水溶性胶态成型工艺制备氮化硅耐磨结构陶瓷

以氮化硅粉末为原料, 采用水溶性胶态成型工艺制备高耐磨氮化硅陶瓷. 采用正交设计的方法来优化制备高品质注浆料, 并研究了掺杂分散剂后Zeta电位的变化. 同时, 还对氮化硅陶瓷烧结体的显微结构、力学性能和耐磨性能进行了研究. 结果表明: 当氮化硅浆料中固相体积分数为45%时, 可制得体积密度较高的精细氮化硅陶瓷材料, 断裂韧性可达7.21MPa·m^1/2, 硬度为9.30GPa. 通过抗耐磨损实验研究表明: 干摩擦条件下, 氮化硅陶瓷发生了晶粒脆性断裂和脱落; 水润滑条件下, 摩擦表面产生了氢氧化硅 反应膜, 降低了磨损, 主要是化学腐蚀磨损.     

气压烧结氮化硅陶瓷活塞顶

本工作研究了添加稀土氧化物的反应烧结氮化硅，在高氮气压力下的气氛加压烧结性能， 制备出高温性能优良的氮化硅陶瓷材料；使用此种材料研制成功了内腔为梅花型的氮化硅陶瓷活塞顶，在无水冷柴油机中规定的工艺条件下，通过４００ｈ台架耐久考核试验后，又装入大客车中，完成１２０００ｋｍ以上的道路试验。     

Si3N4/W高温共烧陶瓷的制备与研究

氮化硅陶瓷具有良好的热导率与优异的力学性能，在大功率电子器件中具有较好的应用前景。实现氮化硅陶瓷与金属的高温共烧对其在电子器件中的应用具有重要意义。高温共烧技术常用氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷和氮化铝陶瓷作为基板材料，鉴于此，本工作以氮化硅陶瓷为基板材料，结合流延成型、丝网印刷以及高温共烧技术制备氮化硅多层共烧组件，探究烧结助剂(Er₂O₃)含量对氮化硅陶瓷性能的影响，并对氮化硅多层组件脱粘工艺、界面结构与成分和导电性能进行分析与讨论。结果表明：Er₂O₃含量为9%(质量分数，下同)时，可得到相对密度、收缩率、热导率和抗弯强度分别为95.35%、10.33%、69.94 W/(m·K)和(807.33±10.34) MPa的氮化硅陶瓷。适用于氮化硅多层组件的脱粘工艺为：在真空下以1℃/min的速率升温到600℃并保温1 h。共烧后氮化硅多层组件中的W层厚度约为7μm, W层与陶瓷层界面明显，既存在机械互锁型结构，也有界面反应发生，产物为W₅Si₃。组件的薄层方阻...     

氮气压力对多孔氮化硅陶瓷显微组织和力学性能的影响

以α-Si₃N₄为原料, Y₂O₃为烧结助剂, 在三种不同的氮气压力(0.12、0.32和0.52 MPa)下烧结制备了多孔氮化硅陶瓷。研究了氮气压力对氮化硅的烧结行为、显微组织和力学性能的影响, 分别通过SEM观察显微组织并统计晶粒的长径比, 通过XRD对物相进行分析, 并对烧结试样进行三点弯曲强度测试。随着氮气压力的提高, 多孔陶瓷的线收缩率降低、气孔率提高, 这是由于低熔点的液相中N含量随氮气压力的提升而增加, 导致了液相粘度提高, 抑制陶瓷致密化。随着氮气压力的提高, 组织中的棒状β-Si₃N₄生长良好, 晶粒长径比增大, 其原因是高的液相粘度抑制了β-Si₃N₄形核, 有利于β-Si₃N₄生长。由于β-Si₃N₄棒状晶的作用, 陶瓷弯曲强度随氮气压力的升高得到改善, 但是气孔率的升高降低陶瓷的强度。在0.52 MPa的氮气压力下烧结的多孔陶瓷气孔率达58%, 弯曲强度为140 MPa。     

