社会の継続的な発展に伴い、自動車に対する人々の要求はますます高まっており、軽量、インテリジェント、信頼性、環境に優しく、快適で経済的であることが求められており、これらの要求を満たすために、科学技術の継続的な発展に伴い、自動車の研究開発が行われています。生産や生産においては新素材や新プロセスの採用が増えており、セラミックスも新素材の活用の一つです。特殊セラミックスは、化学組成、内部構造、性能、効率などにおいて従来のセラミックスとは異なり、さまざまな優れた特性を持っています。自動車材料に携わる研究者は、長年にわたる開発、研究、試験、産業応用を経て、多くの自動車部品やコンポーネントがセラミック材料に変換された後、その機械的特性が金属材料や他の材料で作られたものよりもはるかに優れていることを証明しました。このような特殊セラミックスの優れた特性は、車両自体の軽量化、エンジンの熱効率の向上、燃料消費量の削減、排ガス汚染の低減、摩耗部品の長寿命化、インテリジェント機能の向上などに大きな効果をもたらします。自動車の。
1. 特殊セラミックスの特徴
一般的に使用される自動車用特殊セラミックスは以下のとおりです。
1. アルミナセラミックス。アルミナセラミックスの主な性能特徴は、高強度、高硬度、耐摩耗性、耐食性、耐高温性、優れた絶縁性であり、耐熱温度は1600℃までです。しかし、脆性が高く、耐震性が低く、工程が複雑で、コストが高いという欠点があります。アルミナ セラミックの優れた高温性能と誘電特性はエンジンの点火プラグの製造に使用でき、優れた耐摩耗性はベアリングやピストンの製造に使用できます。
2. 炭化ケイ素セラミックス。炭化ケイ素セラミックスの最大の特徴は、高い高温強度（1400℃でも曲げ強度は500～600MPaを維持）、強い熱伝達能力、優れた熱安定性と耐摩耗性、そして小さな熱膨張係数です。ガスタービンのブレードやベアリングなどの部品の製造に適しています。熱伝導率が高いため、高温条件下での熱交換器材料としても適しており、各種ポンプのシールリングとしても使用できます。
3. 窒化ケイ素セラミックス。窒化ケイ素セラミックは、他のセラミック材料よりも高い歩留まりで、正確な寸法と複雑な形状のさまざまな部品を低コストで製造できます。主な性能特性は、高強度、高硬度であり、ダイヤモンド、窒化ホウ素などに次ぐ硬度を持ち、優れた化学的安定性、耐摩耗性、高い製品精度を備えています。耐摩耗性、耐食性、耐高温性、絶縁性の部品の製造に使用できます。反応焼結窒化ケイ素は、ポンプのメカニカルシールリング、高温ベアリング、バルブ、その他の部品の製造に使用できます。
4. 窒化ホウ素セラミックス。窒化ホウ素セラミックスは、優れた耐熱性、熱安定性、熱伝導性、高温絶縁耐力を有し、理想的な放熱材料および高温絶縁材料です。窒化ホウ素セラミックは優れた化学的安定性を持ち、ほとんどの溶融金属の侵食に耐えることができ、また、その製品は硬度が低く、機械加工も可能です。
5. ジルコニアセラミックス。ジルコニアセラミックの融点は2715℃で、使用温度は2300℃に達します。純ジルコニアは使用できません。安定剤を添加して使用できます。高強度、高靭性、高硬度、耐摩耗性、耐化学腐食性が高く、熱伝導率が小さいため、切削工具、断熱材、摺動部品などに使用されます。
2. 自動車へのセラミックスの応用
(1) 自動車エンジンへのセラミックスの応用
1.セラミック断熱エンジン。セラミック材料（窒化ケイ素セラミックスなど）の耐熱性、耐摩耗性、耐食性、低膨張係数、低密度、良好な断熱性などの特性を利用して、動作温度が1300℃～1500℃に達するセラミック絶縁エンジンを製作します。シリンダー内の熱エネルギーロスを低減し、燃料の完全燃焼を可能にし、排気ガスの環境への影響を低減します。汚染の。さらに、セラミックエンジンは水冷システムを必要とせず、その密度は鋼鉄の約半分にすぎないため、エンジン全体の構造が簡素化され、エンジンの重量とエネルギー消費が削減され、作動出力が45％以上増加します。スチール製エンジンとの比較。
2. セラミックピストン。窒化ケイ素セラミック材料で作られたセラミックファイバーピストンは耐摩耗性に優れ、アルミニウム合金ピストンの大きな熱膨張係数によって引き起こされる「コールドノッキングおよびホットドロー」現象を防止できます。
3. セラミックシリンダーライナー。シリンダーライナーの上部リングにセラミック材料を使用するか、従来のシリンダーライナーの代わりに金属とセラミック材料を使用してフルセラミックシリンダーライナーを作成することで、シリンダー内の熱エネルギーの損失を防ぎ、エンジン構造を簡素化し、熱効率を向上させることができます。効率が低下し、エンジンの品質が低下します。
