中国粉体网讯 鉴于碳排放标准日益趋严，汽车轻量化已成为全球汽车工业的一致目标。根据欧洲汽车工业协会的研究，汽车质量每下降100公斤，百公里油耗可下降0.4L，碳排放大约可以减少1公斤。美国能源部数据亦显示，汽车重量每下降10%，则其燃料消耗降低6%-8%，若汽车的传统钢铁部件被轻量化材料替代，则汽车车身及底盘的重量可降低50%，相应碳排放亦会降低。因此，汽车轻量化能够有效降低碳排放。
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相比于传统汽油车领域，汽车轻量化对于节能与新能源汽车领域的发展更为关键。根据中国汽车工程学会2020年10月发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，汽车轻量化是新能源汽车、节能汽车与智能网联汽车的共性基础技术，是我国节能与新能源汽车技术的未来重点发展方向。
铝合金材料由于具有轻量化、易成型、高强度、耐腐蚀、价格低于镁合金及碳纤维增强材料等优点。在目前汽车工业追求节能、绿色、环保的大环境下，“以铝代钢”是实现汽车轻量化一条明路。
当然，任何材料都不是完美的，单纯的使用铝及合金材料有时并不尽如人意。例如，当我们想用铝合金做成刹车盘时，其相对较差的摩擦磨损性能则令人很不“放心”；当我们想用铝合金材料做一些车身结构件如防撞梁、门槛加强件时，其又显得较为“软弱”。
“陶瓷铝合金”化解尴尬
针对以上这种状况，有人提出了“陶瓷铝合金”的概念，即陶瓷颗粒增强铝基复合材料。该材料结合了陶瓷颗粒及铝合金的优点，突破了单一材料的性能局限，具有轻质、高刚度、高强度、高抗疲劳、耐高温的优越性能，其力学性能远高于铝合金，同时保持了铝合金良好的加工制造性能。
陶瓷颗粒的种类有TiC、ZTA（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）、Al2O3、SiC、TiB2、ZrO2、MgO、Si3N4、SiO2、WC、B4C等。每一种陶瓷颗粒的作用与功能各具不同，需综合考虑材料的生产成本等因素。目前TiB2、SiC等陶瓷颗粒作为增强相在汽车中使用的较为广泛。
SiC/Al复合材料及其在汽车中的应用
制动盘服役过程中受强烈摩擦力作用，车辆动能转化为热能使制动盘温度迅速升高，在车辆运行过程中热量又散至空气中使制动盘冷却，制动盘易产生热疲劳。因此，制动盘材料应具有良好的高温强度、耐磨性能，稳定且合适的摩擦因数等优点。为满足轻量化要求，其还必须具有密度小的特性。
目前国内外开发的城市轨道交通制动盘主要为铸铁、铸钢、锻钢、铝基复合材料与以碳纤维或其织物为增强相（C/C）的复合材料制动盘。在不同材料制成的制动盘中，铝合金与灰口铸铁的适应范围最广，基本覆盖轨道交通的运营速度范围，但是铸铁、铸钢、锻钢的密度大，与轨道交通车辆轻量化发展方向不相符；C/C复合材料具有质轻、耐磨、高导热的特点，但成本高昂，在轨道交通方面经济性较差。
碳化硅颗粒具有强度高、硬度高、弹性模量高与耐磨性能好等优点，常被选用为铝基复合材料的增强体。近年来，碳化硅增强的陶瓷铝合金材料的高耐磨性能得到广泛关注，各国轨道交通领域均展开了该材料在制动盘上的应用性能研究。自20世纪90年代以来，福特和丰田汽车公司开始采用Alcan公司的20%SiC/Al-Si来制作刹车盘；美国Lanxide公司生产的SiC/Al汽车刹车片于1996年投入批量生产；德国已将该材料制作的刹车盘成功应用于时速为160km/h的高速列车上。我国相关企业也就该项技术开展大量工作，并取得显著突破。
