汽車輕量化趨勢下，陶瓷材料的光輝使命

  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的一致目標。根據歐洲汽車工業協會的研究，汽車質量每下降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。美國能源部數據亦顯示，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%，相應碳排放亦會降低。因此，汽車輕量化能夠有效降低碳排放。 相比于傳統汽油車領域，汽車輕量化對于節能與新能源汽車領域的發展更為關鍵。根據中國汽車工程學會2020年10月發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，汽車輕量化是新能源汽車、節能汽車與智能網聯汽車的共性基礎技術，是我國節能與新能源汽車技術的未來重點發展方向。

 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點。在目前汽車工業追求節能、綠色、環保的大環境下，“以鋁代鋼”是實現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構件如防撞梁、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合材料。該材料結合了陶瓷顆粒及鋁合金的優點，突破了單一材料的性能局限，具有輕質、高剛度、高強度、高抗疲勞、耐高溫的優越性能，其力學性能遠高于鋁合金，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復合材料及其在汽車中的應用

  制動盤服役過程中受強烈摩擦力作用，車輛動能轉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，制動盤易產生熱疲勞。因此，制動盤材料應具有良好的高溫強度、耐磨性能，穩定且合適的摩擦因數等優點。為滿足輕量化要求，其還必須具有密度小的特性。

 目前國內外開發的城市軌道交通制動盤主要為鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、鋁基復合材料與以碳纖維或其織物為增強相（C/C）的復合材料制動盤。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展方向不相符；C/C復合材料具有質輕、耐磨、高導熱的特點，但成本高昂，在軌道交通方面經濟性較差。

  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點，常被選用為鋁基復合材料的增強體。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注，各國軌道交通領域均展開了該材料在制動盤上的應用性能研究。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公司生產的SiC/Al汽車剎車片于1996年投入批量生產；德國已將該材料制作的剎車盤成功應用于時速為160km/h的高速列車上。我國相關企業也就該項技術開展大量工作，并取得顯著突破。 SiC/Al復合材料汽車中的成功應用還包括發動機活塞，用碳化硅增強的陶瓷鋁合金材料與傳統的鋁材料相比，具有較低的熱膨脹系數，縮短了活塞和氣缸壁之間的間隙，從而提高了性能。

 TiB2/Al復合材料及其在汽車中的應用

  在陶瓷鋁合金材料的增強相中，TiB2顆粒結構單一，易于制備且具有優異的耐蝕和力學性能，所以TiB2顆粒增強鋁基復合材料得到了研究人員的重視。 該材質陶瓷鋁合金材料具有高剛度、高強度、高抗疲勞、耐高溫等優越性能。開發該納米陶瓷鋁合金材料，通過優化設計，應用于汽車上的不同零部件，實現汽車降重、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用于汽車底盤零件，如副車架、轉向節、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，可顯著降低汽車質量，提升操控性。采用該鑄造納米陶瓷鋁合金材料生產的轉向節可達到鍛造轉向節水平。

2、型材納米陶瓷鋁合金 質量輕、強度高的型材納米陶瓷鋁合金材料可應用于車身結構件，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，壁厚比常規鋁合金型材薄，可結合產品結構優化設計。 型材納米陶瓷鋁合金應用于汽車電池托盤

 3、耐高溫納米陶瓷鋁合金 按照國V、國VI及以上排放要求，不斷增加的發動機升功率，不斷增長的活塞壽命，傳統耐高溫鋁合金已經不能滿足要求，耐高溫納米陶瓷鋁合金與常規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，可廣泛應用于發動機內零件。

 耐高溫納米陶瓷鋁合金應用于汽車發動機

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3D打印后可實現零件定制化、輕量化、復雜結構一體化，零件性能達到或超過鍛件水平。

 納米陶瓷鋁合金3D打印材料應用于汽車復雜結構零件

 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雜結構的零件，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合材料，其中鑄造法是目前正在發展應用的金屬基復合材料制造方法中最為經濟的方法之一，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相比，原位自生復合技術能夠有效改善增強體與基體間的界面結合強度，近年來受到研究人員的廣泛關注。