（动力机械及工程专业论文）内燃机应用金属陶瓷梯度功能材料的基础问题研究.pdf

a b s t r a c t f o l l o w i n gt h en a t i o n a le c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta n dl e v e lo fl i v i n g se n h a n c e m e n t a u t o m o b i l e ，a st h em o s ti m p o r t a n tv e h i c l e 。h a si n c r e a s e ds w i f t l ya n dv i o l e n t l y w h i l ea tt h e s a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n tc o m e sw i t h m a n yn e wp r o b l e m s f i r s t t h e r u e li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ec o n s u m e dt a k e sg r e a tp e r c e n to ft h ew h o l ee n e r g y 1 r i 把s h o r t a g eo f e n e r g y w i l lw o r s e n , b e c a u s ea m o u n to ff u e li n t e r n a le o m b u s t i o ne n g i n ec o n s u m e dg r o w s s oo u r e n g i n e e r ss h o u l dt r yo u rb e s tt od e c r e a s eg a s - c o n s u m i n g a n di n c r e a s ee n g i n e sf u n c t i o na n d h e a t - e f f i c i e n c y s e c o n d l y , t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c o m e ss e r i o u s w h i c hi st h r e a t e n i n g o u rl i v i n g w em u s tf i n do u tt h eb e s tw a yt od e a lw i t ht h ep r o b l e m s t i i i st h e s i sp r o v i d e sa f e a s i b l em e a n s a tf i r s t 、t h et h e s i si n t r o d u c e san o wm a t e r i a l m e n t a l - c e r a m i ef g m ( f u n c t i o n a lg r a d i e n t m a t e r i a l ) sd e v i c e ，p r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e s e v a l u a t i o n t os t u d yi t se f f e c t so i ld i e s e l ， e x p e r i m e n t sw e r e i i l a d et oi n v e s t i g a t ei n f l u e n c e so f m e t a l - c e m m i cf g mo np e r f o r m a n c e sa n d e m i s s i o n so fd i e s e le n g i n e s a st h em o d e le n g i n ei sj x 4 9 3 q le n g i n e e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o w e dt h a t ：( 1 ) a f t e rm e t a l - c e r a m i cf g m su s eo i lt h ee n g i n e ，t h ep o w e rm 槭f u e l e c o n o m y a n de x h a u s tg a se m i s s i o n si m p r o v e dc o n s i d e r a b l y f r o mt h er e s u l t , w e 啪p r e d i c t t h a tt h en e wm a t e r i a l sp r o p e r t i e so f 俩c t i o na n dw e a la l eg o o d b e c a u s et h eg o o dp r o p e r t i e s a r et