منبع: راسخون
مقدمه
تحقیقات به منظور کاهش هزینه و سوخت مصرف شده در موتورهای احتراق داخلی و ابداعات در این زمینه، هنوز ادامه دارد. بهبود بازده این موتورها از طریق اصلاح ساختار سرامیک ها به طور روز افزونی در حال افزایش است. برای مثال، به موازات توسعه ی سرامیک فنی پیشرفته، استفاده از پوشش های سرامیکی در موتورهای احتراق داخل به سرعت در حال افزایش است. برای بهبود کارایی موتورها، انرژی سوخت باید با بالاترین نسبت ممکنه به انرژی مکانیکی تبدیل شود. محفظه های احتراق تولید از مواد سرامیکی با رسانایی حرارتی پایین، منجر به افزایش دما و فشار در سیلندر موتورهای احتراق داخلی می شود. از این رو، یک افزایش در بازده در این حالت باید مشاهده شود.پوشش های سرامیکی اعمال شده بر روی محفظه ی احتراق موتورهای دیزلی، موجب کاهش در حرارتی می شود که از داخل سیلندر به سیستم خنک کننده می رسد. سیستم های سرمایش موتور در این گونه موتورها وجود ندارند. این مسئله مدیون توسعه ی سرامیک های فنی و پیشرفته می باشد. با کاهش المان های سرمایشی در موتور، توان موتور افزایش یافته و همچنین هزینه ها و وزن موتور نیز کاهش می یابد.
شروع کار موتور با کوتاه شدن زمان تأخیر در موتورهای دیزلی پوشش داده شده با سرامیک، تسریع می شود که علت این موضوع افزایش دمای محفظه می باشد. این افزایش دما به دلیل کاهش انتقال حرارت از محفظه ی احتراق به خارج، انجام شده است. این موتورها با صدای کمتری کار می کنند که علت این کاهش صدا، کم شدن احتراق های غیر کنترل شده می باشد. موتور می تواند با نسبت های تراکم کمتر کار کند که علت آن کوتاه شدن زمان احتراق می باشد. بنابراین، بازده مکانیکی این سیستم ها می تواند افزایش یابد و بازده سوخت نیز بهبود می یابد.
یکی دیگر از موضوعات مهم در زمینه ی موتورهای احتراق داخلی، خروج گازها از اگزوز می باشد. افزایش دمای محفظه ی احتراق موتورهای احتراق داخلی پوشش داده شده با مواد سرامیکی موجب می شود تا میزان انتشار مونوکسید کربن و دوده از موتور کاهش یابد. وقتی دمای گازهای خارج شده از موتور افزایش یابد، این واضح است که عمل توربوشارژ بهبود یافته و از این رو بازده گرمای کل در موتور، افزایش می یابد.
خصوصیت های احتراق فاکتورهای مهمی است که بر روی انشار گازها از اگزوز موتور، خروجی توان موتور، احتراق سوخت و میزان سر و صدا و لرزش، اثر می گذارد.در موتورهای دیزل، خصوصیت های احتراق به تأخیر زمانی احتراق در سرعت های بالا، وابسته است. زمان تأخیر احتراق عمدتا بوسیله ی دما و فشار هوای فشرده ی موجود در محفظه ی احتراق، وابسته است. موتورهای دیزل متداول دارای دمای و هوای فشرده ی کمتری هستند که علت این مسئله این است که سیستم سرمایش مقدار قابل توجهی از حرارت را در طی مرحله ی فشرده سازی، خارج می کند تا بدین صورت از مواد مورد استفاده در ساخت محفظه محافظت کند. وقتی مسئله ی اتلاف حرارت وجود دارد، بهترین کار استفاده از پوشش هایی با ضریب انتقال حرارت پایین و مقاومت حرارتی بالا بر روی دیواره ی محفظه می باشد. این ایده منجر به تولید موتورهای پوشش داده شده با پوشش های سد حرارتی می باشد (این موتورها همچنین موتورهای با خروج حرارت پایین نامیده می شوند). موتورهای با پوشش سد حرارتی را می توان به عنوان موتورها آدیاباتیک در نظر گرفت. برای نیل به این هدف، سرامیک ها بهترین مواد جایگزین هستند. پوشش های سد حرارتی عمدتا بر روی بخش هایی مانند محفظه ی احتراق، سری سیلندر، خروجی های اگزوز و ورودی سوخت، اعمال گردید. اگر دیواره های سیلندر را بخواهیم پوشش دهی کنیم، باید ماده انتخاب گردد که دارای دوام حرارتی و مقاومت به سایش خوبی داشته باشد. برخی از مواد سرامیکی دارای خاصیت خود روان سازی هستند. این خاصیت حتی در دماهایی تا ℃ 870 نیز مشاهده می شوند.
