中國粉體網(wǎng)訊 鑒于碳排放標準日益趨嚴，汽車輕量化已成為全球汽車工業(yè)的一致目標。根據(jù)歐洲汽車工業(yè)協(xié)會的研究，汽車質(zhì)量每下降100公斤，百公里油耗可下降0.4L，碳排放大約可以減少1公斤。美國能源部數(shù)據(jù)亦顯示，汽車重量每下降10%，則其燃料消耗降低6%-8%，若汽車的傳統(tǒng)鋼鐵部件被輕量化材料替代，則汽車車身及底盤的重量可降低50%，相應(yīng)碳排放亦會降低。因此，汽車輕量化能夠有效降低碳排放。
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相比于傳統(tǒng)汽油車領(lǐng)域，汽車輕量化對于節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展更為關(guān)鍵。根據(jù)中國汽車工程學(xué)會2020年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，汽車輕量化是新能源汽車、節(jié)能汽車與智能網(wǎng)聯(lián)汽車的共性基礎(chǔ)技術(shù)，是我國節(jié)能與新能源汽車技術(shù)的未來重點發(fā)展方向。
鋁合金材料由于具有輕量化、易成型、高強度、耐腐蝕、價格低于鎂合金及碳纖維增強材料等優(yōu)點。在目前汽車工業(yè)追求節(jié)能、綠色、環(huán)保的大環(huán)境下，“以鋁代鋼”是實現(xiàn)汽車輕量化一條明路。
當然，任何材料都不是完美的，單純的使用鋁及合金材料有時并不盡如人意。例如，當我們想用鋁合金做成剎車盤時，其相對較差的摩擦磨損性能則令人很不“放心”；當我們想用鋁合金材料做一些車身結(jié)構(gòu)件如防撞梁、門檻加強件時，其又顯得較為“軟弱”。
“陶瓷鋁合金”化解尷尬
針對以上這種狀況，有人提出了“陶瓷鋁合金”的概念，即陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料。該材料結(jié)合了陶瓷顆粒及鋁合金的優(yōu)點，突破了單一材料的性能局限，具有輕質(zhì)、高剛度、高強度、高抗疲勞、耐高溫的優(yōu)越性能，其力學(xué)性能遠高于鋁合金，同時保持了鋁合金良好的加工制造性能。
陶瓷顆粒的種類有TiC、ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷）、Al2O3、SiC、TiB2、ZrO2、MgO、Si3N4、SiO2、WC、B4C等。每一種陶瓷顆粒的作用與功能各具不同，需綜合考慮材料的生產(chǎn)成本等因素。目前TiB2、SiC等陶瓷顆粒作為增強相在汽車中使用的較為廣泛。
SiC/Al復(fù)合材料及其在汽車中的應(yīng)用
制動盤服役過程中受強烈摩擦力作用，車輛動能轉(zhuǎn)化為熱能使制動盤溫度迅速升高，在車輛運行過程中熱量又散至空氣中使制動盤冷卻，制動盤易產(chǎn)生熱疲勞。因此，制動盤材料應(yīng)具有良好的高溫強度、耐磨性能，穩(wěn)定且合適的摩擦因數(shù)等優(yōu)點。為滿足輕量化要求，其還必須具有密度小的特性。
目前國內(nèi)外開發(fā)的城市軌道交通制動盤主要為鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、鋁基復(fù)合材料與以碳纖維或其織物為增強相（C/C）的復(fù)合材料制動盤。在不同材料制成的制動盤中，鋁合金與灰口鑄鐵的適應(yīng)范圍最廣，基本覆蓋軌道交通的運營速度范圍，但是鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼的密度大，與軌道交通車輛輕量化發(fā)展方向不相符；C/C復(fù)合材料具有質(zhì)輕、耐磨、高導(dǎo)熱的特點，但成本高昂，在軌道交通方面經(jīng)濟性較差。
碳化硅顆粒具有強度高、硬度高、彈性模量高與耐磨性能好等優(yōu)點，常被選用為鋁基復(fù)合材料的增強體。近年來，碳化硅增強的陶瓷鋁合金材料的高耐磨性能得到廣泛關(guān)注，各國軌道交通領(lǐng)域均展開了該材料在制動盤上的應(yīng)用性能研究。自20世紀90年代以來，福特和豐田汽車公司開始采用Alcan公司的20%SiC/Al-Si來制作剎車盤；美國Lanxide公司生產(chǎn)的SiC/Al汽車剎車片于1996年投入批量生產(chǎn)；德國已將該材料制作的剎車盤成功應(yīng)用于時速為160km/h的高速列車上。我國相關(guān)企業(yè)也就該項技術(shù)開展大量工作，并取得顯著突破。
SiC/Al復(fù)合材料汽車中的成功應(yīng)用還包括發(fā)動機活塞，用碳化硅增強的陶瓷鋁合金材料與傳統(tǒng)的鋁材料相比，具有較低的熱膨脹系數(shù)，縮短了活塞和氣缸壁之間的間隙，從而提高了性能。
TiB2/Al復(fù)合材料及其在汽車中的應(yīng)用
在陶瓷鋁合金材料的增強相中，TiB2顆粒結(jié)構(gòu)單一，易于制備且具有優(yōu)異的耐蝕和力學(xué)性能，所以TiB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料得到了研究人員的重視。
