موتور سرامیکی
موتور سرامیکی
مقاومت حرارتی و سختی سرامیکهای پیشرفته باعث گردیده تا بتوان از این مواد در موتور خودرو و کامیون استفاده نمود. پوششهای سرامیکی و اجزایی که کاملاً از مواد سرامیکی ساخته شده باشندکه تا به حال توسط صنایع اتومبیل سازی معرفی گردیده‌اند به نظر نمی‌رسد که تا ده سال آینده به طور جدی با مواد مرسوم رقابت نمایند. پیش بینی می‌گردد که در دهه اول قرن جدید از اجزای سرامیکی و قطعات فلزی دارای پوشش سرامیکی درمحیطهایی با دمای بسیار بالا، مانند موتور خودروها استفاده گردد. پوششهای سرامیکی و اجزای کوچک ساخته شده از سرامیک اولین اجزایی هستند که در موتور اتومبیل به کار گرفته خواهند شد. ......
امروزه خودروسازان ژاپنی در بعضی اجزای کوچک موتور در کارخانه‌های نیسان و ایسوزو از این مواد بهره می‌کنند. یک موتور دیزل ابتدایی باپیستون، سیلندر و سرسیلندر سرامیکی وبدون سیستم خنک کننده توسط کمپانی Kyocera ساخته شده‌است. این کمپانی ادعا می‌کند که موتور فوق تا هشتصد هزار کیلومتر کار می‌کند. همچنین موتورهایی با بلوک و اجزای کوچک سرامیکی در ژاپن و آمریکا تست شده‌اند، اما از نظر اقتصادی عملی به نظر نمی‌رسد. در آینده، پس از سال ۲۰۱۰، موتورهای سرامیکی سبک وزن (در مقایسه با موتورهای چدنی سنگین) ممکن است ساخته شوند که در دمای بالا، بدون نیاز به رادیاتور و با بازده سوخت بالا کار کنند. افزایش بازده سوخت اینگونه اتومبیل‌ها نتیجه سبک شدن موتور خودرو افزایش دمای احتراق است.
اولین پیمان کارهای پروژه Turbine Engine Co. Garrette و جنرال موتورز هستند. هدف اصلی، ساخت موتوری با توربین گازی است که بتواند در اتومبیلی ۱۳۰۰ کیلوگرمی ومیزان سوخت ۵٫۵ تا ۶ لیتر در یکصد کیلومتر قرار گیرد. Norton / TRW Ceramic Corp در سال ۱۹۸۵ سرامیکهایی با کارایی خوب برای کاربرد در موتورهای دیزل و توربین‌های گازی طراحی شده‌اند که ازآن جمله می‌توان محفظه احتراق، پره، تیغه و روتور را نام برد.
در چهارچوب برنامه ATTAP، کمپانی Norton /TRW مطالعاتی را در زمینه قالب‌گیری تزریقی و ریخته گری خمیری به عنوان روشهای اصلی ساخت قطعات سرامیکی هدایت می‌نماید. این کمپانی همچنین دارای برنامه‌های داخلی متعددی برای توسعه مواد و فرایندهای جدید تولید جهت ساخت اجزای سرامیکی موتور است.
فناوری استفاده از سرامیک در موتورهای احتراق داخلی پیشرفته (CTAHE) برنامه‌ای است که توسط (ORNL -Oak Ridge National Laboratory) اداره می‌شود. این برنامه دارای هدف توسعه فناوری صنعتی پایه است که اجزای سرامیکی دارای قابلیت اعتماد بالا، اقتصادی و دارای دمای کارکرد بالا برای مصرف در موتورهای احتراق داخلی مدرن و سایر مبدلهای انرژی تولید نماید. اهداف این برنامه عبارتند از: - تولید سرامیکهای یکپارچه دارای قابلیت اعتماد بیشتر، کامپوزیتهای سرامیکی دارای آماده‌سازی بالا و پوشش سرامیکی دارای فناوری ساخت برتر.
- رسیدن به فناوری اتصال مطمئن سرامیکها با پیشرفت در فناوری اتصالات Joinin. - درک بهتر سازوکارهای فیزیکی و شیمیایی کهاصطکاک و سایش مواد و پوششهای سرامیکی را در هنگام سرویس موتورهای احتراق داخلی کنترل می‌کند. - تشخیص و درک مکانیزمهایی که قابلیت اعتماد مکانیکی سرامیکهای ساختاری را در موتورهای مدرن کنترل کند. وظایف تحقیق و توسعه دراین برنامه ۶۰٪ به عهده صنایع خصوصی، ۳۰٪ آزمایشگاه‌های ملی و ۱۰٪ دانشگاه‌ها است. قسمتی از برنامه نیز شامل یک پروژه بین‌المللی با آلمان و سوئد است. تحقیقات در برنامه CTAHE در سه موضوع مشخص خلاصه می‌شود. مواد و فرایندها، بانک اطلاعات به همراه پیشگویی زمان کارکرد و روشهای طراحی.