دمای گازهای خروجی اگزوز در موتورهای دیزل متداول بین 400 تا ℃ 600 است در حالی که این دما برای موتورهای دارای پوشش سد حرارتی، بین 700 تا ℃ 900 است. این مقدار از دما در موتورهای توربوشارژر به ℃ 1100 نیز می رسد. وقتی دمای گاز اگزوز به این حد از دما می رسد، هیدروکربن های باقیمانده و کربن مونوکسید در گازهای خروجی اگزوز کاهش می یابد و گازهای انتشار یافته از این موتورها میزان آلایندگی کمتری (مونوکسید کربن و هیدروکربن های باقیمانده)، خواهند داشت. در شکل 1 دیاگرام تعادل حرارتی برای موتورهای دیزل معمولی و موتورهای پوشش داده شده با مواد سرامیکی نشان داده شده است. علاوه بر این مزیت های موتورهای پوشش داده شده با مواد سرامیکی، به خاطر سبک بودن موتورهای پوشش داده شده با مواد سرامیکی، خواص مکانیکی این موتورها افزایش می یابد. به دلیل مقاومت بالای دمایی و سبک بودن قطعات تولیدی با مواد سرامیکی، بخش های متحرک موتورها دارای دوام بیشتری هستند. Bryzik و Kamo (19839 گزارش داده اند که با استفاده از پوشش های سد حرارتی در موتورهای تانک های نظامی، امکان کاهش 35 % در ابعاد موتور و کاهش 17 % در مصرف سوخت، امکان پذیر است.
سرامیک های پیشرفته
سرامیک ها از زمان های اولیه ی تحقیق و توسعه موتورهای با اتلاف حرارتی پایین، مورد استفاده قرار گرفته اند. این مواد دارای وزن کمی هستند و ضریب انتقال حرارتی آنها نیز در مقایسه با مواد مورد استفاده در موتورها، پایین تر است. امروزه، توسعه های مهمی در زمینه ی افزایش کیفیت و کمیت مواد سرامیکی انجام شده است. همچنین مواد جدیدی که سرامیک های پیشرفته نامیده می شوند، در اواخر ربع قرن 20 ام، تولید شده اند. مزیت های سرامیک های پیشرفته می تواند به صورت زیر باشد:
مقاوم در برابر دماهای بالا
پایداری شیمیایی بالا
مقادیر سختی بالا
دانسیته ی پایین
موجود بودن مواد اولیه ی آن در طبیعت
ضریب رسانایی حرارتی پایین
استحکام فشاری بالا
زیرکونیا
زیرکونیا می تواند به سه ساختار کریستالی وجود داشته باشد. این ساختارها در شکل 2 نشان داده شده اند. زیرکونیا دارای سه ساختار کریستالی، مونوکلینیک (m)، تتراگونال (t) و مکعبی (c) است. ساختار مونوکلینیک در بین دمای اتاق و دمای ℃ 1170پایدار است، در حالی که این ساختار در دماهای بالاتر از ℃ 1170به ساختار تتراگونال تبدیل می شود. این ساختار نیز تا دمای ℃ 2379 پایدار است و در بالاتر از این دما، ساختار به ساختار مکعبی تبدیل می شود.