h em a i nr e a s o n sf u re f f i c a c ya n dt w i s t si n c r e a s ea n df u e lc o n s u m p t i o n sd e c r e a s e ；( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tm e t a l - c e r a m i cf g m c a nr e d u c ee x h a u s tg a se m i s s i o n s w ec a n p r e d i c tt h a tt h en e w m a t e r i a li sg o o dt of l a m e sp r o p a g a t i o no nn a r r o wc h a n n e l s b e c a u s e f l a m e q u e n c h i n gp r o d u c e sh a r m f u lg a s f u r t h e r , w ed i dt h ec o m p a r i s o i lt e s t so i lp r o p e r t i e so ff r i c t i o na n dw e , a tb e t w e e n , t e s t s a m p l e sb e f o r ea n da f t e rm e t a l - c e r a m i cf g m w a sa p p l i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt e s t s a m p l e sa r ea p p l i e dt h em e t a l c e r a m i cf g m , w h i c h i sc o m p o s e do fc u b i cb na n ds i s n 4 f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n t so ft h et e s ts a m p l e sd e c r e a s em a s s i v e l ya n df r i c t i o n a le f f i c a c yd e c r e a s e s t o2 1 4 - 4 7 * 0 w h i c ha c c o r d sw i t ht h e p r e d i c t a tt h es a m et i m e ，w ea l s od i da n o t h e rc o m p a r i s o nt e s t so nf l a m ep r o p a g a t i o ni nn a r r o w c h a n n e l sw i t hv a r i o u sc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t sw e r ed o n ei na ne q u i p m e n t i 1 1w h i c ht h e r e a r eac o u p l eo fp a r a l l e ln a w o wc h a n n e l s t h er e s u l t so fc o m p b l i s o ns h o wt h a tg a sd e n s i t y ， p r e s s u r e , t e m p e r a t u r ea n d n a t u r eo f m a t e r i a la l ei m p o r t a mf a c t o r so nf l a m ep r o p a g a t i o n - m e t a l c e r a m i cf g mc a ni n c r e a s e q u e n c h i n gl e n g t h a n dm e t a l - c e r a m i cf g mc a na v o i df l a m e q u e n c h i n g 。 k e y w o r d s ：m e t a l - c e r a m i cf u n c t i o n a lg r a d i e n tm a t e r i a l ，d i e s e l ，t e s ts a m p l e s , f r i c t i o na n dw e a r , f l a m e q u e n e h i n g 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题产生的背景 1 1 1 内燃机发展的水平和面临的问题： 内燃机是热力发动机的一种，其特点是液体或气体燃料和空气混合后直接输 入机器内部燃烧而产生热能然后再转变为机械能。具有热效率高、体积小、便于移 动，起动性能好等优点。所以内燃机作为一种用途广泛性能优越的动力机械经出 现，就在工业、农业、军事等各个领域崭露头角，并逐渐显示出其不可替代的优越 性。