SiC/Al复合材料汽车中的成功应用还包括发动机活塞，用碳化硅增强的陶瓷铝合金材料与传统的铝材料相比，具有较低的热膨胀系数，缩短了活塞和气缸壁之间的间隙，从而提高了性能。
TiB2/Al复合材料及其在汽车中的应用
在陶瓷铝合金材料的增强相中，TiB2颗粒结构单一，易于制备且具有优异的耐蚀和力学性能，所以TiB2颗粒增强铝基复合材料得到了研究人员的重视。
该材质陶瓷铝合金材料具有高刚度、高强度、高抗疲劳、耐高温等优越性能。开发该纳米陶瓷铝合金材料，通过优化设计，应用于汽车上的不同零部件，实现汽车降重、降成本、提高疲劳寿命等目标。
该陶瓷铝合金在汽车上的应用
1、铸造纳米陶瓷铝合金
铸造纳米陶瓷铝合金新材料可应用于汽车底盘零件，如副车架、转向节、车轮支架、控制臂等，尤其是一体化副车架，以及目前正在研究的一体化后地板，均可使用该材料，可显著降低汽车质量，提升操控性。采用该铸造纳米陶瓷铝合金材料生产的转向节可达到锻造转向节水平。
2、型材纳米陶瓷铝合金
质量轻、强度高的型材纳米陶瓷铝合金材料可应用于车身结构件，如防撞梁、门槛加强件、新能源车电池盒等，可显著减轻汽车质量，减小壁厚，提升可靠性。型材纳米陶瓷铝合金在同等强度下，壁厚比常规铝合金型材薄，可结合产品结构优化设计。
型材纳米陶瓷铝合金应用于汽车电池托盘
3、耐高温纳米陶瓷铝合金
按照国V、国VI及以上排放要求，不断增加的发动机升功率，不断增长的活塞寿命，传统耐高温铝合金已经不能满足要求，耐高温纳米陶瓷铝合金与常规耐高温铝合金材料比较，高温抗拉强度、抗热疲劳性能、耐腐蚀性及耐磨性显著提高，可广泛应用于发动机内零件。
耐高温纳米陶瓷铝合金应用于汽车发动机
4、纳米陶瓷铝合金3D打印材料
纳米陶瓷铝合金3D打印材料具有高的激光吸收率，晶粒尺寸细小，经3D打印后可实现零件定制化、轻量化、复杂结构一体化，零件性能达到或超过锻件水平。
纳米陶瓷铝合金3D打印材料应用于汽车复杂结构零件
通过使用纳米陶瓷铝合金3D打印材料可以快速制造加工复杂结构的零件，例如涡轮增压叶片、热交换器、管接头等，这样可以减少开发阶段的开模费用和实验周期。
制备方法简述
目前可以通过粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法、喷射共沉积法等方法制备颗粒增强铝基复合材料，其中铸造法是目前正在发展应用的金属基复合材料制造方法中最为经济的方法之一，该方法的消耗较小且不受零件形状的限制。
此外，与外加颗粒制备技术相比，原位自生复合技术能够有效改善增强体与基体间的界面结合强度，近年来受到研究人员的广泛关注。
结束语
随着科技的发展，人们对材料性能要求越来越高，单一材料难以满足现代工业发展的需求，材料的复合化是未来材料发展的必然趋势。陶瓷铝合金材料作为新型技术，它与现代科学技术和高新技术产业的发展密切相关，它的出现将有力地促进汽车轻量化发展进程。
参考来源：
[1]胥洲等.纳米陶瓷铝合金在汽车上的应用
[2]王瑞等.制动盘用SiCp/A357铝基复合材料摩擦磨损性能研究
[3]张跃波等.挤压态原位自生TiB2/6061铝基复合材料组织及性能研究
[4]刘春轩等.轨道交通制动盘用颗粒增强铝基复合材料研究及进展
[5]郑喜军等.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势
[6]郝世明等.陶瓷颗粒增强铝基复合材料的研究进展
（中国粉体网编辑整理/山川）
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