خواص مکانیکی زیرکونیای با ساختار مکعبی، ضعیف است. استحاله زیرکونیای با ساختار تتراگونال به مونوکلینیک در دماهای پایینی بین 850 تا ℃ 1000 اتفاق می افتد و این استحاله دارای خواصی مشابه با استحاله ی مارتنزیتی است که در فولادهای تمپر شده، مشاهده می شود. در عمل، زیرکونیای مکعبی تا حدی پایدار شده (PSZ) که دارای اندکی فازهای مونوکلینیک و تتراگونال است، به خاطر داشتن خواص مکانیکی بهبود یافته و داشتن خاصیت استحاله ی شبه مارتنزیتی، ترجیح داده می شود. زیرکونیای تا حدی پایدار شده از اوایل دهه ی 70 به بازار روانه شد. جدول 2 شامل انواع مختلف زیرکونیای تاحدی پایدارشده و خواص آنهاست. خواص ساختاری این مواد عبارتند از:
Zt35: دارای 20 % فاز تتراگونال در زمینه ی فاز مکعبی. ابعاد ذرات در حدود 60 تا 70 میکرون است.
ZN40: دارای 40 تا 50 % فاز تتراگونال
ZN50: ابعاد ذرات در این نوع بین 60 تا 70 میکرون است و لایه های نازکی از فاز مونوکلینیک بر روی مرز ذرات قرار گرفته است.
ZN20: برای ایجاد شوک های حرارتی تولید شده است و دارای فاز مونوکلینیک است.
ایتریا (اکسید ایتریوم)
دمای ذوب ایتریا برابر با ℃ 2410 است. این ماده در هوا بسیار پایدار است و به آسانی کاهش پیدا نمی کند. این ماده را می توان در اسید حل کرد و با استفاده از آن دی اکسید کربن جذب کرد. این ماده در لامپ های نرنست (به عنوان فیلمان) مورد استفاده قرار می گیرد. در این کاربرد، ایتریا با مقادیر اندکی زیرکونیا و توریا، آلیاژسازی می شود. وقتی این ماده به زیرکونیا اضافه می شود، ساختار مکعبی این ماده، در دمای اتاق، پایدار می شود. مینرال های اصلی ایتریا عبارتند از گادولینیت، زنوتیم (xenotime) و فرگوسونیت. ساختار مکعبی این ماده، ساختار با دیرگدازی بالاست.
منیزیا در بین اکسیدهای دیرگداز بیشترین فراوانی را دارد و دارای نقطه ی ذوبی برابر با ℃ 2800 می باشد. سرعت انبساط حرارتی این ماده بسیار بالاست. این ماده در دماهای بالا به سهولت کاهش می یابد و در دمایی بین دماهای 2300 تا ℃ 2400 تبخیر می شود. در دماهای بالا، منیزیا نسبت به اسیدها معدنی، گازهای اسیدی، نمک های طبیعی و رطوبت، مقاوم است. وقتی این ماده در تماس با کربن باشد، تا دمای ℃ 1800، پایدار است. در دماهای بیش از ℃ 2000، این ماده به سرعت با کربن ها و کاربید ها واکنش می دهد. مهمترین مینزال های منیزیا، منیزیت، آزبست، تالک، دولومیت و اسپینل هستند.
آلومینا (اکسید آلومینیوم)
دمای ذوب آلومینا در حدود ℃ 2000 است. این ماده در دماهای متوسط، نسبت به بارگذاری و مینرال های شیمیایی، مقاوم است. دمای ذوب نسبتا پایین این ماده، کاربرد آن را محدود می کند. در صورتی که این ماده به خوبی کلسینه شود، در آب، اسیدهای معدنی و بازی حل نمی شود. آلومینای خام می تواند به صورت کوراندوم و به همراه مواد سیلیکاتی یافت می شود. این ماده همچنین به صورت بوکسیت، دیاپور، کریولیت، سیلمانیت، کیانیت، نفلین سیانیت و بسیاری از مینرال های دیگر نیز، یافت می شود. وقتی خلوص این ماده افزایش یابد، این ماده در برابر دما، سایش و الکتریسیته، مقاوم می شود.