هدف از پژوهش در مورد مواد و فرایندها، گسترش و توسعه فرایندهایی است که باعث تولید مواد با ریزساختار همگن و مقاومت در مقابل خوردگی لازم برای استفاده در موتورهای پیشرفته گردد. توسعه کامپوزیتهای دارای زمینه سرامیک (CMC) با مقاومت بیشتر در برابر شکست ترد نیز در برنامه CTAHE منظور گردیده‌است تا بر مشکل تردی ذاتی سرامیکها غلبه نماید. با اضافه نمودن یک فاز دوم به مراحل آزمایش می‌توان نتایج آزمایش را به میزان قابل ملاحظه‌ای بهبود بخشید. فاز دوم می‌تواند به صورت فیبر، ویسکر (Whisker) یا ذرات رسوب کننده باشد. استحکام خمشی و چقرمگی شکست آلومینایی که توسط ویسکرهای کاربید سیلیسیم تقویت می‌شود، به طور چشمگیری بهبود می‌یابد.
در میان سرامیک های مهندسی مختلف است که بیش از چند دهه توسعه یافته اند، نیترید سیلیکون بیشترین توجه را برای استفاده در موتورهای احتراق داخلی و توربین دریافت کرده است. این مقاومت حرارتی خوبی از شوک است (TDبستگی ~ 600 C) و مقاومت ان در برابر خزش خوب است.
اگر چه به عنوان یک ماده موتور، ضعیف مقاومت مکانیکی (تافنس شکست کم) برای آنها بسیار مطلوب است .استفاده از آنها در برنامه های کاربردی تحمل بار منع شده است
همانطور که شکنندگی سرامیک مبتنی بر سیلیکون در نظر گرفته شده یک ویژگی ذاتی مانند مواد به موجب اتصال قوی، کووالانسی و یونی آنها، تنها محدودی را افزایش می دهد در تافنس شکست از نیترید سیلیکون اعتقاد بر این است که قابل دسترسی است. توسعه کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) به عنوان یک جایگزین جذاب تر، اما موفقیت در این روش محدود بوده است.
گر چه ازبرخی پیشرفت ها در طول سال ساخته شده است، پردازش نیترید سیلیکون مشکل (کد 20) و بالاتر قدرت اجزای نیترید سیلیکون بزرگتر هنوز ساخته نشده است. نیترید سیلیکون بیش از 1850 C گرم نمی شود به densify دلیل آن را به سیلیکون و نیتروژن جدا و همچنین پیوند کووالانسی آن اجازه نمی دهد آن را به طور کامل به اسانی بست وسخت کرد
علاوه بر این، سرامیک نیترید سیلیکون در یک فضای اکسید کننده گرم، خورنده و مرطوب (مانند در طول احتراق هوا به سوخت را در احتراق و توربین موتورهای داخلی) مستعد به تخریب هستند
هنگامی که آنها می توانند به اکسیداسیون، بخار آب و دمای بالا آنها یک لایه اکسید سیلیکون حرارتی رشد داده شده که به طور مستمر به عنوان گونه هیدروکسید موثر بر یکپارچگی سطح فرار سرامیک مبتنی بر سیلیکون تشکیل می دهند.
با وجود مشکلات مداوم و به ظاهر مقاوم از تخریب و استحکام مکانیکی ضعیف و مشکلات در ساخت و پردازش قدرت بالاتر، اجزای تحمل بار بزرگتر، سرامیک نیترید سیلیکون مواد ارجح و شگفت آور در درجه حرارت بالا برای توربین باقی مانده است.
تنها با بودجه محدود، موتورهای روتاری سرامیک وارز (CRE) به سادگی می توانید هزینه های بسیار بالا که در حال توسعه یک موتور نیترید سیلیکون با توجه به مدت زمان نیترید سیلیکون مورد نیاز است (از سال 1960s به عنوان مثال) در حال توسعه بوده است را ندارند و با توجه به تردید بزرگی که در ساخت قطعات نیترید سیلیکون با دوام و قابل اعتماد برای موتور سرامیکی مان.