直到目前位置它仍是世界上应用最广泛的，热效率最高的热力发动机。它所提 供的功率占全世界所有动力装置发出总功率的9 0 以上。 但内燃机的大量使用也带来了些尖锐的、不可回避的问题。首先，作为一 种无法短期再生的能源，地球上的燃料数曩极其有限，而内燃机的使用又消耗了大 量的燃料，使得世界范围内的能源危机问题日益突出。同时它又是地球环境污染的 最大根源之一。在一些大城市，由于内燃机所造成的环境污染已经到了令人无法容 忍的程度。世界范围内排放法规的日益严格，能源危机的不可避免，都使得人们对 内燃机的动力性、经济性及排放性指标提出了越来越高的要求。 虽然内燃机的发展已有一百多年的历史，虽然实现内燃机的高效低污染燃烧 一直是内燃机工作正执着追求的目标，但由于内燃机的工作过程是一种不连续的， 极其复杂的物理化学变化的过程，因此直到目前为止，如何在提高动力性经济性的 前提下，降低有害物的排放仍然是当今乃至相当长的时间内内燃机研究的主要课题 之一。可以断言，这方面的研究工作将会一直贯穿于内燃机发展的整个历程中。 在我国，随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们的活动范围 日益扩大，汽车、摩托车等作为重要的交通工具，得到迅猛发展，为解决能源与大 气污染问题，我国内燃机工作人员正致力于排气净化及新能源发动机的研究工作。 1 1 2 金属陶瓷梯度功能材料简介： 天津大学硕士学位论文 应力，而且能减小塑性应变积累速率，降低塑性应变量，因此，金属陶瓷梯度功能 材料比非梯度材料具有更好的耐热疲劳性能。 国内赵军等 1 7 1 利用有限元分析了梯度功能陶瓷刀具的热应力，并据此进行 了刀具的梯度组成设计。结果发现，最大轴向拉应力随分布指数的变化不大，而 最大径向拉应力随分布指数的增大而单调降低。沈强等n 8 】利用有限元分析了 n i n i 。a 1 - - t i c 系梯度功能材料圆柱的残余效应力，确定了最佳梯度指数p 的范 围在1 6 - 1 8 之闻。许杨健n 叫将国外学者研究的f g m 板扩大到了有限扳的二维 问题，采用有限元法分析了f g l d 薄板的非定常温度场拟静态热弹性弯曲问题。并通 过量细分析获得了不同组合条件下( 几何形状、物理性能、成分梯度等) ，f g m 材 料热弹性和热塑性变形发生的临界条件。王立涛【2 0 采用完全层合板理论，用有限 元法分析了梯度功能材料薄壳的拟静态热应力问题。 总之，金属陶瓷梯度功能材料无论在基础理论上，还是在各方面应用中，都有 着广阔的领域等待探索，巨大的潜力有待于开发。随着人们对梯度功能材料研究的 1 1 3 金属陶瓷梯度功能材料在各领域中的应用 虽然金属陶瓷梯度功能材料最初是作为缓释热应力的目的提出来的，但是由于 金属陶瓷梯度功能材料具有一系列单一金属或非金属所不具备的功能。近几年，金 属陶瓷梯度功能材料得到了广泛的应用。但是由于各领域的特点、要求不同，对金 属陶瓷梯度功能材料的性能参数的侧重与标准也就不一样。 如表1 - 2 所示： 表1 - 2 金属陶瓷梯度功能材料在各领域中的应用叫】： 功能和效果应用领域材料组合和特征 主壁及周边材料耐辐射性、耐热应力 用于核的功能 电绝缘材料电绝缘性 等离子体检测，控制用光阑材料透光、耐辐射性 天津太学硕士学位论文 固定件一体化传感器提高信息传递精度 信息工程与介质匹配良好的音响传感器适应环境 声纳、超声波诊断装置减轻重量 人造牙齿 人造骨高比温度和比模量 生物医学 人造关节自行愈合、修复、 人造器官雨生能力 陶瓷发动杌耐热 耐磨性机械部件耐磨 结合功能 耐热性机械部件耐蚀 耐蚀性部件及其它机械部件高韧性 陶瓷过滤器提高性能 陶瓷振荡器，超声波振器减轻重量 磁盘、永久磁体减小体积 电磁功能 多元复合电子部件硬度电梯度功能 硅半导体、化合物半导体混成集电磁梯度功能 成电路，长寿命加热器导电及绝缘梯度功能 高性能、激光标尺热应力缓和、重量轻、 光学功能 大口径grin 透镜、光盘光电反映梯度折射 功能性高分子膜、触媒、耐腐蚀、耐热、高强度、 化学功能 燃料电池高寿命 隔热防寒、营养保健、 民用领域纸、纤维、衣物、食品、建材减震降噪 绍： 下面就金属陶瓷在发动机上的应用为例，对金属陶瓷梯度功能材料的特点作介 由于陶瓷材料耐高温适应发动机的高温工作环境，磨擦系数低，减磨性好，硬 1 2 天津丈学硕士学位论文 度高、耐磨性好，近年来陶瓷材料开始被大量应用于发动机上，其某些性能胜过金 属材料。 自8 0 年代初期至今，已先后有柴油机用陶瓷起动电热塞，陶瓷燃烧室镶块、 镶陶瓷块的摇臂，镶陶瓷衬管的排气管、陶瓷增压器，涡轮转予等陶瓷发动机零部 件的研制成功。其它仍在研制中的发动机用陶瓷零部件还有十几种，其中有配气机 构的挺柱、气门、气门弹簧座、气门座圈等瑚j 。 1 、将金属、陶瓷磨擦材料用作离合器从动盘的磨擦片。由于该材料具有耐高 温、磨擦系数大而稳定，耐磨等特点，因此可使离合器获得极大的扭矩容量和较高 的使用寿命，尤其是对于工程机械、重载车辆、沙漠车、矿山用车等【2 4 。 2 、将四冲程发动机的部分零件( 气门、活塞、活塞环、摇臂、插臂轴、气缸 套进行了镀膜处理，即在金属零件表面渗镀一层氮化硅和氮化硼复合材料，从而形 成陶瓷金属梯度功能材料e 2 5 2 “。 