اکسید بریلیوم
برلیا یا اکسید بریلیوم دارای مقاومت بالایی در برابر محیط کاهشی است و پایداری حرارتی بالایی نیز دارد. نقطه ی ذوب این ماده برابر با ℃ 2550 است. این ماده مقاوم ترین اکسید در برابر کاهش با هیدروژن در دماهای بالا می باشد. در حالی که مقاومت حرارتی این ماده بالاست، رسانایی الکتریکی این ماده پایین است. خواص مکانیکی بریلیا تا دمای ℃ 1600ثابت است. در این دما استحکام فشاری این اکسید نیز بالاست. مقادیر فراوانی از اکسید بریلیوم از بریل (beryl) بدست می آید (بریل سیلیکات بریلیوم و آلومینیوم است). این ماده یک اکسید دیرگداز برای استفاده در کاربردهایی است که با فلزات مذاب در تماس است. علت این استفاده، مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی است.
استفاده از پوشش های سرامیکی در موتورهای با احتراق داخلی
پوشش های سرامیکی که برای کاهش انتقال حرارت اعمال می شوند، به دو گروه تقسیم بندی می شوند. عموما، پوشش های تا ضخامت 5/0 میلی متر، پوشش های نازک نامیده می شوند و پوشش های با ضخامت 5 تا 6 میلی متر، پوشش های ضخیم نامیده می شوند. پوشش های سرامیکی نازک در توربین های گازی، سری پیستون، سری سیلندر، شیرهای مورد استفاده در موتور و موتورهای دیزل، مورد استفاده قرار می گیرند. در شروع مطالعه ی پوشش های سرامیکی با انتقال حرارت پایین، این فهمیده شده است که این پوشش ها برای استفاده در شرایط موتورهای دیزل، مناسب نیستند. بنابراین، روش های جدیدی برای توسعه ی این پوشش ها مورد استفاده قرار گرفته است.
انواع مختلفی از روش ها برای تولید پوشش های سرامیکی وجود دارد. مهم ترین این روش ها عبارتند از:
پوشش های تولیدی با اسپری حرارتی: اسپری پلاسمایی، اسپری شعله ای و اسپری شعله ای پودر، اسپری قوسی الکتریکی، روش تفنگ انفجاری و سیستم های اکسی فیول با سرعت بالا
پوشش های سرامیکی تولید با روش شیمیایی: روش سل- ژل، روش دوغابی، لایه نشانی فیزیکی از فاز بخار، پوشش های سخت
پوشش دهی با لیزر
آلیاژسازی با جرقه ی قوسی
روش غنی سازی یونی
با اعمال پوشش های سرامیکی، امکان کاهش خوردگی، ایروژن، سایش و بهبود عایق کاری حرارتی، وجود دارد. با وجود این، این روش ها برای تولید پوشش های سرامیکی بسیار نازک بجز پوشش های اسپری حرارتی، مناسب است. پوشش های لایه ای نازک به طور موفقیت آمیز در صنعت توربین های گازی، توربین های پوششی، پره های استاتور و اتاق های احتراق، مورد استفاده قرار گرفته است. برای پوشش های لایه ای ضخیم مانند پوشش های مورد استفاده در موتورهای دیزل، اسپری پلاسمایی و پوشش های تولیدی با شعله عموما مورد استفاده قرار می گیرد.
پوشش های تولیدی با شعله ی حرارتی
سیستم های اکسی هیدروژن و اکسی استیلن در تولید پوشش های اسپری شعله ای، ترجیح داده می شود. اکسیدهای سرامیکی مورد استفاده در این روش، معمولا دارای نقطه ی ذوب پایین تر از ℃ 2760 هستند. قبل از ایجاد پوشش های سرامیکی، یک لایه اتصال دهنده ی مقاوم در برابر دمای بالا، مانند لایه ی نیکل- کروم باید به سطح ماده اعمال شود تا از اکسیداسیون آن جلوگیری شود (شکل 3). در غیر اینصورت، پوشش سرامیکی به طور مناسبی بر روی سطح نمی چسبد. سرعت پوشش دهی در روش اسپری شعله ای، بسیار آهسته است و بین
و 
m/s می باشد. دو روش اسپری شعله ای وجود دارد. این روش ها عبارتند از روش اسپری شعله ای سیمی و روش اسپری شعله ای پودری می باشد.
