陈光灿 发动机陶瓷的制备及展望

《陈光灿 发动机陶瓷的制备及展望》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、发动机陶瓷的制备及展望陈光灿20080800101（无机非金属专业）摘要：在陶瓷材料的基础上采用各种增韧手段和改变材料结构制备的陶瓷基复合材料,具有耐磨、耐高温和耐侵蚀性能,是满足机械性能要求的发动机热端零件的理想材料。本文论述了陶瓷基复合材料的性能、制备方法,讨论了陶瓷基复合材料在发动机上的应用现状及评价。关键词：陶瓷复合材料发动机前言：陶瓷发动机又叫绝热发动机。近年来，由于是氮化硅和碳化硅陶瓷具有高温强度、耐蚀性和耐磨性，用它来制造发动机早已成为当前世界各国奋力追求的目标。据报道，美国用热压氮化硅做成的发动机转子在50000r/min转速下运转了200h;日本已研制成功全陶瓷发动机。

2、据预测还将在不久投入生产，以逐步取代传统的金属发动机，使汽车实现大马力、高转速和耐久性。资料显示，美国军方曾做过一次有趣的实验:在演习场200米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有500马力的钢质发动机，而另一辆装有同样马力的陶瓷发动机。陶瓷发动机果然身手不凡，那辆坦克仅用了19秒钟就首先到达终点，而钢质发动机坦克在充分预热运转后，用了26s才跑完全程。其奥秘就在于陶瓷发动机的热效率高，不仅可节省30%的热能，而且工作功率比钢质发动机提高45%以上。另外，陶瓷发动机无需水冷系统，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。利用陶瓷涂层来提高发动机性能也是提高发动机质

3、量的可能途径之一。如果把发动机的耐高温部件涂上一层高温陶瓷，便既能保持金属材料的固有强度和韧性，又具有高温陶瓷的耐高温特点。据报道，用这种方法可使发动机进气孔道表面的耐热能力从1200℃提高到1700℃。1990年，我国第一台6105型无水冷陶瓷发动机在上海诞生。该发动机充分利用了陶瓷耐高温、抗磨损等特点，采用了11种陶瓷隔热件和陶瓷耐磨件，合理设计调整了增压系统和燃油系统、优化了发动机工作过程。专门设计了适合沙漠车用的润滑系统、传动系统及进气滤清系统。它经过了400h的台架试验后又装在一台钱江牌大客车上做实车路试。由上海顺利抵达北京，一路无故障。这段长距离的实车试验成功，标志着我国在陶

4、瓷发动机的研制和实际方面，已达到了国际先进水平。据日本传媒报道，日本将研究采用新型陶瓷材料制造飞机发动机。新型陶瓷叫液融成长复合材料(MGG)，其构成成分虽与一般陶瓷相同，但制造方法却不一样。一般陶瓷采用烧结法而MGG则是把陶瓷材料溶融后使它在冷却过程结晶、成长。结晶体形成后便会立体性地交织在一起。并在1700℃高温下保持高强度。因此，用它制造飞机发动机就不需要冷却设备，还能提高发动机内部的压力。专家认为，用与金属同等韧性有高温强度的氮化硅、碳化硅，以及稳定性氧化锆等制造的陶瓷发动机，除能减轻汽车的重量外，还可使活塞的惯性力矩变小，并且不需要冷却，如果增加余热回收，能比原来汽车节能30%

5、。把陶瓷作为耐热抗蚀结构材料利用，其最大特点是在高温高强度方面优于金属，而且克服了脆性，保持了与金属相似的韧性。正文：1氮化硅的性能特点氮化硅Si3N4，是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体;高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。我国及美国、日本等国家都已研制

6、出了这种柴油机。2氮化硅陶瓷增韧方法2.1非连续纤维增强陶瓷复合材料颗粒弥散及晶须复合增韧CMC制备工艺较简单,可明显提高陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。将颗粒、晶须等增强物加入到基体材料中,由于两者弹性模量和热膨胀系数的差异而在界面形成应力区,这种应力区与外加应力发生相互作用,使扩展裂纹产生钉扎、偏转、分叉或以其他形式(如相变)吸收能量,从而提高了材料的断裂抗力。2.2连续纤维增强陶瓷复合材料与其他增韧方式相比,连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCC)具有较高的韧性,当受外力冲击时,能够产生非失效性破坏形式,可靠性高,是提高陶瓷材料性能最有效的方法之一。目前用于增强陶瓷基复合材料的连续纤维

7、主要有SiC纤维、C纤维、B纤维及氧化物纤维等,C纤维的使用温度最高,可超过1650℃,但只能在非氧化条件下工作。对于C纤维增强陶瓷基复合材料高温下的氧化保护问题,国际上目前尚没有完全解决。除C纤维外,其他纤维在超过1400℃的高温下均存在强度下降问题,由于陶瓷材料一般都需在1500℃以上烧制,通常的制备方法都会使陶瓷纤维由于热损伤而造成力学性能的退化。CVI工艺虽然可解决制备过程中的这一问题,但成本十分昂贵,且材料在高温下使用时仍