1 2 本文的选题 目前，我们所面临着的，急切需要解决的，关系到入类生存环境及自身生存的 关键闻题是在提高发动机动力性、耐久性，降低燃油消耗量的情况下，解决内燃机 废气排放与污染问题。 这个问题已经困扰了各国专家几十年。人们从机内机外两方面入手，在保障和 提高功率减少能量消耗的前提下，尽薰想办法来减少c o 、h c 、n o 等有害气体的排 放量并且已经积累了丰厚的经验。净化措施分为1 ：1 机内净化技术：( 1 ) 调整 化油器( 2 ) 控制点火正时( 3 ) 分层燃烧( 4 ) 机内镀膜：2 机外净化技术：( 1 ) 油蒸汽回收控制系统( 2 ) 二次空气导入( 3 ) 催化转化器。 1 9 9 8 年2 月在全国防治汽车尾气研讨会上机械工业部汽车工业司司长张小虞 曾明确指出：“在技术上采取先机内后机外的技术路线，优先采取机内挣化措施， 在机内措施基本完善后再采用机外净化技术。”这乃是防止汽车尾气污染的总体思 路。实际上实现机内净化又不影响节能，是一个到现在仍未得到很好解决的关键闯 天津丈学硕士学位论文 度高、耐磨性好，近年来陶瓷材料开始被大量应用于发动机上，其某些性能胜过金 属材料。 自8 0 年代初期至今，已先后有柴油机用陶瓷起动电热塞，陶瓷燃烧室镶块、 镶陶瓷块的摇臂，镶陶瓷衬管的排气管、陶瓷增压器，涡轮转予等陶瓷发动机零部 件的研制成功。其它仍在研制中的发动机用陶瓷零部件还有十几种，其中有配气机 构的挺柱、气门、气门弹簧座、气门座圈等瑚j 。 1 、将金属、陶瓷磨擦材料用作离合器从动盘的磨擦片。由于该材料具有耐高 温、磨擦系数大而稳定，耐磨等特点，因此可使离合器获得极大的扭矩容量和较高 的使用寿命，尤其是对于工程机械、重载车辆、沙漠车、矿山用车等【2 4 。 2 、将四冲程发动机的部分零件( 气门、活塞、活塞环、摇臂、插臂轴、气缸 套进行了镀膜处理，即在金属零件表面渗镀一层氮化硅和氮化硼复合材料，从而形 成陶瓷金属梯度功能材料e 2 5 2 “。 1 2 本文的选题 目前，我们所面临着的，急切需要解决的，关系到入类生存环境及自身生存的 关键闻题是在提高发动机动力性、耐久性，降低燃油消耗量的情况下，解决内燃机 废气排放与污染问题。 这个问题已经困扰了各国专家几十年。人们从机内机外两方面入手，在保障和 提高功率减少能量消耗的前提下，尽薰想办法来减少c o 、h c 、n o 等有害气体的排 放量并且已经积累了丰厚的经验。净化措施分为1 ：1 机内净化技术：( 1 ) 调整 化油器( 2 ) 控制点火正时( 3 ) 分层燃烧( 4 ) 机内镀膜：2 机外净化技术：( 1 ) 油蒸汽回收控制系统( 2 ) 二次空气导入( 3 ) 催化转化器。 1 9 9 8 年2 月在全国防治汽车尾气研讨会上机械工业部汽车工业司司长张小虞 曾明确指出：“在技术上采取先机内后机外的技术路线，优先采取机内挣化措施， 在机内措施基本完善后再采用机外净化技术。”这乃是防止汽车尾气污染的总体思 路。实际上实现机内净化又不影响节能，是一个到现在仍未得到很好解决的关键闯 天津大学硕士学位论文 题，机内净化技术似乎已接近某种限度，急切需要寻求突破这一限度的新途径。本 课题就是在这种前提下应运而生的。 在前期研究工作中发现，在发动机活塞、活塞环、缸套、气门等接触高温燃气 并作高速相对运动的零件上，沉积一层氮亿硼使其形成金属陶瓷梯度功能材料，不 仅对延长发动机寿命、提高机械效率、降低油耗，而且对减少有害气体的排放亦有 一定的效果。据在一台1 4 7 f m 四冲程摩托车发动机上的实验结果表明金属陶瓷梯度 功能材料可使油耗和排放物中的c o 、h c 同时降低，发动机寿命得到改善。可为同 时提高发动机的动力性、耐久性、经济性和环保性提供一条新途径。 尽管金属陶瓷梯度功能材料发动机的前期研究结果是令人鼓舞的。但其内在机 理还有待更详尽、更系统、更深入的研究。虽然机理研究其本身不产生直接经济效 益，但对应用研究可起到理论指导秘深化作用。 本课题工作大致可分为以下几个阶段： 第一阶段：金属陶瓷梯度功能材料在柴油机上的应用。 第二阶段；金属陶瓷梯度功能材料对内燃机磨损性能改善的研究。 第三阶段：金属陶瓷梯度功能材料对火焰在狭缝中传播的影响。 本课题属于应用基础研究课题，是“在发动机上采用梯度功能材料金属陶 瓷复合薄膜技术”研究计划的一部分，除具有明确而广泛的应用前景和十分重要的 经济意义、社会意义外，在燃烧学理论方面，也具有刨新性。希望通过这些工作， 做到从机理方面对金属陶瓷梯度功能材料进行尽可能全面的、系统的研究。本实验 结果，预计会对发展燃烧理论有积极作用，对内燃机以外的工程领域，如阻火器的 研制，也有一定的理论指导意义。 本章小结： 本章从金属陶瓷梯度功能材料的产生、制备、评价参数和应用入手，从理论和 实践两方面介绍了金属陶瓷梯度功能材料。 天津大学硕士学位论文 题，机内净化技术似乎已接近某种限度，急切需要寻求突破这一限度的新途径。本 课题就是在这种前提下应运而生的。 在前期研究工作中发现，在发动机活塞、活塞环、缸套、气门等接触高温燃气 并作高速相对运动的零件上，沉积一层氮亿硼使其形成金属陶瓷梯度功能材料，不 仅对延长发动机寿命、提高机械效率、降低油耗，而且对减少有害气体的排放亦有 一定的效果。