4. セラミックバルブトレイン部品。セラミック材料の低密度、耐熱性、耐摩耗性の特性を利用してバルブ、バルブシート、タペット、バルブスプリング、ロッカーアームを製造することで、バルブシートの変形や着座時のはね返りを軽減し、騒音や振動を低減し、寿命を延ばすことができます。 。三菱はエンジンロッカーアームの製造にセラミックを使用しており、いすゞの窒化ケイ素製セラミックバルブは鋼製バルブよりも軽量で、一定の燃料節約効果があり、有害な排出物を削減できます。良い結果を達成しました。
5. セラミックバルブヒーター。バルブヒータは吸込側に装備された加熱装置で、チタン酸バリウムセラミック系サーミスタです。吸入空気を加熱する際、温度を制御して装置の信頼性を向上させ、吸入空気の加熱を促進し、燃料の蒸発と混合を完了させ、エンジン始動時に燃焼を完了させ、燃焼を改善します。効率と正味ガス排出量。
(2)自動車ブレーキへのセラミックスの応用
セラミックブレーキのブレーキディスクは強化セラミックで作ることができます。つまり、セラミック粉末とカーボンファイバーが既存の技術の金属の代わりに使用されます。炭素とケイ素の化合物である表面の硬度はダイヤモンドに近く、炭素繊維構造により強度が高く、衝撃に強く、耐食性があり、耐摩耗性に非常に優れています。スチール製ブレーキディスクと比較して、セラミックブレーキディスクは車両全体の重量を軽減し、燃料消費量を削減し、耐用年数を延ばし、ブレーキディスクの耐摩耗性、耐高温性、耐腐食性、およびブレーキ性能を大幅に向上させます。放熱効果は良好です。
(3)自動車用ショックアブソーバーへのセラミックスの応用
高感度セラミック部品を使用した自動車用ショックアブソーバーは、走行中に路面を認識して自動調整する機能があり、わずか20秒で路面の荒れによる振動を軽減できます。衝突時の痛みから乗員を守るため、最小限に抑えます。
(4) セラミックスの自動車溶射技術への応用
近年、航空宇宙技術で広く使われているセラミックス膜の溶射技術が自動車にも応用され始めています。この技術は、プラズマ溶射技術を使用して、三酸化ジルコニウム、炭化チタン、二酸化チタンなどのセラミックスをコーティングし、1mm以内の耐久性のあるコーティングを実現します。エンジンの高温に耐える部品を高温セラミックの層でコーティングすることにより、金属材料本来の強度と靱性を維持するだけでなく、高温耐性も持たせることができます。たとえば、ピストンの上部にジルコニアをスプレーしたり、シリンダーライナーとピストンリングの作動面にセラミックコーティングをスプレーしたりすると、耐摩耗性と耐用年数を向上させることができます。また、この技術を採用することで、エンジンの吸気ダクト表面の耐熱性を1200℃から1700℃に向上させることができます。この処理後のエンジンは、熱損失を低減し、エンジン自体の重量を軽減し、エンジンのサイズを縮小し、燃料消費量を低減することができる。
(5) 車載センサーへのセラミックスの応用
自動車用センサーは、自動車電子制御システムの情報源として、自動車電子制御システムの重要なコンポーネントです。自動車の電子化と自動化の度合いが高まるにつれて、センサーへの依存度も高まります。機能性セラミックス材料の中には、自動車特有の過酷な環境（高温、低温、振動、加速度、湿気、騒音、排気ガス）に長期適応し、自動車のセンサーなどに使用されているものもあります。
1. セラミック温度センサー。エンジン電子噴射システムは、セラミック温度センサーを使用して冷却水温度、吸気温度、排気温度を継続的かつ正確に測定し、温度変化に応じて燃料噴射量を補正または補正したり、アイドル回転数制御の目標値を変更したりすることができます。等を調整し、最適な空燃比を得ることができます。
2. セラミック排気ガスセンサー。自動車の排ガス監視に使用されるジルコニアセンサーは、マニホールドやフロントエキゾーストパイプに取り付けられ、固体電解質ガス感応性セラミック材料を使用して排ガス中のO2濃度を測定し、その測定値をエンジンの吸気口にフィードバックします。エンジンの空燃比を検知し、燃料の燃焼を促進し、常に完全燃焼状態を保つ燃料供給システム。燃料の節約に加えて、CO や NO2 などの有害なガスの排出も削減できます。高感度、優れた信頼性、長寿命を備えています。
3. セラミックノックセンサー。セラミックノックセンサーにより、エンジンはノッキングに近い点火の瞬間に最高の熱効率と最低の燃料消費量で作動することができ、ノックのない作動状態を実現し、可能な限り最大の出力と経済指標で作動することを保証します。
4.超音波センサー。超音波センサーは通常、アルミニウム合金シェル、圧電セラミックトランスデューサー、吸音材、およびリード電極で構成されており、自動車の安全な運転を誘導するための車の後退防止警報装置として使用されます。大型トラック、鉱山トラック、その他の大型車両。超音波センサーは、エンジンの吸入空気量を検出するエアフローメーターにも使用されています。
