中国粉体网讯 一代材料，一代产业。在汽车工业中，材料就是一切，材料的革新往往会推动汽车行业的大跨步发展。如今，随着汽车产业的不断发展以及人们对汽车环保性、节能性、安全性以及舒适性的要求越来越高，汽车用材料也在不断地发生变化。
例如，数十年前的汽车，几乎皆以形形色色的钢铁打造。其中只有少数零件采用塑料或木材。然而如今汽车工业在材料应用上却有很大的转变，铝材等轻质新材料大行其道，各种合成材料层出不穷。更轻、更强的材料相继问世，势必为汽车的“铁器时代”划上句号。
先进陶瓷与金属材料、高分子材料并称为“三大固体材料”，具有优异的力学、声、光、热、电、生物等特性，在汽车产业中有重要的应用。尤其在如今的电动化浪潮下，汽车的系统设计发生了翻天覆地的变化，各大总成及零部件也在同步变革，先进陶瓷的一小步有可能引领当今汽车工业向前一大步，例如，氮化硅陶瓷基板推动了第三代半导体加速上车，同时氮化硅陶瓷轴承的应用也直接突破了耐久性、高转速、电腐蚀的限制。
传统燃油车时代
发动机
陶瓷材料具有耐热、耐磨、耐腐蚀、低密度、强隔热性多种优点，将陶瓷材料用在制备陶瓷绝热发动机上，会很好地防止气缸内部热能的损失。陶瓷的密度虽然没有铝材那么低，但比钢材要低不少，密度更低意味着发动机可以减轻重量，结合散热系统简化所减轻的重量，陶瓷发动机的重量可以做得比金属发动机更轻巧。其中主要的陶瓷零部件有以下几种。
1、发动机心
为了提高发动机热效率、节约能源，可利用陶瓷材料的耐热、耐磨、耐腐蚀、高弹性模量(低膨胀系数）、低密度、隔热性好等特点制作陶瓷绝热发动机心，这样既可防止汽缸内热能损失，又简化了发动机的总体构造，降低了发动机重量。
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2、活塞环
活塞环是防止燃烧室内气体泄漏到曲轴箱的装置。传统的活塞环通常使用铸铁或钢质材料制造，但由于高温和高速旋转的环境，这些材料容易出现磨损和变形等问题。因此，一些汽车制造商开始采用高性能陶瓷材料制造活塞环，以提高其耐磨和耐高温性能。
3、陶瓷气缸套
陶瓷气缸套可以分成以下的形式：第一种是在汽缸套内表面全部由陶瓷材料覆盖，日本小松发动机便是一个典型的例子；第二种是仅在制备缸套上圈时用到陶瓷材料；而第三种是将金属同陶瓷材料进行复合制备，从而将一个全陶瓷缸套制作出来。
4、陶瓷配气机构
利用陶瓷材料低密度、耐热和耐磨的特点，用陶瓷材料制造气门、气门座、挺柱、气门弹簧和摇臂，可以减少气门座的变形和落座时的弹跳，降低噪声与振动，延长使用寿命。
陶瓷传感器
在现代汽车上，电子零部件平均在每辆高档车零部件成本中占有30%的比率，汽车传感器多达百至数百个，以往安装在豪华、高档车或专用车辆上的先进传感器，现也纷纷落户在中、低档车上。
应用于汽车的陶瓷传感器材料有热敏陶瓷、气敏陶瓷、压电陶瓷、湿敏陶瓷和厚膜力敏陶瓷等。
尾气处理—蜂窝陶瓷
“双碳”背景下，我国制定了一系列机动车污染物排放法规，控制标准不断提升，推动尾气处理技术路线不断升级，产品技术规格不断提高。2021年7月，堪称全球最严排放标准的国六标准正式实施，距离国六实施半年后，我国又印发《“十四五”节能减排综合工作方案》，提出要全面实施汽车国六排放标准和非道路移动柴油机械国四排放标准，基本淘汰国三及以下排放标准汽车。
蜂窝陶瓷载体是一种具有高目数、大比表面积、高抗压强度、低热膨胀系数、优异抗热冲击性能的陶瓷载体，常用堇青石和碳化硅材质，广泛应用于车用尾气净化处理的催化转化器，对汽车排放废气中的有害气体进行催化转化、固态颗粒物进行过滤拦截，满足日趋严苛的排放法规。
陶瓷涂层
目前陶瓷涂层技术已在汽车及其他许多领域中成功应用，发挥越来越重要的作用，其技术的开发有着非常广阔的前景。例如热喷涂纳米结构陶瓷涂层具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能和抗热震性能，可应用于汽车的各种机械零部件。诸如活塞、活塞环、汽缸体、阀杆、液压支柱、轴瓦、销子、凸轮、凸杆、涡轮机部件等。
除以上外，传统汽车上应用特种陶瓷材料制成的元件还有利用陶瓷绝缘性制成的陶瓷加热器、利用陶瓷高温高强度制成的转子、转化器、热交换器、发热元件接头和涡轮充电机以及燃气涡轮机上的涡轮叶轮等零部件。
新能源汽车时代
当前，汽车产业进入百年一遇的大变革时期，汽车电动化正成为新的发展潮流和趋势。电动化浪潮下汽车的各大系统设计均发生了翻天覆地的变化，不仅发动机变速箱等这些大总成正经历一场变革，其零部件材料及设计的新旧更替也在迅速刷新着整条产业链。