反应烧结制备Si3N4/SiC复相陶瓷及其力学性能研究

以两种不同配比Y₂O₃/Al₂O₃ (A, 2:3; B, 3:1, 总量15 wt%)为烧结助剂, 通过添加不同质量分数的SiC粉体,反应烧结制备了高强度的氮化硅/碳化硅复相陶瓷。并对材料的相组成、相对密度、显微结构和力学性能进行了分析。结果表明: 在1700℃保温2 h情况下, 烧结助剂A 与B对应的样品中α-Si₃N₄相全部转化为β-Si₃N₄; 添加5wt% SiC, 烧结助剂A对应样品的相对密度达到最大值94.8%, 且抗弯强度为521.8 MPa, 相对于不添加SiC样品的抗弯强度(338.7 MPa)提高了约54.1%。SiC能有效改善氮化硅基陶瓷力学性能, 且Si₃N₄/SiC复相陶瓷断裂以沿晶断裂方式为主。     

以YbH2-MgO体系为烧结助剂制备高热导率高强度氮化硅陶瓷

以YbH₂-MgO体系为烧结助剂, 采用两步法烧结制备了高热导率高强度氮化硅陶瓷, 研究了YbH₂-MgO对氮化硅致密化行为、相组成、微观形貌、热导率和抗弯强度的影响。在预烧结阶段, YbH₂在还原SiO₂的同时原位生成了Yb₂O₃, 进而形成“缺氧-富氮”液相。该液相不仅有利于晶粒的生长, 更有利于阻碍晶格氧的生成, 相较于Yb₂O₃-MgO助剂体系, β-Si₃N₄晶粒尺寸更大, 晶格缺陷更少, 低热导晶间相更少, 在1900 ℃保温24 h后, 热导率最优可达131.15 W·m^-1·K^-1, 较Yb₂O₃-MgO体系提升13.7%。用YbH₂代替Yb₂O₃, 在低温条件下烧结制备得到的氮化硅抗弯强度有所改善, 在1800 ℃保温4 h的抗弯强度可达(1008±35) MPa; 但在高温烧结时强度略有下降, 这与微观结构的变化密切相关。研究表明, YbH₂-MgO体系是制备高热导率高强度氮化硅陶瓷的有效烧结助剂。     

原位反应结合多孔Si3N4陶瓷的制备及其介电性能

以氮化硅(Si₃N₄)和氧化铝(Al₂O₃)为起始原料, 利用原位反应结合技术制备Si₃N₄多孔陶瓷. 研究烧结温度和保温时间对Si₃N₄多孔陶瓷的微观结构、力学性能以及介电性能的影响. 结果表明: 烧结温度在1350℃以下, 保温时间<4h时, 随着烧结温度的升高, 保温时间的延长, 样品的强度和介电常数增大; 但条件超出这个范围, 结果刚好相反; 物相分析表明多孔陶瓷主要由Si3N4和Al₂O₃以及Si₃N₄氧化生成的SiO₂(方石英)组成. 所制备的多孔Si₃N₄陶瓷的气孔率范围为25.34%～48.86%, 抗弯强度为34.77～127.85MPa, 介电常数为3.0～4.6, 介电损耗约为0.002.     

碳热还原-反应烧结法制备多孔氮化硅陶瓷

以廉价的二氧化硅、炭黑和硅粉为起始原料, 利用碳热还原-反应烧结法制备了高气孔率、孔结构均匀的多孔氮化硅陶瓷, 考察了原料中硅粉含量对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响。XRD分析表明烧结后的试样成分除了少量的α-Si₃N₄相和晶间相Y₂Si₃O₃N₄外, 其余都是β-Si₃N₄相; SEM分析显示微观组织由棒状β-Si₃N₄晶粒和均匀的孔组成。通过改变硅粉的含量, 制备了不同气孔率, 力学性能优异的多孔氮化硅陶瓷。     

