全球所有汽车制造商都在努力解决内燃机活塞的耐热问题。南乌拉尔国立大学的科学家提出了一种廉价、高效且环保的方法来保护发动机免于过热。
“我们建议在内燃机活塞表面涂上一层隔热涂层，它与国内外同类产品的不同之处在于，它将通过爆炸喷涂进行涂覆，并由两种成分组成，”南乌拉尔国立大学材料科学与材料物理化学系高级研究员、化学科学博士德米特里·热列布佐夫说。“这是一种石英玻璃微粉，其颗粒之间的结合是塑料铝合金。这两种粉末混合物的联合喷涂将解决两个大问题：形成一种导热性低的涂层，同时保持足够的强度、抗开裂和剥落。”
世界各地都在进行类似的研究。正在测试的涂层主要是基于氧化铝和氧化锆的涂层。车里雅宾斯克的科学家希望，导热性较差的石英能够实现更高的热传递保护。这意味着它将更好地保护活塞的铝合金免受发动机燃烧室热气的影响。
车里雅宾斯克开发的另一个优势是应用方法。
“爆炸喷涂法的本质是，由于混合气体爆炸的能量，所应用材料的颗粒被加速并加热到接近熔点的温度，”南乌拉尔国立大学信息与测量技术系工程师基里尔·帕什克耶夫解释说。“当乙炔和氧气的混合物爆炸时，颗粒会以超音速飞出。在撞击的瞬间，这些加热的颗粒会变形并粘在一起，从而形成复合涂层。”
这项工作的复杂性在于，原材料的熔点不同：氧化硅的熔点为1720摄氏度，氧化铝的熔点为2050摄氏度，而氧化锆必须加热到2420摄氏度。为了防止复合涂层在活塞运行过程中开裂，必须平衡所有组成材料的热膨胀系数。
“这可以通过几种方式实现，”基里尔·帕什克耶夫说。“最简单的方法是在铝活塞上喷涂一层额外的材料，其热膨胀系数介于铝和氧化物之间。例如，这可以是镍涂层或不锈钢，粘稠的东西会分散负载并均衡变形。您将获得分层的涂层结构。第二种方法是将氧化物部分与一定比例的金属颗粒混合。现在我们将这种金属基体与氧化硅以不同的比例混合，以研究其隔热性能，并尝试使涂层和活塞的热膨胀系数相等，从而使我们的涂层经久耐用。”
爆炸喷涂法至今仍用于航空和航天技术的生产，例如用于处理喷气发动机喷嘴。现在这项技术正在“迁移”到机械工程领域。据科学家介绍，如果实验成功，发动机的使用寿命将有可能提高10%到20%。同时，爆炸喷涂本身是一种快速且相对便宜的工艺。在劳动强度和成本方面，它与镀镍和镀铬类似，可以集成到任何俄罗斯企业的工艺链中。同时，电镀车间在镀铬和镀镍过程中会释放致癌物质，而爆炸喷涂对环境无害。获得复合涂层的材料——石英——也很便宜，而且相当常见。因此，总的来说，所有这些都应该是一种非常经济和“清洁”的方法，不需要特殊的资本投资。
南乌拉尔国立大学的科学家希望在明年内获得一种值得关注的涂层，并在工业实验室进行测试。领先的俄罗斯机械制造企业可以成为合作伙伴，因为复合隔热材料可用于任何活塞发动机——从乘用车到拖拉机。