目前来看，先进陶瓷材料凭借特殊性能优势正在加速“上车”。从轴承、刹车片、基板、电容器、继电器等零部件，到汽车零部件的高效切削加工，先进陶瓷材料的优势在新能源汽车产业中发挥得淋漓尽致。
陶瓷基板
在电动汽车中，大功率封装器件在调控汽车速度和储存-转换交流和直流上发挥着决定性作用。而高频率的热循环对电子封装的散热提出了严格的要求，同时工作环境的复杂性和多元性需要封装材料具有较好的抗热震性和高强度来起到支撑作用。
氮化硅基板，图片来源：正天新材
近年来已经大规模生产、应用较为广泛的陶瓷基板主要有：Al2O3、BeO、SiC、Si3N4、AlN等。其中氮化硅是国内外公认兼具高导热、高可靠性等综合性能最好的陶瓷基板材料。同时，Si3N4陶瓷基板的热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体接近，使其能够与SiC晶体材料匹配性更稳定。这使Si3N4成为第3代SiC半导体功率器件高导热基板材料的首选。
陶瓷轴承
电动化浪潮下，轴承作为一个小零部件其设计和供应链也在持续变革。业内人士认为电动汽车发展对轴承行业的挑战主要呈现在以下几个方面：
首先是高转速。现今，新能源汽车对电机转速提出越来越高的要求，目前比较常见的是20,000-25,000rpm，这对轴承来说是比较苛刻的挑战，这个挑战来自耐久性能和极高转速的限制。与此同时，扁线电机逐步成为技术趋势，这在功率密度提升的同时，也对轴承的润滑和发热都带来了新的考验。
图片来源：养贞轴承
其次是低噪音。低噪音振动是电动汽车用户体验良好的关键，然而电机的高转速趋势给整机的NVH带来了不小的挑战，而轴承是NVH控制的关键因素之一。
再者，电腐蚀问题也在电机发展的过程中如影随形。在传统400V电驱系统内，钢球轴承电腐蚀已经非常普遍；而在800V高压系统中，随着SiC基材逆变器被大规模使用，高压和高开关频率会进一步加剧电腐蚀的发生。
还有一点是电机轻量化带来的挑战。在新的设计中，轴承的使用数量越来越少、设计越来越紧凑，这对轴承的轻量化及耐久性提出了更高要求。
陶瓷材料尤其是氮化硅陶瓷轴承因其材料具有轻量化、高硬度、高强度、低摩擦、高耐热性、电绝缘性优良以及寿命长等优势，被认为是制造汽车轴承的最佳材料。
MLCC
片式多层陶瓷电容（MLCC）被称为“电子工业大米”，是全球用量最大的被动电子元件之一，几乎所有消费电子都要用到MLCC元器件。
MLCC在传统的燃油车中也有大量的应用， 但目前，汽车“新四化”（电动化、智能化、网联化、共享化）正成为新的发展潮流和趋势，MLCC又找到了更加滋润的土壤。汽车电动化、智能化和网联化的功能，都是通过各种电子元器件组成的功能模块实现的，作为通用的基础元件，MLCC是使用数量最多的被动元件之一。
不同车型对MLCC的需求量
电动化程度不同的车型，对MLCC的需求量也有所不同，其中一辆纯电动汽车需要MLCC数量可达到18000颗。随着汽车新四化潮流的不断深入，车规级MLCC需求日盛。
碳陶刹车片
刹车材料经历了从石棉材料、半金属材料、粉末冶金材料到碳碳复合材料和碳陶复合材料的发展。粉末冶金刹车材料存在高温容易粘结、摩擦性能易衰退，高温强度下降显著，抗热震能力差，使用寿命短等缺点；而C/C刹车材料存在静态和湿态摩擦系数低（湿态相对干态衰减约50%）、热库体积大、抗氧化性能差、生产周期长及生产成本高等问题，制约了其进一步发展及应用。
碳陶复合刹车材料是20世纪90年代发展起来的一种以高强度C纤维为增强体，以热解C、SiC等为基体的多相复合刹车材料，是在C/C复合刹车材料的基础上，引入具有优异抗氧化性能的SiC陶瓷硬质材料作为基体的一种刹车材料，其既保持了C/C复合刹车材料密度低、耐高温的优点，又克服了C/C刹车材料静摩擦系数低、湿态衰减大、摩擦寿命不足及环境适应性差等缺点，成为新一代刹车材料。
动力电池
1、陶瓷隔膜
锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液以及封装材料等五部分组成。隔膜是锂离子电池材料中技术壁垒最高的部分，其成本占比仅次于正极材料，约为10%~14%，在一些高端电池中隔膜成本占比甚至达到20%。
在高温下，传统隔膜会收缩或熔化，从而引起内部短路，导致火灾甚至爆炸。针对这种情况，人们已经采取了多种方法来提高隔膜的热稳定性，在PP或者PE隔膜上涂覆一层无机陶瓷颗粒被认为是最有效、最经济的方法。目前常用的陶瓷材料包括α-氧化铝、勃姆石。
