金屬基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的發(fā)展與研究

摘 要：金屬基復(fù)合材料是一種新型的復(fù)合材料，具有很多優(yōu)點(diǎn)，目前其在發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域得到十分廣泛的運(yùn)用，文章就金屬基復(fù)合材料的性能、制備過(guò)程和在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中的運(yùn)用展開(kāi)研究，為金屬基復(fù)合材料的進(jìn)一步運(yùn)用打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料；發(fā)動(dòng)機(jī)；性能；制備過(guò)程

中圖分類號(hào)：TB331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）21-0064-02

所謂的金屬基復(fù)合材料是將金屬材料與高性能增強(qiáng)材料復(fù)合而成的新型材料。它具有較高的比強(qiáng)度、比模量、良好的導(dǎo)熱性、耐高溫和良好的導(dǎo)電等性能，同時(shí)還具有優(yōu)良的耐磨性，金屬基復(fù)合材料在各種性能上明顯優(yōu)于普通的金屬材料。除此之外，金屬基復(fù)合材料最突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是材料的可設(shè)計(jì)性，金屬基復(fù)合材料的各種優(yōu)異性能使得其在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。金屬基復(fù)合材料最先是運(yùn)用在航天領(lǐng)域，近年來(lái)在汽車制造領(lǐng)域也得到了廣泛的運(yùn)用。

隨著環(huán)保概念的日益增強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)大多數(shù)集中在節(jié)能省油、降低噪聲和排放、減輕重量、提高功率等方面。從中可見(jiàn)，材料的優(yōu)化在很大程度上能解決上述的問(wèn)題。金屬基復(fù)合材料的各種優(yōu)異性能為發(fā)動(dòng)機(jī)的制造提供了良好的發(fā)展前景，將該材料運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上能使發(fā)動(dòng)機(jī)的制造得到革命性的發(fā)展。

1 金屬基復(fù)合材料的性能

基體和增強(qiáng)材料的物理特性對(duì)金屬基復(fù)合材料的性能影響很大，同時(shí)基體和增強(qiáng)材料之間相互分布的方式、搭配比例等也會(huì)影響復(fù)合材料的性能。通過(guò)控制基體和增強(qiáng)材料之間的比例、分布、排列方式或制備方法等，可制備出性能不一樣的新材料以滿足各種特殊的要求。金屬基本身的性能能夠得到強(qiáng)化是因?yàn)榻饘倩玫搅似渌墙饘兕w粒或金屬、纖維的強(qiáng)化作用，在保留原有性能的基礎(chǔ)上還進(jìn)一步強(qiáng)化了其他的性能。金屬基復(fù)合材料優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1.1 耐磨性好

以碳纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料的磨損率比沒(méi)有用纖維增強(qiáng)的金屬基的磨損率約低10%，這種復(fù)合材料可用于制造軸承、潤(rùn)滑活塞環(huán)和齒輪等部件。如果金屬基材料中加入石棉材料，則可得到制動(dòng)效果好、摩擦系數(shù)大的摩阻材料。

1.2 耐熱性好

將陶瓷材料與SiC纖維復(fù)合，得到的新型復(fù)合材料能在空氣中承受1 300 ℃～1 400 ℃的高溫，比超高溫合金的耐熱極限還要高出300 ℃。用這種新型復(fù)合材料制作發(fā)動(dòng)機(jī)，可取消柴油機(jī)原有的水泵、散熱器等冷卻系統(tǒng)，不僅可以簡(jiǎn)化內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性，還可減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量約100 kg；如果用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，使用溫度可提高到1 400 ℃。

1.3 高密度

單位密度模量是指材料的模量與密度之比，單位密度強(qiáng)度是指材料的強(qiáng)度與密度之比。高強(qiáng)度的C纖維與Ti合金復(fù)合，單位密度模量為80 MN·m/kg，單位密度強(qiáng)度可達(dá)950 kN·m/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的Al合金和鋼材。用這種復(fù)合材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)，能在很大的程度上減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，并且能提高發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度。

2 金屬基復(fù)合材料的制備方法

金屬基復(fù)合材料有攪拌鑄造、無(wú)壓金屬浸滲、粉末冶金法等幾種典型的制備方法。

2.1 攪拌鑄造

所謂攪拌鑄造是指在工業(yè)制造中將增強(qiáng)劑粉末緩慢加入液態(tài)金屬中，一邊加一邊攪拌熔液，待增強(qiáng)劑粉末和液態(tài)金屬分散均勻后，使整個(gè)混合體凝固形成新型復(fù)合材料。這種方法在工業(yè)制造中很常見(jiàn)，無(wú)需特殊工藝，傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備即可進(jìn)行鑄造，整個(gè)制備過(guò)程可以是連續(xù)或半連續(xù)的。攪拌鑄造法適用于制作非連續(xù)增強(qiáng)纖維體復(fù)合材料，該方法是美國(guó)Alcan公司于1988年首先發(fā)明并取得專利。

