主要用于传感器，此外，还可用于各种执行元件、陶瓷加热器、导电材料、显示装置等。陶瓷传感器在温度传感器、位置传感器、速度传感器、气体传感器、湿度传感器、离子传感器、仓储等得到非常广泛的应用。用于汽车的传感器应具有的特性:要能长久适用汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气)，要小型轻量，重复使用性要好(精度达±0.5%～1%)、输出范围要广。
汽车用温度传感器以热敏系为主，发动机冷却水温度调节也有采用感温铁氧体的。
（1） 热敏电阻
过渡族金属氧化物系陶瓷半导体随温度升高其电阻下降，把具有这种特性的半导体称为热敏电阻。热敏电阻的使用温度可达1000℃，被广泛用于防止排气净化触媒的过热。上述这种随温度升高电阻下降的热敏电阻称为NTC(负电阻温度系数)热敏电阻。BaTiO3系半导体，在居里点以上电阻急剧增加，把这种具有正电阻温度系数的热敏电阻称为PTC热敏电阻。通过改变化学成分(更换Sr或Pb)来控制电阻急剧增加而产生的温度变化；可作为自行控制温度加热器或温度补偿用热敏电阻。这种PTC加热器被用于自动阻风门、各种传感器内加热体、进气加热器等。