据在一台1 4 7 f m 四冲程摩托车发动机上的实验结果表明金属陶瓷梯度 功能材料可使油耗和排放物中的c o 、h c 同时降低，发动机寿命得到改善。可为同 时提高发动机的动力性、耐久性、经济性和环保性提供一条新途径。 尽管金属陶瓷梯度功能材料发动机的前期研究结果是令人鼓舞的。但其内在机 理还有待更详尽、更系统、更深入的研究。虽然机理研究其本身不产生直接经济效 益，但对应用研究可起到理论指导秘深化作用。 本课题工作大致可分为以下几个阶段： 第一阶段：金属陶瓷梯度功能材料在柴油机上的应用。 第二阶段；金属陶瓷梯度功能材料对内燃机磨损性能改善的研究。 第三阶段：金属陶瓷梯度功能材料对火焰在狭缝中传播的影响。 本课题属于应用基础研究课题，是“在发动机上采用梯度功能材料金属陶 瓷复合薄膜技术”研究计划的一部分，除具有明确而广泛的应用前景和十分重要的 经济意义、社会意义外，在燃烧学理论方面，也具有刨新性。希望通过这些工作， 做到从机理方面对金属陶瓷梯度功能材料进行尽可能全面的、系统的研究。本实验 结果，预计会对发展燃烧理论有积极作用，对内燃机以外的工程领域，如阻火器的 研制，也有一定的理论指导意义。 本章小结： 本章从金属陶瓷梯度功能材料的产生、制备、评价参数和应用入手，从理论和 实践两方面介绍了金属陶瓷梯度功能材料。 天津大学硕士学位论文 第二章：金属陶瓷梯度功能材料 在柴油机上的应用 2 1 本研究所用金属陶瓷梯度功能材料的制备及其性质分析 2 1 1 本课题所用金属陶瓷梯度功能材料的制备 制各金属陶瓷梯度功能材料的方法很多，第一章中已经介绍，一般方法都是在 高温成形或制备工艺比较复杂。物理气象沉积法( p v d ) 可使温度控制在不降低试 件内部性能的范围内，但p v d 涂层和即使清理得很好的试件表面之间的附着力仍然 不大，所以应用经常受到限制。化学气象沉积法( c v d ) 在较高的工作温度下使涂 层和工作表面发生化学反应，虽然结合牢固，但高温的工作表面也足以使试件内部 的原有性能发生不需要的变化。目前较为先进的制备方法是物理气象沉积法和化学 气象沉积法的综合。即等离子化学气相沉积法( p c v d ) 。p c v d 技术可在不影响试件 内部性能的温度条件下，利用电离使受激高能气体( 成膜所需的工作气体) 在加工 试件表面形成附着扩散层，不需在附着力和内部性能之间做出选择。目前，我国已 开发出一套比较成熟的p c v d 镀膜工艺，而且制造成本较低。因此我们采用等离子 化学气象沉积技术在试件表面上渗镀一层氮化硅、氮化硼陶瓷薄膜，从而制造出金 属陶瓷功能梯度材料瞳8 1 【2 “。 p c v d 法的工作原理是：将试件放于真空气相沉积设备中( 图2 - i ) ，通入工作 气体并加温到约2 5 0 1 2 ，接通电源后，因在两电极间施加电压，镀膜气体产生辉光 放电，具有高温、高速的电子与工作气体s ，也、b 。h 。及n 。分子相碰，将工作气体 电离成离子，分解成游离基，气相中的游离基经扩散、对流到达工作表面，与试件 发生相互作用，一部分被吸附，其它的被反射引起第二次碰幢，并由临界核转变为 稳定核。稳定核继续不断生长，与相临近的稳定核发展成整体，形成连续膜。基体 表面上核的形成和核的生长过程如图2 - 2 所示。由于它是一个质量、能量、动量 天津大学硕士学位论文 第二章：金属陶瓷梯度功能材料 在柴油机上的应用 2 1 本研究所用金属陶瓷梯度功能材料的制备及其性质分析 2 1 1 本课题所用金属陶瓷梯度功能材料的制备 制各金属陶瓷梯度功能材料的方法很多，第一章中已经介绍，一般方法都是在 高温成形或制备工艺比较复杂。物理气象沉积法( p v d ) 可使温度控制在不降低试 件内部性能的范围内，但p v d 涂层和即使清理得很好的试件表面之间的附着力仍然 不大，所以应用经常受到限制。化学气象沉积法( c v d ) 在较高的工作温度下使涂 层和工作表面发生化学反应，虽然结合牢固，但高温的工作表面也足以使试件内部 的原有性能发生不需要的变化。目前较为先进的制备方法是物理气象沉积法和化学 气象沉积法的综合。即等离子化学气相沉积法( p c v d ) 。p c v d 技术可在不影响试件 内部性能的温度条件下，利用电离使受激高能气体( 成膜所需的工作气体) 在加工 试件表面形成附着扩散层，不需在附着力和内部性能之间做出选择。目前，我国已 开发出一套比较成熟的p c v d 镀膜工艺，而且制造成本较低。因此我们采用等离子 化学气象沉积技术在试件表面上渗镀一层氮化硅、氮化硼陶瓷薄膜，从而制造出金 属陶瓷功能梯度材料瞳8 1 【2 “。 p c v d 法的工作原理是：将试件放于真空气相沉积设备中( 图2 - i ) ，通入工作 气体并加温到约2 5 0 1 2 ，接通电源后，因在两电极间施加电压，镀膜气体产生辉光 放电，具有高温、高速的电子与工作气体s ，也、b 。h 。及n 。分子相碰，将工作气体 电离成离子，分解成游离基，气相中的游离基经扩散、对流到达工作表面，与试件 发生相互作用，一部分被吸附，其它的被反射引起第二次碰幢，并由临界核转变为 稳定核。稳定核继续不断生长，与相临近的稳定核发展成整体，形成连续膜。基体 表面上核的形成和核的生长过程如图2 - 2 所示。