پوشش های تولیدی با روش اسپری شعله ای پودری
در این روش، آلیاژهای پودری میکرونیزه، در یک شعله ی اکسی استیلن به سطح هدف، اسپری می شود. این روش پوشش دهی سرد نامیده می شود زیرا در طی فرایند رسوب دهی، دمای شعله برابر با ℃ 3300 و دمای سطح هدف برابر با ℃ 200 است. در این حالت، چسبندگی از نوع مکانیکی است. ضخامت لایه ی پوشش ایجادی با این روش، بین 5/0 تا 5/2 است. این ضخامت به شکل قطعه بستگی دارد. استفاده از مواد آلیاژی و مواد خود روان ساز با ترکیب شیمیایی NiCrBSi به عنوان پودر پوشش داده شده، یکی از مزیت های این روش، است. سیستم های اسپری شعله ای پودری برای اسپری کردن سرامیک ها، فلزات و سرمت ها، مناسب است. پایه ی بلبرینگ ها، محور انتقال و محور شافت، پیستون های کمپرسور، شافت بادامک، بوش ها، حلقه ها و مهره ماسوره ها، سیلندرهای هیدرولیک و پیستون می توانند با استفاده از این روش ها، پوشش دهی شوند.پوشش های تولیدی با روش اسپری شعله ای سیمی
روش پوشش دهی با استفاده از اسپری شعله ای سیمی با اسپری کردن یک فلز سیمی شکل انجام می شود که دارای نقطه ی ذوبی زیر دمای شعله می باشد. این روش می تواند برای مواد فلزی و سطوح فلزی مورد استفاده قرار گیرد. سیم مورد استفاده در پوشش دهی بعد از عبور از نازل تفنگی شکل، ذوب می شود. هزینه ی کم برای ادوات، سرعت اسپری کردن بالا و قابلیت تغییر خواص با تغییر ابعاد سیم، مزیت های این روش است. شدت پوشش دهی و استحکام چسبندگی کمتر در مقایسه با سایر روش ها، می تواند از جمله محدودیت های این روش، به شمار آید. پایه های بلبرینگ، میله پیستون هیدرولیک، بلبرینگ های مختلف، شافت، سطوح مستعد سایش در محور انتقال نیرو، قطعات پیستون، سنگترون ها، میل لنگ، صفحات فشاری کلاژ، را می توان با استفاده از سیستم های پوشش دهی اسپری شعله ای- سیمی، پوشش داد.پوشش دهی با استفاده از اسپری پلاسمایی
پلاسما یک گاز با دانسیته ی بالاست که دارای تعداد برابری از الکترون و یون های مثبت است. این ماده حالت چهارم ماده نامیده می شود. استفاده از روش پوشش دهی با استفاده از اسپری پلاسمایی دارای دو اولویت است. این روش می توان دماهای بالایی را ایجاد کند که این دما می تواند تمام موادی که تاکنون شناخته شده اند را ذوب کند و انتقال حرارت بهتری نسبت به سایر روش ها فراهم آورد. دماهای عملیاتی بالای پوشش دهی با روش اسپری پلاسمایی فرصت مناسبی فراهم می آورد تا بوسیله ی آن، آلیاژها و فلزان مختلف را پوشش دهی داد. همچنین با استفاده از روش اسپری پلاسمایی در اتمسفر خنثی، یکی دیگر از نقاط مثبت این روش است. مسئله ی اکسیداسیون مواد مورد استفاده در پوشش دهی با این روش، با استفاده از گازهای خنثی مانند آرگون، هیدروژن و نیتروژن، قابل رفع می باشد. تمام موادی که به شکل پودر در می آیند و دارای اندازه ی دانه ی مناسبی هستند، توانایی استفاده شدن در این روش را دارا می باشند.هدف اصلی استفاده از این روش، ایجاد یک پوشش نازک بر روی سطح است که بتواند سطحی با خواص ویژه را بر روی یک ماده ارزان قیمت، ایجاد کند. در این فرایند، مواد پودری شکل، ذوب می شوند و بر روی سطح می نشینند. یک سیستم پوشش دهی با استفاده از اسپری پلاسمایی در شکل 4 نشان داده شده است. تفنگ مورد استفاده در این فرآیند، در شکل 5 نشان داده شده است. این سیستم شامل واحد پودر، واحد مهیا نمودن پودر، واحد مهیا کننده ی گاز، سیستم سرد کننده، تفنگ اسپری کننده و واحد کنترل است.