該材質(zhì)陶瓷鋁合金材料具有高剛度、高強度、高抗疲勞、耐高溫等優(yōu)越性能。開發(fā)該納米陶瓷鋁合金材料，通過優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用于汽車上的不同零部件，實現(xiàn)汽車降重、降成本、提高疲勞壽命等目標。
該陶瓷鋁合金在汽車上的應(yīng)用
1、鑄造納米陶瓷鋁合金
鑄造納米陶瓷鋁合金新材料可應(yīng)用于汽車底盤零件，如副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪支架、控制臂等，尤其是一體化副車架，以及目前正在研究的一體化后地板，均可使用該材料，可顯著降低汽車質(zhì)量，提升操控性。采用該鑄造納米陶瓷鋁合金材料生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)可達到鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)水平。
2、型材納米陶瓷鋁合金
質(zhì)量輕、強度高的型材納米陶瓷鋁合金材料可應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件，如防撞梁、門檻加強件、新能源車電池盒等，可顯著減輕汽車質(zhì)量，減小壁厚，提升可靠性。型材納米陶瓷鋁合金在同等強度下，壁厚比常規(guī)鋁合金型材薄，可結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
型材納米陶瓷鋁合金應(yīng)用于汽車電池托盤
3、耐高溫納米陶瓷鋁合金
按照國V、國VI及以上排放要求，不斷增加的發(fā)動機升功率，不斷增長的活塞壽命，傳統(tǒng)耐高溫鋁合金已經(jīng)不能滿足要求，耐高溫納米陶瓷鋁合金與常規(guī)耐高溫鋁合金材料比較，高溫抗拉強度、抗熱疲勞性能、耐腐蝕性及耐磨性顯著提高，可廣泛應(yīng)用于發(fā)動機內(nèi)零件。
耐高溫納米陶瓷鋁合金應(yīng)用于汽車發(fā)動機
4、納米陶瓷鋁合金3D打印材料
納米陶瓷鋁合金3D打印材料具有高的激光吸收率，晶粒尺寸細小，經(jīng)3D打印后可實現(xiàn)零件定制化、輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化，零件性能達到或超過鍛件水平。
納米陶瓷鋁合金3D打印材料應(yīng)用于汽車復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件
通過使用納米陶瓷鋁合金3D打印材料可以快速制造加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，例如渦輪增壓葉片、熱交換器、管接頭等，這樣可以減少開發(fā)階段的開模費用和實驗周期。
制備方法簡述
目前可以通過粉末冶金法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、噴射共沉積法等方法制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料，其中鑄造法是目前正在發(fā)展應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料制造方法中最為經(jīng)濟的方法之一，該方法的消耗較小且不受零件形狀的限制。
此外，與外加顆粒制備技術(shù)相比，原位自生復(fù)合技術(shù)能夠有效改善增強體與基體間的界面結(jié)合強度，近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注。
結(jié)束語
隨著科技的發(fā)展，人們對材料性能要求越來越高，單一材料難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，材料的復(fù)合化是未來材料發(fā)展的必然趨勢。陶瓷鋁合金材料作為新型技術(shù)，它與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，它的出現(xiàn)將有力地促進汽車輕量化發(fā)展進程。
參考來源：
[1]胥洲等.納米陶瓷鋁合金在汽車上的應(yīng)用
[2]王瑞等.制動盤用SiCp/A357鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能研究
[3]張躍波等.擠壓態(tài)原位自生TiB2/6061鋁基復(fù)合材料組織及性能研究
[4]劉春軒等.軌道交通制動盤用顆粒增強鋁基復(fù)合材料研究及進展
[5]鄭喜軍等.碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
[6]郝世明等.陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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