5. セラミック加速度センサー。セラミック加速度センサーは自動車のエアバッグ システムに使用されており、自動車の低速または高速の瞬間的な衝突強度を検出し、それを電気信号出力に変換して、衝突時にエアバッグが正確かつタイムリーに開くようにします。強度が高く、車の安全性能が向上します。精度と信頼性が高く、実際の衝突状況を迅速に識別できます。
6. セラミック湿度センサー。自動車用湿度センサは、金属酸化物系セラミックス材料からなる多孔質焼結体を内部に備えており、焼結体表面の水分子の吸着を利用して湿度を感知します。抵抗値の変化により湿度を検出します。車の窓ガラスの霜や結露の検知、エンジン吸気口の空気湿度の検知などに適しています。
(6) 自動車用触媒担体へのセラミックスの適用
セラミックス材料は、金属やポリマーなどの材料と比較して、さまざまな高温や腐食環境に適しているため、触媒担体の分野で広く使用されています。触媒反応における担体自体の性能は、触媒の性能に直接影響します。一般的に使用されるコーディエライト ハニカム セラミック担体は、自動車の排気浄化装置に設置されて使用され、自動車の排気ガス中の窒素酸化物 (NOX)、一酸化炭素 (CO) などの有害なガスを窒素 (N2) などの無毒なガスに変換します。 ) と二酸化炭素 (CO2) を大気中に排出すると、車両の排気ガスの汚染レベルを大幅に下げることができます。
(7)自動車マフラーへのセラミックスの応用
自動車の排気管に設置されたハニカム多孔質セラミックに音波が伝播すると、そのリッチネットワーク細孔内で空気振動が引き起こされ、空気と多孔質セラミックマトリックスの摩擦により音波のエネルギーがエネルギーに変換されます。熱エネルギーを消費し、騒音を除去する効果が得られます。
(8)自動車ワイパーへのセラミックスの応用
チタン酸バリウムセラミックスのピエゾ抵抗効果を利用して、雨の量を自動的に感知し、ワイパーを最適な速度に自動的に調整できるスマートセラミックワイパーを作成します。
(9)自動車フィルムへのセラミックスの応用
現在市販されている金属断熱フィルムと比較して、多層ナノセラミック断熱フィルムは優れた熱効果と光透過率を備えており、視覚疲労を軽減し、車内の熱を大幅に軽減し、運転の快適性を向上させ、空気を減らすことができます。負荷と燃料消費量を調整し、断熱性、耐久性、酸化防止、色褪せしにくく、ガラスの破裂を防止し、運転の安全性を高めます。同時に、多層ナノセラミック絶縁膜は非金属セラミック技術を使用しており、金属膜特有の電磁波シールド効果を完全に排除でき、衛星ナビゲーションシステム、携帯電話、リモコンに影響を与えません。制御と高速道路自動料金収受システム。世界のトップスポーツカーに採用されているセラミック絶縁フィルムJieshang にはいくつかの応用例があります。
3. 特殊セラミックスの自動車への応用における問題点
特殊セラミックスは常に開発が続けられている素材であり、その原料の準備、材料の評価、利用技術には解決すべき課題が数多くあります。現在、特殊セラミックスの自動車への適用を妨げている主な理由は、第一に、金属部品の価格をはるかに上回る高コストが続いていること、第二に、特殊セラミックには原材料と品質に対する厳しい要件があることです。プロセスを習得するのが難しく、各バッチの製品を製造するのが難しい。第三に、加工性が悪く、脆性が高く、信頼性が低い。第四に、製造プロセスが複雑で要求が厳しい。
4. 結論
特殊セラミックスの自動車への応用には、現時点では解決すべき課題もいくつかありますが、特殊セラミックスはその優れた特性から、現代の産業技術、特にハイテク分野においてその開発が急速に進んでいます。そして新しいテクノロジーはますます重要になっています。人類社会の持続可能な発展戦略を達成するために、新世代の自動車製品の軽量、インテリジェント、省エネ、安全性、環境保護の要件を満たし、新たな技術革命を加速するために、米国、日本、ドイツ、他の国々は、特殊セラミックスの研究開発に多くの人的資源、資材、資金を投資しており、異なる化学組成と組織構造を持つ特殊セラミックスを使用して、異なる特殊な特性と機能を持たせ、セラミック部品の開発において大きな技術的進歩を遂げています。自動車用部品。我が国もこの分野で大きな進歩を遂げており、自動車用セラミック部品の開発と応用の見通しは非常に魅力的です。近い将来、科学技術の急速な発展に伴い、自動車製造分野においてセラミック材料がさらに飛躍的に発展し、自動車の性能向上に向けた特殊セラミックやスマートセラミックの導入が進むと考えています。できる。