2.2 粉末冶金法

粉末冶金法是將固態(tài)的金屬基粉末與增強(qiáng)體顆粒在常溫下混合，之后將混合體進(jìn)行冷壓、封裝、抽氣和高溫致密化。該方法制備復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)需求任意調(diào)配增強(qiáng)體含量，使復(fù)合材料達(dá)到理想的特性，但不足之處在于與其他方法相比，該方法整個(gè)工藝過(guò)程比較復(fù)雜，制作成本也比其他方法高。

2.3 無(wú)壓金屬浸滲法

無(wú)壓金屬浸滲法是指在制造復(fù)合材料的過(guò)程中調(diào)整基體的材料成分，并控制工藝過(guò)程，通過(guò)無(wú)壓滲透法制備復(fù)合材料。這種方法是美國(guó)Lanxide公司發(fā)明，并稱之為無(wú)壓金屬浸滲法。這種方法的原理是先將增強(qiáng)體制成預(yù)制件，然后將液態(tài)金屬在無(wú)壓環(huán)境中緩慢滲透到預(yù)制件中，液態(tài)金屬和預(yù)制件會(huì)在這種環(huán)境下發(fā)生理化反應(yīng)，形成一定的化學(xué)反應(yīng)界面，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體對(duì)金屬基體的增強(qiáng)作用。

3 金屬基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用

3.1 連 桿

日本某汽車生產(chǎn)公司采用SiC晶須增強(qiáng)Al金屬基形成復(fù)合材料制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿。日本本田汽車生產(chǎn)公司研究開(kāi)發(fā)中心利用不銹鋼纖維增強(qiáng)Fe基合金生產(chǎn)復(fù)合材料，并用于連桿制造，與普通金屬相比質(zhì)量減小30%，這種材料制作的連桿使發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦力降低，通過(guò)減小了曲軸的軸徑來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。美國(guó)一家發(fā)動(dòng)機(jī)公司通過(guò)無(wú)壓滲透法將復(fù)晶Al2O3纖維和Al基復(fù)合，形成新型復(fù)合材料材料，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍛鋼連桿，復(fù)晶Al2O3纖維良好的剛度、抗彎壓強(qiáng)度及高溫穩(wěn)定性使得發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和穩(wěn)定性得到顯著的加強(qiáng)。因此，使用新型金屬基復(fù)合材料制作的連桿可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

3.2 活 塞

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，活塞性能的好壞將會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)整體的性能和功率。當(dāng)今的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)活塞材料及性能的要求越來(lái)越高。

近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家研制出各種新型金屬基復(fù)合材料用來(lái)制作發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。1982年，日本某汽車公司用硅酸鋁（Al2（SiO3）3）纖維作為增強(qiáng)體，Al作為金屬基，成功研發(fā)出新型材料制造了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞抗磨環(huán)，成為世界上首家用短纖維增強(qiáng)體合成金屬基復(fù)合材料，并成為大規(guī)模生產(chǎn)汽車活塞的國(guó)家。美國(guó)通過(guò)將SiC顆粒增強(qiáng)體與Al金屬基混合，通過(guò)粉末冶金法合成新型復(fù)合材料，并用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，這種材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)的耐磨性得到顯著的提高。

3.3 氣缸體

缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)中體積最大的部分，改變缸體的材料可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)整體的質(zhì)量。日本本田公司采用C纖維和Al2O3的混合物作為增強(qiáng)物，通過(guò)壓力鑄造法在Al合金缸體的內(nèi)表層形成3 mm厚的FRM層，由于FRM層中含有大量的纖維使得缸體的滑動(dòng)摩擦性顯著提高，并且由于Al合金的導(dǎo)熱性好，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中冷卻效率也得到了提高，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，降低了油耗。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，世界各國(guó)汽車的生產(chǎn)日新月異，世界上汽車總量也在不斷增長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量好壞直接影響到汽車整體的性能。

金屬基復(fù)合材料作為一個(gè)新興的材料，還處在不斷開(kāi)發(fā)的階段，但隨著復(fù)合材料帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益的提高，各種創(chuàng)新的復(fù)合材料、制備方法將不斷出現(xiàn)，復(fù)合材料的性能也會(huì)不斷提高，利用新興金屬基復(fù)合材料替代傳統(tǒng)材料用于發(fā)動(dòng)機(jī)的制造會(huì)給人們的生活和社會(huì)的生產(chǎn)帶來(lái)巨大效益。

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