簡單分析碳復(fù)合材料 在高溫場景下運(yùn)用的解決方案

除了成本高昂外，耐熱性差也是導(dǎo)致碳復(fù)合材料未能在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的一大原因。發(fā)動機(jī)艙布局緊湊，要在渦輪增壓器、尾氣后處理元件或高壓電池包附近布置碳復(fù)合材料，難度很大。

雖然行車時的氣流管理可以減輕熱效應(yīng)，但一旦行車和駐車的暖機(jī)時間過長，碳材就可能出現(xiàn)分層。


陶瓷涂層可解決輕量化材料的熱效應(yīng)問題，例如在碳tu復(fù)合材質(zhì)的剎車密封蓋上涂覆陶瓷隔熱層。

Zicrotec經(jīng)理、英國熱管理專家GraemeBarette表示，鋁的熔點(diǎn)高達(dá)900℃，鋁元件在550-600℃依然可以穩(wěn)定工作。相比之下，碳復(fù)合材料的耐熱極限僅為260℃左右，遠(yuǎn)低于鋁。

為推廣碳復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用，Zicrotec計劃和多家OEM合作，共同引進(jìn)核能行業(yè)的熱障技術(shù)。

“汽車行業(yè)人士已經(jīng)意識到，必須想辦法保護(hù)排氣管附近高溫區(qū)域的碳復(fù)合板，”Barette說，“而且除了排氣管附近以外，車內(nèi)很多地方的溫度都超過了碳復(fù)合材料可以承受的工作溫度。”


Barette表示，在較低的溫度范圍內(nèi)，有很多機(jī)械性能好的復(fù)合材料可以用，“但一旦溫度超過260℃，復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度會降低，制造難度也隨之增加。”

Barette還告訴《汽車工程》雜志，通過擴(kuò)大材料和熱源之間的氣隙或安裝傳統(tǒng)的隔熱板來降低溫度，會增加車身質(zhì)量、侵占空間，而且可能導(dǎo)致不必要甚至是錯誤的設(shè)計變更。


Graeme Barette表示，有了新型陶瓷隔熱涂層，碳復(fù)合材料在260℃以上仍能維持安全性和穩(wěn)定性。（圖片來源：Zircotech）

最薄200微米

為了解決以上的問題，Zircotech研發(fā)出了陶瓷熱障涂層專利技術(shù)。據(jù)Barette稱，有了該新型涂層，復(fù)合材料在260℃的臨界溫度以上仍然能維持安全性和穩(wěn)定性，而且陶瓷質(zhì)量輕，不會影響復(fù)合材輕量化的優(yōu)點(diǎn)，也不會侵占發(fā)動機(jī)艙的空間。

據(jù)介紹，Zicrotech自上世紀(jì)九十年代就一直致力于研究賽車熱管理技術(shù)，而這次的全新涂層技術(shù)采用了Zicrotec為核電站研發(fā)的等離子噴涂工藝。目前已有多家OEM在量產(chǎn)車上使用了這種新型涂層。

該涂層的噴涂工藝采用自動化生產(chǎn)線，其應(yīng)用范圍已從高端車擴(kuò)展到了量產(chǎn)車。在制備陶瓷隔熱層前，必須先確保碳復(fù)合材的表面沒有其它涂料，接著在經(jīng)過預(yù)處理的金屬基底表面涂上粘結(jié)層，讓陶瓷面層和基底面牢牢粘結(jié)。最后涂上陶瓷隔熱層，在涂覆過程中，需要控制原料的類型、成分、進(jìn)料速度、等離子射流的成分、流速、輸入的能量、焰炬的幾何尺寸、噴嘴的設(shè)計、噴嘴的偏移距離和基底的冷卻過程等因素。

Barette 表示，陶瓷層中的空氣顆粒能起到很好的隔熱作用，涂層最薄僅為200μm（200微米），如另有需求，也可加厚。

由于涂層可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求進(jìn)行調(diào)整，因此可以實(shí)現(xiàn)種類豐富的表面加工。舉例來說，如果復(fù)合材料位于電動車電池周圍，則可采用導(dǎo)電或不導(dǎo)電的防爆涂層，從而更好地適應(yīng)電動汽車的特性。而針對外部零件，Zicrotec可提供頂級的表面加工工藝，且有多種顏色可選。

Barette補(bǔ)充道，該陶瓷涂層最高耐受溫度為1400℃，具有極佳的抗振動、抗機(jī)械損傷性。就算基底發(fā)生嚴(yán)重彎曲，也不會影響涂層性能。他強(qiáng)調(diào)，陶瓷熱障不僅能解決行車過程中的熱問題，還有助于推動設(shè)計和制造創(chuàng)新，引發(fā)新的技術(shù)變革。

融入早期設(shè)計階段

該陶瓷涂料的卓越性能已得到了多家OEM的驗(yàn)證。Barette說，“雖然Zircotech可以完成大部分必要的涂料測試，但很多OEM客戶傾向于把涂料檢測設(shè)為公司內(nèi)部測試的一環(huán)。其中陶瓷涂覆復(fù)合件的耐用性是重點(diǎn)檢測項(xiàng)目。要想取代較重的金屬件，復(fù)合材必須展示出不遜色于金屬的耐用性。為了達(dá)到OEM的標(biāo)準(zhǔn)，除熱管理測試外，我們還進(jìn)行了大量測試，如粘結(jié)力測試和耐化學(xué)性測試等等。”

多年來，Zirotech也在不斷豐富碳復(fù)合材料以外的熱管理解決方案，這也間接反映了汽車研發(fā)的變化。

Barette表示，過去，OEM只在研發(fā)后期出現(xiàn)熱問題時才來咨詢Zircotech。到這時才去找解決方案，往往已經(jīng)來不及或是經(jīng)費(fèi)早已用盡，所以現(xiàn)在熱障技術(shù)已經(jīng)成為了汽車設(shè)計的一部分，這樣做也有助于實(shí)現(xiàn)車輛配置的優(yōu)化和車身輕量化。