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。

01

陶瓷材料概况

1、陶瓷材料的性能

2、陶瓷材料的分类

（1）氧化物陶瓷

氧化物陶瓷是最早被使用的陶瓷材料，其种类也最多，应用最广泛。最常用的是Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2、CeO2、CaO及莫来石和尖晶石等，其中Al2O3和SiO2就像金属材料中钢铁和铝一样广泛应用。除了上述单一氧化物外，还有大量氧化物的复合氧化物陶瓷。

（2）碳化物陶瓷

碳化物陶瓷具有比氧化物更高的熔点，但碳化物易氧化，因此在制造和使用时必须防止。最常用的有SiC、WC、B4C、TiC等。

（3）氮化物陶瓷

包括Si3N4、TiN、BN、AlN等。其中Si3N4具有优良的综合力学性能和耐高温性能；TiN有高硬度；BN具有耐磨减摩性能；AlN具有热电性能，其应用正日趋广泛。

（4）其他化合物陶瓷

指除上述几类陶瓷和金属及向分子材料以外的无机化合物，包括常作为陶瓷添加剂的硼化物陶瓷以及具有光学、电学等特性的硫族化合物陶瓷等，其研究和应用也日益增多。

02

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。

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。

03

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

在新能源汽车的核心电机驱动中，采用SiC MOSFET器件比传统Si IGBT带来5%～10%续航提升，未来将会逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面积小，对散热要求高。陶瓷覆铜板是铜-陶瓷-铜“三明治”结构的复合材料，它具有陶瓷的散热性好、绝缘性高、机械强度高、热膨胀与芯片匹配的特性，又兼有无氧铜电流承载能力强、焊接和键合性能好、热导率高的特性，几乎成为SiC MOSFET在新能源汽车领域主驱应用的必选项。

氮化硅陶瓷基板具备优异的散热能力和高可靠性，是SiC MOSFET模块的关键封装材料之一。日本京瓷采用活性金属焊接工艺制备出了氮化硅陶瓷覆铜基板，其耐温度循环（-40~125℃）达到5000次，可承载大于300A的电流，已被用于电动汽车、航空航天等领域。

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。

片式多层陶瓷电容

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。与传统车相比，电动车的电子化水平有大幅提升，从新增的电控、电池管理系统，从影音娱乐系统到 ADAS 系统到完全自动驾驶系统等等，汽车电子化水平的提升极大地促进了车用 MLCC 的增长。

陶瓷轴承

新能源汽车中，陶瓷轴承的应用成为一种趋势。新能源汽车对汽车轴承提出了更多新要求，首先电机轴承相比传统轴承转速高，需要密度更低、相对更耐磨的材料；同时由于电机的交变电流引起周围电磁场变化，需要更好的绝缘性减小轴承放电产生的电腐蚀；第三，要求轴承球表面更光滑，较少磨损。陶瓷球具有低密度、高硬度、耐摩擦等特点，适宜高速旋转工况，在高温强磁高真空等领域，陶瓷球具有不可替代性。

特斯拉采用的电机中输出轴是采用陶瓷轴承，采用NSK设计的混合陶瓷轴承，轴承滚珠采用50个氮化硅球组成；奥迪ATA250电机位于内部的2个转子轴承采用陶瓷材质制成。

碳陶制动盘

碳陶（C/C-SiC）复合材料是在碳/碳复合材料基础上发展起来的一种新型刹车片材料，该材料以准三维碳纤维整体针刺毡为骨架增强体，以沉积碳、SiC及残余硅为基体复合而成。该材料结合了碳纤维和多晶碳化硅这两者的物理特性，具有高温稳定性、高导热性、高比热等特点。

此外，碳陶刹车具有轻量化、耐磨损等特点，不但延长了刹车盘的使用寿命，并且避免了因负载而产生的所有问题。据研究，一对碳陶刹车盘比同尺寸灰铸铁刹车盘可使汽车悬挂系统以下减重20kg,对于电动汽车来说，约可增加续航里程50km。在新能源汽车行业电动化、智能化、高端化趋势下，碳陶刹车系统可显著提高车辆响应速度、缩短制动距离，有望成为线控制动的最佳执行器件，可以说是电动车未来关键减重零部件。

动力电池陶瓷密封连接器

动力电池陶瓷密封连接器是新能源电动汽车的重要组成部分，以前是从国外进口，用于新能源电动汽车中动力电池盖板与极柱之间形成密封导电连接。

陶瓷具备优越的电绝缘性和机械强度，在电子行业用做密封件已越来越普遍，近些年已逐渐有龙头电池企业用陶瓷密封来代替常见的塑料密封，其代表性企业就是比亚迪，拆开比亚迪的“刀片电池”，可以看到电芯就是用的陶瓷密封，使安全性大大提升。目前，该领域由娄底市安地亚斯公司领先市场，产品采用高纯氧化铝陶瓷及厚膜镀镍工艺技术生产，适用于钎焊铜和铝等不同材质。

动力电池陶瓷隔膜

聚烯烃类隔膜是当前主流隔膜，但是，这种膜的热稳定性较差。聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）的熔点分别为165℃和135℃，这会引起潜在的安全问题，因为在高温下，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。陶瓷材料提供了高耐热性，而粘合剂则提供粘附力以保持涂层和整个复合隔膜的结构完整性。一方面，由于提高了热稳定性，这种陶瓷涂覆隔膜可以通过防止高温下的短路而有效地提高锂离子电池的安全性；另一方面，陶瓷涂覆隔膜与电解液和正负极材料有良好的浸润和吸液保液的能力，大幅度提高了电池的性能和使用寿命。常用的陶瓷材料包括α－氧化铝、勃姆石、SiO2、CeO2、MgAl2O4、ZrO、TiO2等。

光学材料

透明陶瓷是指采用陶瓷工艺制备的具有一定透光性的多晶材料，又称为光学陶瓷。与玻璃或树脂类光学材料相比，透明陶瓷不仅具有与光学玻璃相仿的透光质量，而且更强、更硬、更耐腐蚀、更耐高温，可应用于极端恶劣的工况，并且折射率可以变化，目前业界部分厂商已经在尝试采用透明陶瓷材料作为车载摄像头镜片、激光雷达窗口材料、激光光学器件等。

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。

文章来源： 粉体网， 新型陶瓷