由于它是一个质量、能量、动量 天津大学硕士学位论文 和电量( 电荷) 的交换过程，存在着扩散、热传导、粘滞运动和导电现象，以及电 子放电使分子键断裂产生自由基( 游离基) 的过程。这些异质自由基的聚合，在试 件表面发生化学置换反应，使沉积在试件表面的陶瓷向试件内部扩散和产生化学置 换反应，同时金属离子也向陶瓷内部渗入，这样表面离子的相互渗入就形成了双相 扩散梯度层，并随温度的提高和时间的延长渗入深度和表颟成膜厚度逐渐增加，通 常厚度为2 0 一3 0 微米。这层双向扩散梯度层称为“金属陶瓷梯度功能材料” 3 0 】。 优点是：由于工作气体中含有多种催化剂的成份，当离子被工作气体电离后，分解 成为游离基，这些流离基在高温、高压的环境下向金属内部扩散时，试件表面的金 属原子与催化剂结合，产生电子位移，这些结合使复合薄膜具有适量的电子空缺， 这些位移产生的电子空缺通过正负电子之间的吸引力而能吸附0 2 、c 0 、h c 等气体 的原子，这些被吸附的原子又可通过这种活性位的吸附、解离作用，进一步的相互 作用而发生化学反应。 进气口 高频功率源 图争l 生产装置原理图 雯妻筹巨黼于 c l u s t e r - 鼻援( 脚) 靛棱 ：占出矗墨纛oqqo qq oq o og 鼢 图2 - 2 基体表面上核形成和核生长示意图 天津大学硕士学位论文 2 1 2 等离子化学气相沉积法镀膜后材料的性质分析 从金属陶瓷功能梯度材料与基体的结合，及其本身性质等方面对其进行简单介 绍： 图2 - 3 是经过本实验室p c v d ( 等离子化学气相沉积法) 镀膜后的金属陶瓷梯 度功能材料的金相分析。 图2 - 3 金属陶瓷梯度功能材料的金相分析 该图是经p c v d 镀膜后，在天津大学精仪系分析中心电镜下分析所得结果。图 中左方颜色较浅部分是4 5 号钢，最右方颜色较浅部分为金属陶瓷梯度功能材科。 而中间结合处( 大约2 0 u r n 宽) 是金属与陶瓷粒子相互渗透而形成。从中间结合处 的部分可看出：它是一种组成、结构、物性参数和物理化学等单一、复合性能连续 变化以适合不恩环境，实现某一特殊功能的一类新型复合材料。最初是应用于航天 业，到了7 0 年代出开始，美、日、德等国家相继将其应用于发动机上，是因为它 具有如下性质 3 l 】： 1 适应性能。由于陶瓷薄膜在工作表面只增加1 - 5 微米的厚度，因此基本不 影响发动机试件加工精度和装配性能。 2 结合牢固、硬度、韧性双提高。由于陶瓷与金属双向扩散，形成梯度功能 材料一金属陶瓷复合薄膜，不仅结合牢固，不会剥离，而且在提高金属表面硬度的 同时，其韧性大大超过了陶瓷本身。 3 高温耐磨特性好。普通金属材料的硬度随温度升高而明显下降，而金属陶瓷 天津大学硕士学位论文 薄膜硬度则不会随温度的升高而下降。 4 抗氧化性能强。实验表示，温度犬于1 0 0 0 。c 时，陶瓷薄膜仍有很好的抗氧 化性能和耐酸碱性能。 5 电好的机内净化作用。复合薄膜对c o 和h c 具有一定的氧化催化作用，因 此，降低了发动机尾气排放中的有害成份。 2 2 金属陶瓷梯度功能材料在柴油发动机上的实验研究 为了验证金属陶瓷梯度功能材料应用于柴油机上的效果，对镀膜前后柴油机的 性能及排放进行了台架实验嘲嘲 3 】。 2 2 ，l 实验用发动机主要技术参数： 型号：j x 4 9 3 q 1 型式：水冷、四冲程、直列式、顶置式气门 调速器型式：全制式 喷油泵型号：v e 齿( 拉) 杆位置：最大功率 缸径h 冲程( 帅) ：4 - 9 3 1 0 2 工作容积( 1 ) ：2 7 7 1 压缩比：1 8 2 标定功率及相应转速 k v ( r m i n ) ：5 7 3 6 0 0 最大扭矩及相应转速： n m ( r m i n ) ：1 7 2 2 0 0 0 全负荷最低油消耗率 g ( k w h ) ：2 2 4 燃料油：- l o g 柴油 2 2 2 实验方法： ( 1 ) 对4 9 3 q 1 型柴油机进行发动机实验，记录原发动机机速度特性，排放物的成 份，外特性测试和污染物测试。 ( 2 ) 测试后对发动机的活塞环、活塞、气缸套、气门进行镀膜，然后，重新装机 天津大学硕士学位论文 薄膜硬度则不会随温度的升高而下降。 4 抗氧化性能强。实验表示，温度犬于1 0 0 0 。c 时，陶瓷薄膜仍有很好的抗氧 化性能和耐酸碱性能。 5 电好的机内净化作用。复合薄膜对c o 和h c 具有一定的氧化催化作用，因 此，降低了发动机尾气排放中的有害成份。 2 2 金属陶瓷梯度功能材料在柴油发动机上的实验研究 为了验证金属陶瓷梯度功能材料应用于柴油机上的效果，对镀膜前后柴油机的 性能及排放进行了台架实验嘲嘲 3 】。 2 2 ，l 实验用发动机主要技术参数： 型号：j x 4 9 3 q 1 型式：水冷、四冲程、直列式、顶置式气门 调速器型式：全制式 喷油泵型号：v e 齿( 拉) 杆位置：最大功率 缸径h 冲程( 帅) ：4 - 9 3 1 0 2 工作容积( 1 ) ：2 7 7 1 压缩比：1 8 2 标定功率及相应转速 k v ( r m i n ) ：5 7 3 6 0 0 最大扭矩及相应转速： n m ( r m i n ) ：1 7 2 2 0 0 0 全负荷最低油消耗率 g ( k w h ) ：2 2 4 燃料油：- l o g 柴油 2 2 2 实验方法： ( 1 ) 对4 9 3 q 1 型柴油机进行发动机实验，记录原发动机机速度特性，排放物的成 份，外特性测试和污染物测试。 ( 2 ) 测试后对发动机的活塞环、活塞、气缸套、气门进行镀膜，然后，重新装机 天津大学硕士学位论文 薄膜硬度则不会随温度的升高而下降。 4 抗氧化性能强。实验表示，温度犬于1 0 0 0 。c 时，陶瓷薄膜仍有很好的抗氧 化性能和耐酸碱性能。 5 电好的机内净化作用。复合薄膜对c o 和h c 具有一定的氧化催化作用，因 此，降低了发动机尾气排放中的有害成份。 2 2 金属陶瓷梯度功能材料在柴油发动机上的实验研究 为了验证金属陶瓷梯度功能材料应用于柴油机上的效果，对镀膜前后柴油机的 性能及排放进行了台架实验嘲嘲 3 】。 2 2 ，l 实验用发动机主要技术参数： 型号：j x 4 9 3 q 1 型式：水冷、四冲程、直列式、顶置式气门 调速器型式：全制式 喷油泵型号：v e 齿( 拉) 杆位置：最大功率 缸径h 冲程( 帅) ：4 - 9 3 1 0 2 工作容积( 1 ) ：2 7 7 1 压缩比：1 8 2 标定功率及相应转速 k v ( r m i n ) ：5 7 3 6 0 0 最大扭矩及相应转速： n m ( r m i n ) ：1 7 2 2 0 0 0 全负荷最低油消耗率 g ( k w h ) ：2 2 4 燃料油：- l o g 柴油 2 2 2 实验方法： ( 1 ) 对4 9 3 q 1 型柴油机进行发动机实验，记录原发动机机速度特性，排放物的成 份，外特性测试和污染物测试。 ( 2 ) 测试后对发动机的活塞环、活塞、气缸套、气门进行镀膜，然后，重新装机 天津大学硕士学位论戈 进行发动机外特性测试及高速污染物测试。 ( 3 ) 镀膜后发动机经1 0 0 小时全速全负荷实验后，重新进行发动机外特性测试和 急速污染物测试。 2 2 3 实验结果： 下面三张图是发动机镀膜前后的扭矩、燃油消耗率、功率的对比图。 1 4 5 1 柏 1 6 0 01 02 0 0 02 2 0 02 4 0 02 6 0 02 8 0 03 0 0 03 2 0 03 4 0 03 6 0 03 8 0 0 转速( n m i n ) 图2 - 4 镀膜前后发动机扭矩对比曲线 2 0 2 5 0 03 0 0 0 转速( n m i n ) 图2 - 5 镀膜前后发动机油耗对比曲线 1 9 4 0 0 0 m 醛 一en)罐取 蛳 埔 撕 搬 撕 | | 曼 蚺 m u芒渤一骥想 天津大学硕士学位论戈 进行发动机外特性测试及高速污染物测试。 ( 3 ) 镀膜后发动机经1 0 0 小时全速全负荷实验后，重新进行发动机外特性测试和 急速污染物测试。 2 2 3 实验结果： 下面三张图是发动机镀膜前后的扭矩、燃油消耗率、功率的对比图。 1 4 5 1 柏 1 6 0 01 02 0 0 02 2 0 0 2 4 0 02 6 0 0 2 8 0 03 0 0 0 3 2 0 0 3 4 0 0 3 6 0 03 8 0 0 转速( n m i n ) 图2 - 4 镀膜前后发动机扭矩对比曲线 2 0 2 5 0 03 0 0 0 转速( n m i n ) 图2 - 5 镀膜前后发动机油耗对比曲线 1 9 4 0 0 0 m 醛 一en)罐取 蛳 埔 撕 搬 撕 | | 曼 蚺 m u芒渤一骥想 天津大学颈士学位论文 6 0 5 , 5 主5 0 槲幅 3 5 3 0 1 6 0 01 8 0 0 2 0 0 02 2 0 02 4 0 0 铷 2 8 0 03 0 0 03 2 0 03 4 0 03 6 0 03 8 0 0 转速( n ，m l n ) 图2 喝镀膜前后发动机功率对比曲线 下图是发动机镀膜前后c 0 ，c o 。，h c ，n o 。排放的对比图t 0 0 6 0 o 0 5 5 o 0 5 0 0 0 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 d 0 3 0 0 0 2 5 o 0 2 0 o51 02 02 53 03 54 0 n e ( k w ) 圈2 12 1 6 0 r m i n 转速下发动机镀膜前后c 0 排放对比曲线 一墨一o o 天津大学硕士学位论文 邑 h o o 0 1 4 0 ，1 2 0 1 0 0 0 8 0 0 4 5 o 0 4 o n 2 1 0 口 8 01 02 0 3 0 4 05 06 0 n e k w ) 图2 罐3 6 0 0 r m i n 转速下发动机镀膜前后c 0 持放对比曲线 05 1 0 1 5 2 02 53 0 3 5 4 0 4 5 n e ( k w ) 图2 - 92 1 6 0 r m i n 转速下发动机镀膜前后c 0 2 排放对比曲线 2 1 零一o o 天津大学硕士学位论文 1 2 8 e 4 2 o3 04 0 5 0 n e ( k w ) 6 0 图2 1 03 6 0 0 r m i n 转速下发动机镀膜前后c 0 2 捧放对比曲线 o51 01 52 0 2 53 03 5o n e ( i o w ) 图2 - 1 12 1 6 0 r m i n 转速下发动机镀膜前后h c 捧放对比曲线 2 2 一紧一。