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(huì)推動(dòng)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(duì)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(shì)必為汽車的“鐵器時(shí)代”劃上句號(hào)。
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(dòng)化浪潮下，汽車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)了第三代半導(dǎo)體加速上車，同時(shí)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(shí)代
發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)上，會(huì)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(dòng)機(jī)可以減輕重量，結(jié)合散熱系統(tǒng)簡(jiǎn)化所減輕的重量，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的重量可以做得比金屬發(fā)動(dòng)機(jī)更輕巧。其中主要的陶瓷零部件有以下幾種。
1、發(fā)動(dòng)機(jī)心
為了提高發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)心，這樣既可防止汽缸內(nèi)熱能損失，又簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的總體構(gòu)造，降低了發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)便是一個(gè)典型的例子；第二種是僅在制備缸套上圈時(shí)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(gè)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(shí)的彈跳，降低噪聲與振動(dòng)，延長(zhǎng)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(gè)，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(dòng)車污染物排放法規(guī)，控制標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，推動(dòng)尾氣處理技術(shù)路線不斷升級(jí)，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(dòng)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(duì)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(shí)代
當(dāng)前，汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入百年一遇的大變革時(shí)期，汽車電動(dòng)化正成為新的發(fā)展潮流和趨勢(shì)。電動(dòng)化浪潮下汽車的各大系統(tǒng)設(shè)計(jì)均發(fā)生了翻天覆地的變化，不僅發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱等這些大總成正經(jīng)歷一場(chǎng)變革，其零部件材料及設(shè)計(jì)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(shì)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(shì)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(dòng)汽車中，大功率封裝器件在調(diào)控汽車速度和儲(chǔ)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(duì)電子封裝的散熱提出了嚴(yán)格的要求，同時(shí)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(shí)，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(dòng)化浪潮下，軸承作為一個(gè)小零部件其設(shè)計(jì)和供應(yīng)鏈也在持續(xù)變革。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為電動(dòng)汽車發(fā)展對(duì)軸承行業(yè)的挑戰(zhàn)主要呈現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
首先是高轉(zhuǎn)速�，F(xiàn)今，新能源汽車對(duì)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(duì)軸承來說是比較苛刻的挑戰(zhàn)，這個(gè)挑戰(zhàn)來自耐久性能和極高轉(zhuǎn)速的限制。與此同時(shí)，扁線電機(jī)逐步成為技術(shù)趨勢(shì)，這在功率密度提升的同時(shí)，也對(duì)軸承的潤(rùn)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(dòng)是電動(dòng)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(shì)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(huì)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(jì)中，軸承的使用數(shù)量越來越少、設(shè)計(jì)越來越緊湊，這對(duì)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(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，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(dòng)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(dòng)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(shì)，MLCC又找到了更加滋潤(rùn)的土壤。汽車電動(dòng)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(dòng)元件之一。
不同車型對(duì)MLCC的需求量
電動(dòng)化程度不同的車型，對(duì)MLCC的需求量也有所不同，其中一輛純電動(dòng)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(jí)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(duì)干態(tài)衰減約50%）、熱庫體積大、抗氧化性能差、生產(chǎn)周期長(zhǎng)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(dòng)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(huì)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(duì)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(shí)，越來越多的鋰電池設(shè)計(jì)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(dòng)力電池蓋板和極柱之間形成密封導(dǎo)電連接，確保電池?fù)碛辛己玫拿芊庑裕钃蹼娊庖旱男孤�，為電池�?nèi)部反應(yīng)供應(yīng)良好的密閉環(huán)境。同時(shí)在電池蓋板下壓時(shí)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(huì)出現(xiàn)損毀失效，將會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)連接在動(dòng)觸點(diǎn)組件與推動(dòng)桿之間，使動(dòng)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(shí)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(jià)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(duì)電路進(jìn)行過電流保護(hù)的器件。工作時(shí)，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(duì)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(shí)代，個(gè)人消費(fèi)需求推動(dòng)新能源車的高壓平臺(tái)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(zhǎng)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(chǎng)消費(fèi)需求萎縮的影響，傳統(tǒng) LED 照明市場(chǎng)表現(xiàn)低迷，而車用 LED 市場(chǎng)因新能源汽車?yán)瓌?dòng)逆勢(shì)上揚(yáng)。
LED 襯底是藍(lán)寶石材料，藍(lán)寶石襯底的優(yōu)勢(shì)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(jià)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(dòng)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(jì)、熱管理等功能，為動(dòng)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(dòng)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(duì)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(gè)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(jiǎn)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）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