تخلخل یکی از ویژگی های ساختارهای تولیدی با روش اسپری پلاسمایی است. با استفاده از دانه های با ویسکوزیته ی بالا و واحدهای پلاسمایی توان بالا، قابلیت تولید لایه های فشرده ی، وجود دارد. این لایه های پوششی شامل ذرات سرامیکی سخت و ترد و مقادیر بالایی از تخلخل می باشد. تخلخل بالا بر روی خواص مکانیکی ماده اثر نامطلوب دارد. در حالی که لایه های با حداقل میزان تخلخل، دارای سختی برابر با 700 ویکرز هستند، پوشش های متخلخل دارای سختی برابر با 300 ویکرز هستند. 10 % از تخلخل بعد از پوشش دهی با استفاده از اسپری پلاسمایی، تخلخل های بسته هستند، در حالی که بقیه ی تخلخل ها، از نوع تخخل های باز هستند. تخلخل های باز خواص مکانیکی پوشش را کاهش می دهد و میزان حملات خوردگی و نفوذ گاز در این پوشش ها را افزایش می دهد. به عبارت دیگر، فضاهای موازی با سطح ماده ی میان لایه ها، بر روی چسبندگی پوشش و زیرلایه، اثر منفی دارند.
سطح هدف باید صاف، تمیز و عاری از اکسید، روغن، کثیفی و گرد و غبار باشد تا بدین صورت میزان چسبندگی میان پوشش و زیرلایه افزایش یابد. زبری سطحی معمولا برای اسپری کردن پودرهای ساینده مانند آلومینا به سطح هدف (با استفاده از هوای فشرده شده)، ضروری است. با پوشش دهی ماده ی زیرلایه با استفاده از برخی مواد افزایش دهنده ی چسبندگی، می توان میزان چسبندگی پوشش سرامیکی به زیرلایه را افزایش داد. علاوه بر بهبود خواص چسبندگی، لایه های پیوند دهنده می توانند برای کاهش انبساط حرارتی، محافظت زیرلایه در برابر خوردگی، گازها و دمای بالا، مورد استفاده قرار گیرند. بهترین ماده ی افزایش دهنده ی پیوند، NiAl است. نمونه ی کاری که می خواهیم بر روی آنها پوشش ایجاد کنیم، ابتدا به صورت عمودی در برابر شعله ی پلاسما قرار داده شده و ثابت می شوند. پودرهای اسپری باید به صورت عمودی، سطح هدف برخورد کنند تا بدین وسیله پوشش سرامیکی با کیفیت مناسب و با دانستیه ی بالا، تشکیل شود.
یکی دیگر از فاکتورهای مهم، توزیع اندازه ی پودر مورد استفاده در اسپری، است. دانه های بسیار ریز در شعله ی پلاسمایی می توانند به سهولت به دمای پلاسما برسند اما ذرات بزرگتر دیرتر ذوب می شوند و از این رو، ذرات درشت تر ممکن است به طور مناسب به سطح زیرلایه نچسبند و ساختاری متخلخل ایجاد کنند. تحقیقات نشان داده است که اندازه ی دانه هایی در حدود 
برای رسوب دهی با این روش، مناسب است.
پوشش دهی با روش اسپری پلاسمایی می تواند هم تحت اتمسفر و هم تحت خلأ، انجام شود. وقتی این روش تحت شرایط خلأ انجام می شود، شعله ی پلاسما می تواند تا 20 سانتیمتر کشیده شود و پوشش هایی با دانسیته ی بالاتر، ایجاد می شود. عناصر و پارمترهای اساسی که بر روی پوشش دهی با روش اسپری پلاسمایی، اثر می گذارند، در جدول 3 آورده شده است. یک بخشی از پارامترهای فرایندی به اپراتور وابسته است. برای از بین بردن اثرات این پارامترها بر روی کیفیت پوشش، تفنگ های پلاسمایی به یک بازوی رباتی مجهز می شوند تا با این کار حرکت های افقی و عمودی تفنگ، یکنواخت تر انجام شود.