用碳热还原法制备多孔氮化硅陶瓷

以廉价的二氧化硅和活性碳为起始粉料, 用碳热还原法制备了高气孔率, 孔结构均匀的多孔氮化硅陶瓷.考察了二氧化硅粉末粒径对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响. 借助X射线衍射(XRD), 扫描电子显微(SEM)和三点弯曲法对多孔氮化硅陶瓷的微观组织和力学性能进行了研究. XRD分析表明在烧结后的试样中, 除了微量的α-Si₃N₄相和晶界结晶相Y₈Si₄N₄O₁₄外, 其余的都是β-Si₃N₄相; SEM分析显示多孔氮化硅陶瓷是由柱状β-Si₃N₄晶粒和均匀的孔组成, 通过改变二氧化硅的粒径, 制备了不同孔隙率, 力学性能优异的多孔氮化硅陶瓷.     

添加β-Si3N4棒晶对氮化硅陶瓷力学性能的影响

将由自蔓延燃烧合成法制备的β—Si₃N₄棒晶加入到α-Si₃N₄起始原料中,研究了热压烧结氮化硅陶瓷力学性能的变化.随棒晶添加量的增加,材料的韧性提高,抗弯曲强度下降.与不加棒晶相比,加入8wt％的β-Si₃N₄棒晶可使陶瓷的韧性从4.0MPa·m^1/2提高到6.7MPa·m^1/2.断口形貌和压痕裂纹的显微结构观察表明,韧性的提高源于长柱状晶粒的拔出和裂纹的偏转.     

Al3Ti/A356铝基复合材料的显微组织及拉伸力学性能

在A356铝合金熔体中加入K₂TiF₆盐,通过熔体搅拌原位反应法制备了Al₃Ti/A356铝基复合材料,研究了Al₃Ti含量对铝基复合材料显微组织及室温和高温拉伸力学性能的影响。结果表明,Al₃Ti/A356复合材料的铸态组织由α-Al、共晶Si和(Al, Si)₃Ti相组成。随着K₂TiF₆盐添加量的增加,(Al, Si)₃Ti相也逐渐增多,其形状由大块状和棒状转变为小块状,同时,基体中的共晶Si细化效果也越显著。在生成不同Al₃Ti含量的复合材料中,2wt%Al₃Ti/A356复合材料的常温拉伸抗拉强度和屈服强度均为最高,分别为179.7 MPa和74.1 MPa。350℃高温拉伸时,6wt%Al₃Ti/A356复合材料的抗拉强度和屈服强度分别比基体提高22.1%和12.6%,分别达到66.3 MPa和57.9 MPa,最高抗拉强度达到或超过了一些现役汽车活塞用的铝硅合金,表明Al₃Ti/A356复合材料具有作为新型耐热铝合金应用于汽车发动机耐热部件的潜力。      

Root Cause Analysis of Failed Diesel Engine Aluminum Pistons

Root cause analysis was performed to determine the cause of failure of numerous cast aluminum pistons used in high speed diesel engines over ~7 months. The analysis consisted of metallurgical and engine systems evaluations. The metallurgical evaluation of two of the initial failed pistons showed failure by exposure to incompletely atomized and combusted fuel droplets that melted and eroded the piston crown outer diameters. The initial suspected root cause of the uncombusted fuel droplets was the presence of fuel-tank biological growth. The tanks were cleaned and the engines restored to service, but there were additional piston failures after only a short time back on-line, including piston seizures that fractured the pistons and cylinder liners. A subsequent, much more detailed engine system evaluation showed that the true root cause explaining all the failures was incorrect fuel injection timing. Two key points to be taken from this analysis are: (1) determination of the true root cause in this case required continuous and close interaction among metallurgical and engine systems personnel throughout an extended analysis process; (2) getting to the true root cause may require tenacious ‘detective’ work to track down and eliminate all other potential causes.     

