新型材料在内燃机行业中的应用

新型材料在内燃机行业中的应用

为了满足内燃机技术发展的要求，开发和采用新技术生产内燃机零件已成为一种趋势。如内燃机汽缸套、活塞、活塞环、凸轮轴等零件的新型材料得到了很好地开发并有效地已经应用或有待应用于实际，对于提高内燃机效率、延长使用寿命、降低噪音、降低废气污染都有着很大地帮助。

1、新型材料在内燃机活塞及气缸套上的应用

金属复合材料是新一代的高性能材料，用于活塞的复合材料由低密度金属和增强陶瓷纤维组成，主要用于高性能铝活塞。

近年来，有所发展的是纤维增强金属。铝合金基FRM有抗拉强度高、耐热及耐磨特性。纤维增强的轻金属能用于仅靠轻合金不能满足强度和耐磨性的部位上，是很有发展前途的材料。活塞环槽是由氧化铝、二氧化硅纤维或氧化铝纤维增强铝合金铸成的，从而有效地利用了FRM的耐磨性和低热膨胀性，提高了活塞环槽的耐磨性，确保了活塞和气缸的间隙。在此基础上，国外又推出了氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞机氧化铝纤维增强的美和精致凿的活塞等，进一步扩大了FRM在活塞上应用。

陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝缘性好、高温强度大的优点。一些陶瓷的密度是最先进的超级合金的1/3，是钢的1/2。陶瓷材料比金属材料能更好的满足内燃机的要求，诸如提高经济性、降低有害物质的排放、降低避壁面损失，以至不需冷却发动机。质量轻使其成为制造活塞的理想材料。

高温陶瓷的主要优点是熔点高、热强度性好、密度小、热膨胀系数小、抗腐蚀性和氧化性、耐磨性，同时其资源也较丰富。

陶瓷纤维合金的优良特性有助于活塞性能提高，如在顶部外圆周及顶环槽部位用陶瓷纤维为加以强化，则耐磨性加强，可减少环槽的磨损。由于陶瓷纤维合金较SAE321的热强度高，体积稳定很少变形，很适宜做活塞顶部外圆周的强化材料，特别是在高负荷下运行的活塞。

另外，把陶瓷作为缸套材料能适应缸套日益要求严酷的工作条件和强化条件。

目前，使用的陶瓷材料有两种：功能型和结构型。功能型陶瓷可用在氧传感器、PZT爆震传感器、NTC 热敏电阻水温传感器等内燃机电子控制和结合的各种传感器上。结构型陶瓷用于制造内燃机零件的更多，主要用于活塞顶、缸套、缸盖火焰面垫片、涡流室镶块、排气管、排气道、气门弹簧座、预热塞以及增压器涡壳和叶轮。

2、新型材料在内燃机凸轮轴上的应用

金属—塑料复合凸轮轴已在美国应用。将粉末金属成型并经磨削加工的凸轮片和中空钢轴放入模具内，在中空轴周围注射塑料。凸轮片和轴之间不再有金属直接接触，而是由塑料固定形成一体。这种凸轮

轴的成本及重量均可减少40%，可降低发动机噪声。

3、新型材料在内燃机密封上的应用

金属复合橡胶板（MCR）是指以金属薄板为基材，表面经化学处理与橡胶复合而成的环保密封材料。其材料组成主要是金属基材和橡胶弹性体。

金属基材主要作用是提高材料的强度和抗变形能力，应用于摩托车发动机缸头垫。金属基材厚度一般为0.2~0.25mm，MCR采用进口301不锈钢。

橡胶涂层目前主要以丁qing橡胶和氟橡胶为主。橡胶涂层的品质和厚度主要取决于MCR的应用目的和使用场所。MCR复合材料的压缩回弹性能、密封性能、耐介质性能、抗振吸音性能、康入边松弛等基本性能主要取决于橡胶涂层的品质、厚度以及金属基材的粘接强度。

氟橡胶具有相当好的耐热性、耐油性、耐化学性。为适应缸头垫的高温，MCR主要选用氟橡胶，为了提高氟橡胶的综合性能，还需要在氟橡胶加入液晶纳米插层材料作为助剂。

纳米复合材料由于其纳米尺度效应、大的比表面积以及强的界面相互作用，其物理性能优于相同组分常规复合材料。应用液晶纳米插层杂化材料技术处理的氟橡胶，通过加工和复合工艺的优化，极大地降低了氟橡胶在高温下的永久变形率，提高了橡胶的的强度，热稳定性明显增强，以实现高效、耐久、环保的密封效果。

4、其他材料在内燃机中的应用

树脂材料应用于内燃机零件，因受温度、应力、油水等条件的限制，受到一定的影响。但由于树脂质量轻、工艺性好、价格便宜，因此已有部分零件被树脂取代。但是，在内燃机上大量使用树脂零件的条件还不成熟。不过，部分零件用树脂材料来代替金属材料已是相当普遍，特别是像内燃机中壳、罩、盖、管之类的零件逐渐将使用树脂材料。

金属材料还有烧结材料、功能材料等。其中正在开发的功能性材料有形状记忆合金、强磁性材料、非静态合金。形状记忆合金用在叶片空气制动器和汽化器上，强磁性材料、非晶态合金用在起动器上。

目前，内燃机使用的材料主要以金属材料为主，不过，近些年来在内燃机行业已不完全衣服与金属材料，而是致力于开发新材料。特别是树脂材料、陶瓷材料以及各种复合材料的发展引人注目，而陶瓷材料代替金属制造发动机被认为是世界发动机的改革。