陶瓷与发动机结下了不解之缘

陶瓷与发动机结下了不解之缘

柴油机和燃汽轮机是当今主要的动力装置。随着高性能陶瓷及其制造工艺的提高和发展，这两种发动机零部件所用材料将与高性能陶瓷有密切关系，将逐步用高性能陶瓷代替金属，进而演变成新型的陶瓷发动机。

一、什么是陶瓷发动机？

在传统柴油机或燃汽轮机用的金属零件中，铝合金的耐温极限为350℃，钢和铸铁的为450℃，最好的超级耐热合置又使发动机设计复杂化，增加重量和耗费许多功率。长期以来，人们在寻用一种理想的材料来代替发动机用的金属材料。

发动机用材料的重大改革则是用高性能陶瓷零件逐步代替金属零件，直至发动机的主要零件，这就是人们说的陶瓷发动机。

高性能陶瓷有许多优于金属的貹能，例如耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻和隔热性能好，这些特殊性能可使 传统发动机面临的热效率低和结构复杂等许多难题得到合理的解决，并提高发动机的性能和耐久性。因此，有专家认为，高性能陶瓷是内燃机发明以以来最鼓舞人心的新发展，它将最终解决发动机要在苛刻环境下工作的问题。21世纪，将会出现许多陶瓷发动机。最初，人们研究和使有的是陶瓷涂层和单一整体陶瓷制的发动机零件。陶瓷涂层技术成熟、成本低、寿命较高 ，采用等离子喷覆二氧化锆、碳化钛和二氧化钛等陶瓷，获得1毫米以内的耐 久涂层。为了解决陶瓷涂层太薄的问题，人们 研究用二氧化锆、氮化硅、碳化硅和钛酸铝制造动机的整体陶瓷零件。此外，还研究了玻璃陶瓷、氧化铝等整体陶瓷件。

二、陶瓷在燃气轮机中的应用

燃气能机提高性能的关鍵是寻能耐1316℃以上温度的高温材料。而且，温度每提高100℃，燃油消耗率可下降约20克。因此，耐高温陶瓷是被选择的理想材料。

70年代以来，相继的投入巨资研究燃气轮中应用陶瓷问题。他们将燃烧室、叶片、涡轮等采用耐热合金零件，都改用 陶瓷进行了试验研究。美国福特公司于1971年开始研制一种可用于坦克和民用车辆的不冷却陶瓷燃气轮机。其燃烧室、 涡转子和架回热器等全部高温零件都采用氮化硅的碳的碳化硅等陶瓷材料制成。这些零件在1200－1370℃下成功地经受了200小时的台架试验，还经历了公路行车试验。目前，西方发达国家，已用掺氧化钇、含30％碳化硅晶须的氮化硅复合材料生产燃气轮气中，一些零件已采用陶瓷或陶瓷涂层。通过电气公司研制的美国第二代燃气轮机，也已考虑在叶片上喷叶陶瓷。

三、陶瓷在柴油机中的应用

陶瓷在柴油机中的应用研究主要体现在2方面。一方面是，利用陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀和重量轻等性能特点，主要在民用机中用陶瓷零件代替金属零件、获得优于金属零件的性能。日本在这方面的成效较在，它研究了大量的陶瓷部件，已投产和使用的有：涡轮增压器转子、电热塞、摇臂镶块、排气中内衬、预燃烧室镶块、氧化铝纤维强化的铝连杆以及陶瓷纤维强化的铝合金活塞等。德国某公司采用氮化硅活塞销，简化了活塞设计，降低了成本。

另一方面是，在气缸套、活塞、缸盖以及进、排气门等零件上采用整体或陶瓷涂层，利用其耐高温与隔热性能以及其它 隔热技术设计成低散热陶瓷柴油机，这种油机通过采用取隔热措施来降低损失，使用多热能转换成有效功。西方发达国家 的5吨卡车和3种民用车辆已使用此类柴油机。而在汽车柴油机方面，美国应用了隔热陶瓷涂层。

三、低散热陶瓷发动机在军用领域，尤其是在坦克和装甲战车中的应用，具有重要的意和广阔的前景。

现用的坦克发动机， 无论是高增压柴油机或超高增压柴油机，还是气轮中，都难于同时滿足单位体积功率大、高可靠性，可使有性、可维护性 以及耗油率低等多方面对现代坦克动力装置和要求。而低散热柴油机采用减少或取消冷却系统、但保持较高工作温度的设计方案，可较合理地满足上述要求。

减少或取消冷却系统带来的好处是：

（1）取消冷却系统，可使柴油机体积减少40%以上。柴油机体积减少使全车重量降低，从而提高了单位体积功率，单位功率和机动性。

（2）军用车辆50%的故障同冷却系统有关，减少或取消冷却意味着提高发动机的可

靠性、可使用性、可维护性和耐久性。

（3）在坦克中，冷却所需功能消耗掉总燃油的10%－15%，减少或取消支冷却系统将降低坦克的燃油消耗。坦克采用 低散热柴油机预计可降低5%－10%的耗油率，这将增加车辆的行程和减轻后勤供油的负担。

（4）使车辆的整体设计具有较大灵活性，功获得装甲覆盖少、重量轻、尽寸小和生存能力较强的新设计方案。西方发达国家为下一代战坦克研制了以XAV－28型低散热柴油机为动力的XAP－1000整体式推进系统。该机采用陶瓷涂层 与空气隙隔热，用耐磨涂层和高耐热合金制高温零件，在高耐热合金活塞顶和合金铸铁缸盖上涂覆陶瓷涂层，在合金铸铁气缸内表面涂覆耐磨涂层。在铝活塞环上涂覆耐热涂层，使用一种润滑油在某些部位进行最小限度的高温冷却 XAV－28柴油机已进行装车试验。与M1主战坦克的燃气轮机相比，它的耗油率、体积和维修费这3项指标都 减少50%，超过了寻该国先进的整体式推进系统规定的要求。

此外，西方发达国家还研制了5吨汽车用的不冷却发动机发及可供M2步兵车和M109自行火炮等使用的AA750型涡 轮复合柴油机。所用的不冷却发动机在主要高温零件上采用二氧化锆涂层隔热，同水冷柴油机相比，大大减少了零件 、体积、重量、冷却水，并降低了耗油率。而在AA750机内则采用了整体陶瓷的陶瓷涂层隔热，气缸盖底面和活塞顶用部分稳定氧气锆隔热，气缸内表面采有二氧化铬复合涂层，进排气中采用整体浇铸钛酸铝隔热，在增压器中采用氮化硅转子和轴承。

另外，德国某公司在为“豹”Ⅲ坦克研制的MT800系列柴油机中，采用了气隙技术和陶瓷涂层隔热。