活塞销失效分析及工艺改进

某柴油发动机活塞销在使用中发生大批量失效事故。采用了宏、微观检验、化学成分分析、冷挤压工艺分析及现场工艺试验等检测手段对断裂的活塞销进行了分析。结果表明，活塞销断裂的主要原因是冷挤压工艺不当导致活塞销内孔表面和次层产生裂纹。提出了工艺改进意见。     

活塞二阶运动对非道路高压共轨柴油机振动及噪声影响分析

活塞敲击是柴油机主要的振动和噪声源,其主要原因是活塞在其与缸套的间隙中做横向和偏摆的二阶运动,因此研究活塞设计参数对活塞二阶运动的影响,优化活塞动力学特性,对于发动机减振降噪具有重要意义。以某非道路四缸高压共轨柴油机为研究对象,建立活塞动力学计算模型以及整机多体动力学计算模型,通过机体和曲轴的模态试验,验证了有限元模型的准确性;采用正交设计方法,研究了活塞销偏置量、活塞裙部中凸点位置、配缸间隙对活塞动力学、整机振动与噪声的影响。研究结果表明:活塞配缸间隙对活塞敲击能量、活塞敲击力、活塞所受力矩影响最大;对发动机振动噪声敏感性分析显示,活塞销偏置是影响发动机振动与噪声性能的关键因素。     

内燃机生物柴油掺烧比对表面辐射噪声测试与研究

采用工程法测量发动机表面辐射噪声,结果表明:适当的生物柴油掺烧油比例能降低内燃机噪声,内燃机的动力性能与原机基本相当,纯生物柴油的噪声比纯柴油的噪声仅降低约2.9%:在一定工况下,相同转速随着负荷的增加,适当的掺烧比能降低内燃机噪声,纯生物柴油在2 000 r/min下不同扭矩的噪声比纯柴油仅少1%:纯柴油噪声在800...     

可切削的氧化锆陶瓷牙科修复体的制备

通过控制CaO_₂-Al_₂O_₃-SiO_₂硅酸盐玻璃粉体,在1300℃低温下液相烧结获得热膨胀系数在7.19×10 ^-6/℃和8.15×10^-6/℃范围内,与修复体饰瓷相近,其强度在340～360MPa,韧性在2.7～3.5 MPa·m^I/2,可切削性与In-Ceram相当的氧化锆陶瓷牙科修复体.     

IC Engine Applications of Carbon–Carbon

Many of the properties of carbon–carbon make it an ideal material for reciprocating materials of intermittent combustion (IC) engines. Recent diesel engine tests, shown herein, indicate that the thermal and mechanical properties of carbon–carbon are adequate for piston applications. However, reducing the manufacturing costs and providing long term oxidation protection are still issues that need to be addressed.     

碳／碳复合材料活塞的制造与性能

介绍了用Ｃ／Ｃ复合材料制造的航模发动机活塞的新方法，并研究了制备工艺，对用相同方法制造的短梁试样进行了性能测试和微观组织分析。实验结果表明：所制得活塞的密度达到１．４３ｇ／ｃｍ３，剪切强度最高达到１６．８９ＭＰａ，弹性模量７．５５ＧＰａ，断裂强度２５．５２ＭＰａ，其试样断口为纤维拔出型。     

Thermo-mechanical fatigue damage and failure of modern high performance diesel pistons

This study resulted from an engineering failure investigation related to diesel engine piston failures which occurred during a bench dynamometer engine durability test programme. The test programme aimed at evaluating the effects of various fuel types on the durability of fuel system components in passenger car diesel engines. A number of unexpected cylinder head, turbocharger and piston failures were experienced during the course of the test programme. This study focused on the cause of the piston failures experienced during these tests.Analyses of the fractured pistons revealed that thermo-mechanical fatigue initiation occurred as a result of primary silicon phase cracking and subsequent micro-crack formation due to excessive thermo-mechanical loading. Progressive formations of such micro-cracks lead to flaws that were of sufficient magnitude to initiate propagation by high cycle fatigue mechanisms.The investigation also revealed that the excessive thermo-mechanical piston loading was caused by over-fuelling and a combination of elevated and poorly controlled post intercooler air temperature. There was no evidence to suggest that the failures were related to the test fuel formulations.