o u 扮勰玎拍嚣“鹅箍孙伸体仃协幅竹住” 一仨乱乱一u芏 天津大学硕士学位论文 5 0 0 主4 0 0 t 正 呈3 0 0 枷 o 3 6 0 0 d r a i n h c 对比圈 l 一- 一镀膜蒯 i + 原机| o1 02 03 04 05 0 n e ( k w ) 图2 1 23 6 0 0 r m i n 转速下发动机镀膜前后h c 排放对比曲线 o51 01 52 0为3 0筠40 n e ( k w ) 图2 1 32 1 6 0 r m i n 转速下发动机镀膜前后n o , 捧放对比曲线 2 3 筠勰玎箱衢钳珏笠斟俜侣仃憾估住惶 一毒一。士 天津大学颂 学位论文 o1 02 03 04 05 0 n e ( k w ) 图2 _ 1 43 6 0 0 f r a i n 转速下发动机镀膜前后n o , 摊放对比曲线 啪 抽 咖 啪 鲫 枷 抛 o 1【山d)oz 天津大学硕士学位论文 发动机镀膜前万有曲线 图2 - 1 5 镀膜前万有曲线 - 2 5 一一 查竖查差塑主兰堡丝苎 一 发动机镀膜后万有曲线： 图2 1 6 镀膜后万有曲线 天津大学硕士学位论文 由以上图表分析可得：发动机的 c 、c o 的排量减少幅度大，h c 减小的百分比 最高值达到6 0 ，c o 排量的减少百分比甚至高达8 0 ，。预测原因是由于火焰淬熄 的减少。 c 0 2 的排量增加，这说明发动机的燃烧效率有所提高，使发动机性能得到改善。 此外n 0 ；排量增加，这可能是由于陶瓷镀膜材料增强了发动机的密封性，使漏气损 失减少，实际压增比增大，气缸内燃烧温度提高使n o 。的排量增加。这从镀膜前 后的发动机排气温度可以看出，在镀膜后发动机排温明显比镀膜前高。 从四冲程柴油机镀膜前后的性能曲线对比图来看，发动机的最大功率有一定程 度的提商，提高百分比的范围在5 3 - 9 0 9 6 之间，最大矩距提高百分比的范围在 4 4 - 8 2 9 6 之间，最低燃油消耗率有所下降，下降百分比的范围在3 4 - 4 5 之间。 并且，由图可看出：镀膜后的发动机在高转速时其优越性得到充分展现。 2 3 实验结果分析： 1 在发动机的实黼；循环中，汽缸壁( 包括汽缸套、汽缸盖、活塞、活塞环、 气门、喷油器等) 和工质问始终存在着热交换。工质在压缩、燃烧、膨胀过程中通 过汽缸壁各部分向外散发的热量损失将造成发动机指示功率和指示热效率的下降。 此外在排气过程中，还有相当一部分热量通过工质所流过的各零件表面所进入到发 动机冷却系统中去，通过汽缸壁还要将一部分活塞摩擦所产生的热量引导出去珀”。 对于缸壁传热问题的改善，不仅能改善发动机工作循环的热效率，从结构设计 和运行可靠性方砸来看，也具有重要意义。因为汽缸所传出的热量及其冷却措施决 定了汽缸壁各部分的温度水平和温度场。前者对润滑磨损活塞间隙起决定作用，后 者决定了零件热应力大小。目前高温零件的热负荷已成为影响发动机工作寿命和可 靠性的主要原因之一。柴油机的强化( 提高平均有效压力、提高转速等) 在很大程 度上决定于这些问题的解决。 而我们在发动机的活塞环、活塞、气缸套、气门镀了一层金属陶瓷梯度功熊材 料，由于这种材料能够减少零件材料的导热系数，发动机实际循环中的热量损失就 天津大学硕士学位论文 由以上图表分析可得：发动机的 c 、c o 的排量减少幅度大，h c 减小的百分比 最高值达到6 0 ，c o 排量的减少百分比甚至高达8 0 ，。预测原因是由于火焰淬熄 的减少。 c 0 2 的排量增加，这说明发动机的燃烧效率有所提高，使发动机性能得到改善。 此外n 0 ；排量增加，这可能是由于陶瓷镀膜材料增强了发动机的密封性，使漏气损 失减少，实际压增比增大，气缸内燃烧温度提高使n o 。的排量增加。这从镀膜前 后的发动机排气温度可以看出，在镀膜后发动机排温明显比镀膜前高。 从四冲程柴油机镀膜前后的性能曲线对比图来看，发动机的最大功率有一定程 度的提商，提高百分比的范围在5 3 - 9 0 9 6 之间，最大矩距提高百分比的范围在 4 4 - 8 2 9 6 之间，最低燃油消耗率有所下降，下降百分比的范围在3 4 - 4 5 之间。 并且，由图可看出：镀膜后的发动机在高转速时其优越性得到充分展现。 2 3 实验结果分析： 1 在发动机的实黼；循环中，汽缸壁( 包括汽缸套、汽缸盖、活塞、活塞环、 气门、喷油器等) 和工质问始终存在着热交换。工质在压缩、燃烧、膨胀过程中通 过汽缸壁各部分向外散发的热量损失将造成发动机指示功率和指示热效率的下降。 此外在排气过程中，还有相当一部分热量通过工质所流过的各零件表面所进入到发 动机冷却系统中去，通过汽缸壁还要将一部分活塞摩擦所产生的热量引导出去珀”。 对于缸壁传热问题的改善，不仅能改善发动机工作循环的热效率，从结构设计 和运行可靠性方砸来看，也具有重要意义。因为汽缸所传出的热量及其冷却措施决 定了汽缸壁各部分的温度水平和温度场。前者对润滑磨损活塞间隙起决定作用，后 者决定了零件热应力大小。目前高温零件的热负荷已成为影响发动机工作寿命和可 靠性的主要原因之一。柴油机的强化( 提高平均有效压力、提高转速等) 在很大程 度上