| 单词 | 复合材料在内燃发动机活塞上的应用 |
| 释义 | 【复合材料在内燃发动机活塞上的应用】 内燃发动机活塞在高温高压下工作，服役条件恶劣。随着发动机功率的提高和活塞使用寿命的延长，普通的铝合金活塞难以满足要求。通常采用镶奥氏体铸铁环的方法来提高活塞环槽部位的耐磨性。随着复合材料制备技术的发展及性能的不断提高，用陶瓷纤维(包括短纤维和晶须)增强铝基复合材料代替奥氏体铸铁环具有更突出的优点。主要表现在：复合材料重量轻、动载荷小，耐磨性与奥氏体铸铁相当，可用普通机械加工方法进行加工。复合材料与基体合金相比，其高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。20世纪80年代以来，日本、美国等国家相继生产出复合材料活塞，目前仍在继续寻求提高性能的新途径。 复合材料活塞常用的增强纤维有：Al2O3短纤维、Sic、Al2O3·SiO2短纤维、SiC晶须、Si3N4晶须以及K2O·6TiO2晶须、(Al2O3)B2O3)2晶须和矿物纤维等。1．Al2O3短纤维。复合材料活塞所用的短纤维主要为Al2O3短纤维和Al2O3、Sio2短纤维。在复合材料研究的初期采用kaowool(Al2O3·SiO2短纤维)纤维作为标准型，而saffil纤维(Al2O3短纤维)作为高级型，用这些纤维增强的复合材料已成功地应用在日本丰田轿车发动机活塞上。复合材料因纤维的加入而被大大增强。对氧化铝纤维来说，α－Al2O3最稳定。纤维中α－Al2O3的含量越高，机械性能越好，耐磨性也越好，但机械加工也越困难。不含α－Al2O3的硅酸铝纤维的耐磨性比基体合金好，而氧化铝纤维中α－Al2O3含量在10%～50%时耐磨性明显提高，超过50%时耐磨性逐渐降低而且机械加工更困难。因此，为了既保持复合材料有良好的性能又便于切削加工，必须控制合适的a型氧化铝的量，使其在10%～50%之间。2．Al2O3·SiO2短纤维。由于Al2O3纤维硬度高，容易造成刀具及与其匹配的零部件的异常磨损，很难在工业生产中大量采用，因而硅酸铝因其价格低廉受到重视，但一般硅酸铝纤维作为耐火材料时性能低，存在许多非纤维化的大颗粒，因此必须进行处理后才能使用。作为耐火材料的硅酸铝纤维是一种非晶形式的纤维，硬度较低，结构不稳定，和基体间润湿性不好，而对于易氧化的基体合金纤维和基体界面反应严重，造成纤维性能下降，所以用这种纤维制成的复合材料性能较低。如果提高α－Al2O3含量就可以提高纤维硬度，从而提高复合材料的性能。常用的方法是将纤维加热到950℃以上，使纤维硬度从HV700增加到HV1000，得到结晶型Al2O3·SiO2纤维，即ALSILSON纤维。大尺寸非纤维化颗粒也是造成复合材料性能较低的重要原因，尤其是造成刀具和匹配件的异常磨损。将大尺寸非纤维化颗粒含量控制在5%以内即可以有效减轻其不良影响。对硅酸铝纤维作以上处理后可以基本满足一般民用汽车发动机活塞的要求。3．陶瓷短纤维研究的新进展。为满足更高性能要求的发动机的需要，近年来日本研制成功具有更高强度和耐磨性的新型复合材料。这种复合材料由混杂增强体增强，即在铝合金基体上均匀分布着ALSILON纤维和NiAl3金属间化合物。NiAl3在基体中分布均匀。目前有关晶须增强复合材料的工作主要是继续寻求高性能的复合材料，努力降低成本。对于增强铝合金的晶须的研究主要集中在SiC晶须上。SiC晶须具有非常优良的性能，其增强效果比A12O3短纤维好得多。SiC晶须增强铝基复合材料性能优良，但由于SiCw硬度高(烧结硬度HV2800)，难以加工，有人试图用Si3N4晶须(烧结硬度1800)来取代SiCw。为大幅度降低晶须价格以适应工业化生产的需要，从1989年4月开始日本四国化学株式会社和四国政府工业研究所合作研制(Al2O3)9(B2O3)2晶须，并已批量生产。该晶须和SiCw性能接近，而价格仅为SiCw的1／30。因此，该晶须应用前景非常好。通过对(Al2O3)9(B2O3)2增强6061合金复合材料性能与其它几种增强剂增强效果的比较可以看出，室温下该复合材料抗拉强度达400MPa以上，和SiCw／6061、Si3N4w／6061相当，其它性能如弹性模量、热膨胀系数也很相似。用(Al2O3)9(B2O3)2晶须增强活塞合金的工作目前正在进行之中。国外复合材料在活塞上的应用已发展到一个新的阶段，一方面在原来复合材料的基础上探讨提高性能的新途径，例如用(Al2O3·SiO2+NiAl3)增强铝合金使材料性能大大提高；另一方面努力寻求质优价廉的增强剂以利于大批量生产，(Al2O3)9(B2O3)2晶须就是其中的一种。中国有许多单位也开展了这方面的研究工作，但和国际先进水平相比还有较大差距，需要广大科技工作者的不断努力。(中国兵器工业部第五十二研究所宁波分所朱秀荣撰) |
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