陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)成世界汽車研究熱點(diǎn) 或掀起汽車革命
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小陶陶
2019-02-26 中國(guó)陶瓷官1737
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陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)汽車為我們展現(xiàn)了美好前景：車體輕盈，功率強(qiáng)勁，能以500千米的時(shí)速奔馳，無(wú)需冷卻，而且節(jié)省燃料，有害廢氣極少。陶瓷，尤其氮化硅碳化硅陶瓷具有高溫強(qiáng)度、耐蝕性耐磨性，用陶瓷來(lái)制造發(fā)動(dòng)機(jī)已成為當(dāng)前世界各國(guó)奮力追求的目標(biāo)。
陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)具有一定的優(yōu)越性：熱效率提升，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，從而提高熱效率。例如，對(duì)內(nèi)燃機(jī)而言，目前作為其制造材料的鎳基耐熱合金，工作溫度在1000℃右。而采用陶瓷材料，則可以將工作溫度提高到1300℃，使發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高30%右。工作溫度高，可使燃料燃燒充分，所排廢氣中的有害成分降低，這不僅降低了能源消耗，而且減少了環(huán)境污染。陶瓷的熱傳導(dǎo)性比金屬低，這使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量不易散發(fā)，節(jié)省能源。陶瓷具有較高的高溫強(qiáng)度熱傳導(dǎo)性，可延發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，陶瓷本身就密度小重量輕膨脹系數(shù)低，在極高的溫度下還可以正常工作，就減去了復(fù)雜的散熱系統(tǒng)從而減輕重量。對(duì)油品的要求也會(huì)降低，陶瓷具有很好的抗腐蝕性，即使在高溫下也不容易氧化，耐磨抗疲勞性也要比金屬要好，不容易產(chǎn)生積碳。
當(dāng)然，想采用陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)也有難點(diǎn)：陶瓷雖然很好，但是非常的脆，不過(guò)目前通過(guò)納米化可以讓陶瓷擁有塑料一樣的韌性，可以明顯改善其強(qiáng)度、硬度以及抗疲勞破壞性。制造工藝較高。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)成為世界汽車研究的熱點(diǎn)，但是制造工藝較高是個(gè)致命的問(wèn)題，畢竟汽車需要量產(chǎn)。
陶瓷首先在高溫燃?xì)廨啓C(jī)中，可用于制造葉片、燃燒筒、套管、主軸軸承等，用陶瓷代替鎳基、鈷基耐熱合金，成本可降低到原來(lái)的1/30。同時(shí)，陶瓷也可用于制造內(nèi)燃機(jī)，可用于制造活塞內(nèi)襯、氣缸、預(yù)燃燒室、挺桿、閥門、噴嘴、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子及軸承等零部件。據(jù)測(cè)算，若汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的所有零部件都采用陶瓷制造，其重量可比合金發(fā)動(dòng)機(jī)輕2/3，燃料費(fèi)降20%。1977年美國(guó)福特汽車公司用氮化硅碳化硅陶瓷制造了一臺(tái)全陶瓷燃汽輪機(jī)，其燃?xì)馊肟跍囟葹?230℃，轉(zhuǎn)速為5萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，成功運(yùn)轉(zhuǎn)了25小時(shí)。1982年，瑞典沃爾沃聯(lián)合公司共同研制的燃汽輪機(jī)，成功進(jìn)行了乘用車的實(shí)際行駛，在世界上首獲成功，其渦輪工作溫度為1100℃，轉(zhuǎn)速為5萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，運(yùn)行了10小時(shí)。1990年，我國(guó)第一臺(tái)無(wú)水冷陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)就在上海誕生了，它經(jīng)過(guò)400小時(shí)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)以及實(shí)車長(zhǎng)距離實(shí)驗(yàn)，順利的從上海開到了北京。在724小時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，燃油消耗效率為213.56g/km.h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前1.5L直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的380 g/km.h，而且那是在遙遠(yuǎn)的1990年。 目前，美系研發(fā)主要以通用、福特、諾爾頓等公司主導(dǎo)，其實(shí)用階段的探索已經(jīng)相繼建立了專業(yè)化的陶瓷生產(chǎn)中心。日系主要以豐田、日產(chǎn)等公司聯(lián)合開發(fā)為主，建立了數(shù)千家新型陶瓷研究機(jī)構(gòu)，其主導(dǎo)開發(fā)的213KW的KANATN陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)具備量產(chǎn)規(guī)模，并用于概念車裝配。德國(guó)奔馳公司主導(dǎo)的歐系車尤里卡計(jì)劃中，主要配合成員國(guó)有法國(guó)、瑞典，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)主題備件主要以復(fù)合材料主要包括陶瓷、樹脂、金屬、塑料、強(qiáng)化劑、韌性劑等成分。其功能合理性好，工作穩(wěn)定溫度可以達(dá)到1600℃。
如今，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷應(yīng)用主要還是發(fā)動(dòng)納米陶瓷鍍層，在缸體和活塞的熱接觸表面上施加一層陶瓷，在關(guān)鍵部分獲得陶瓷的性能同時(shí)完美地規(guī)避了陶瓷的缺點(diǎn)。中國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸等離子體陶瓷化處理的全套設(shè)備制造技術(shù)和關(guān)鍵工藝，成功地在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸上實(shí)現(xiàn)了陶瓷合金制造。
目前阻礙陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化的主要障礙是陶瓷脆性導(dǎo)致的低可靠性和較高制造工藝。若能解決這個(gè)問(wèn)題，納米陶瓷技術(shù)在汽車中的運(yùn)用會(huì)掀起一場(chǎng)汽車革命，將會(huì)給人類社會(huì)的發(fā)展提供強(qiáng)的推動(dòng)力。
責(zé)任編輯：黃敬偉
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