2、电极添加材料
如今越来越多的陶瓷粉体被用于锂离子电池正极材料，例如，用高纯氧化铝进行表面包覆钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）、三元材料（Li-Ni-Co-Mn-O）等正极材料能有效提升正极材料的电化学性能。同时，越来越多的锂电池设计方案开始使用纳米复合氧化锆粉体作为正极添加材料，用以稳定电池性能、增加循环寿命。
陶瓷密封圈
密封圈正是位于电池盖板之下，用于动力电池盖板和极柱之间形成密封导电连接，确保电池拥有良好的密封性，阻挡电解液的泄露，为电池内部反应供应良好的密闭环境。同时在电池盖板下压时还能起到减压缓冲用途，保证电池内部组件的正常运行，为电池的寿命和安全供应重要保障。
目前，大多数塑料或玻璃密封圈在压力用途下，会出现损毁失效，将会影响电池的使用寿命。关于一些特殊性电池显然达不到其要求，这就需要一些其他材料的新型密封圈，陶瓷材料具有良好的耐酸碱、抗腐蚀，耐高温等特性使其成为新的选择，现在陶瓷密封圈也被越来越多的应用于动力锂电池行业。
陶瓷继电器
电控技术是衡量新能源节能电动汽车发展水平的重要标志，高压直流陶瓷继电器是电控系统的核心元件。高压直流真空继电器，在由金属与陶瓷封接的真空腔体中，陶瓷绝缘子滑动连接在动触点组件与推动杆之间，使动触点和静触点无论是在导通成断开的任何状态下都与继电器的导磁轭铁板、铁芯等零件构成的磁路系统保持良好的电绝缘，从而保证了继电器在切换直流高电压负载时的断弧能力，电弧是汽车自燃的主要原因。只有采用“无弧”接通分断的继电器产品，才是从根本上解决“自燃”问题的良方。
目前，在国际上高压直流继电器只有日本松下、美国TE公司及韩国知名公司可以生产，产品售价较高。国内企业在高压继电器的研发、生产领域尚处于起步阶段。
陶瓷熔断器
熔断器是对电路进行过电流保护的器件。工作时，熔断器串接在电路中，负载电流流经熔断器。当电路发生短路或过载，过电流的热效应使熔体熔化、气化产生断口，断口产生电弧，熔断器通过熄灭电弧切断故障电路，起到电路保护的作用。
汽车用熔断器分为低压和高压两部分，高压保护主要适用于新能源汽车，应用电压一般为 60VDC-1500VDC，主要是电力熔断器（新能源汽车高压熔断器）对主回路和辅助回路进行保护。随着新能源车市进入后补贴时代，个人消费需求推动新能源车的高压平台化，快充、电机、功率器件等高压领域对于安全的要求不可忽视，熔断器在稳定性以及过流反应中的快速分断能力将在新能源车快速增长下保持需求的高速提升。
LED车灯—蓝宝石衬底（高纯氧化铝）
2022年，受下游市场消费需求萎缩的影响，传统 LED 照明市场表现低迷，而车用 LED 市场因新能源汽车拉动逆势上扬。
LED 衬底是蓝宝石材料，蓝宝石衬底的优势主要表现在器件稳定、制备技术成熟、不吸收可见光、透光率较好、价格适中等方面，有资料显示全球80%的LED企业釆用蓝宝石作为衬底材料。制备蓝宝石衬底的原料是高纯氧化铝，这种氧化铝需要具备较高的纯度，且原料中的水分含量要求非常低。
球形氧化铝
在动力电池组装中，胶粘剂广泛应用于PACK密封、结构粘接、结构导热、电池灌封等方面，提供安全防护、轻量化设计、热管理等功能，为动力电池实现持久、稳定、高效、安全的运行起到了关键性作用。电控方面，IGBT模组与冷面之间的刚性界面需涂抹导热硅脂，减少热阻隔；在驱动电机内，定子用于产生旋转磁性，通常采用高导热胶对定子进行整体灌封。球形氧化铝作为一种热界面材料在以上三个方面均有重要应用。
小结
除了上面列举的陶瓷材料，还有很多陶瓷粉体或制品没有直接上车，但在汽车零部件的生产中却发挥着重要作用。例如，在锂电池正极材料的烧结过程中，推板、匣钵、辊棒等陶瓷窑具必不可少；金属零部件的切削加工需要陶瓷刀具来完成；另外在汽车铝合金轮低压铸造中，浇口套、浇口杯、流槽、吸液管和除气杆等关键部件均为陶瓷制品，发挥着关键作用。
参考来源：
[1]周锡文.陶瓷材料在汽车工业中的应用探究
[2]吴玉宏.陶瓷材料在汽车上的应用
[3]李婷.车用陶瓷材料的简述及其应用
[4]中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/山川）
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