اثرات پوشش های سرامیکی بر روی کارایی موتورها با احتراق داخلی
برای کاهش تخریب های ایجاد شده در حین کارکرد موتور در دماهای سیکلی بالا، نیروهای سیکلی زیاد، لغزش ها، ایروژن و خوردگی ایجاد شده بر روی بخش های موتور، چندین روش توسعه یافته است. محفظه های احتراق با قابلیت آب گرد و با دیواره ی ضخیم از انتهای جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفته اند. با استفاده از این سیستم ها، امکان خروج حرارت اضافی از محفظه و در نتیجه، محافظت از اجزای محفظه ی احتراق، وجود دارد. همچنین استفاده از مواد با رسانایی پایین مانند شیشه ها و مشتقات آنها نیز در سال های اخیر متداول شده است. علارغم وجود رسانایی کم در این مواد، قیمت پایین این شیشه ها و نرخ انبساط پایین آنها، امکان استفاده از آنها در موتورهای با احتراق داخلی، وجود ندارد. علت این مسئله به دلیل پایین بودن استحکام آنهاست. استفاده از مواد سرامیکی شیشه ای در بخش های موتور، در دهه ی 1950 برای اولین بار مطرح گردید. در آن روزها، کاربرد سرامیک ها در این صنعت، اندک بود. مثلا یکی از استفاده های مواد سرامیکی در شمع اتومبیل است. نیاز به استفاده از پوشش های سرامیکی برای کاربردهای دما بالا، از دهه ی 1960 افزایش یافت. این مسئله مخصوصا با توسعه ی توربین های گازی، بیشتر مطرح شد. در این کاربرد نیاز بود تا فلزات و آلیاژها مختلف در برابر دماهای بالا، مقاوم باشند. تکنولوژی پوشش دهی با مواد سرامیکی، در اصل برای استفاده در کاربردهای فضایی و هوانوردی، مطرح شده است. سپس در دهه ی 1970، این تکنولوژی وارد عرصه ی موتورهای با احتراق داخلی مخصوصا موتورهای دیزل، شد. افزاش کارایی و کاهش مصرف سوخت، استفاده از پوشش های سرامیکی در این کاربردها را افزایش داد.
پوشش های سد حرارتی پوشش هایی هستند که به منظور کاهش اتلاف انرژی از سیلندرها و موتورهای مبدل مورد استفاده قرار می گیرند. با استفاده از این پوشش ها میزان خروج حرارت از بخش های مورد نظر، کاهش می یابد. زیرکونیا متداول ترین ماده ی مورد استفاده در پوشش های سد حرارتی مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی است. از جمله مزیت های این ماده، رسانایی حرارتی پایین و ضریب انبساط حرارتی بالای این ماده است. برای جلوگیری از اثرات منفی تغییرات فاز زیرکونیا که در دماهای بالا اتفاق می افتد، این ماده به صورت جزئی پایدار می شود. با استفاده از این روش، سعی می شود تا تنها یک فاز از زیرکونیا (معمولا مکعبی) در پوشش وجود داشته باشد. از موادی مانند اکسید منیزیم، اکسید کلسیم، اکسید سریم و اکسید ایتریوم می توان به عنوان مواد پایدار ساز استفاده کرد.
مطالعات مختلفی در زمینه ی بررسی اثرات پوشش های سد حرارتی و سایر پوشش های سرامیکی بر روی کارایی موتورهای با احتراق داخلی و رفتار انتشار گاز از اگزوز این موتورها، انجام شده است. پارامترهای مورد بررسی می تواند به صورت زیر خلاصه شوند:
مواد مورد استفاده در تولید پوشش
مواد پوشش داده شده
ضخامت پوشش
نوع موتور
شرایط کارکرد موتور مانند سرعت و میزان اعمال بار بر روی موتور
نتایج بدست آمده می تواند در ابعاد و حجم های مختلف مانند بازده حجمی، بازده گرمایی، گشتاور موتور، توان موتور، مصرف سوخت شاخص، خروج حرارت از سیلندر، دمای اگزوز، انرژی اتلافی از گازهای خروجی از اگزوز و گازهای انتشار یافته از اگزوز، متفاوت باشد. بررسی های بر روی پوشش های سد حرارتی مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی بیشتر بر روی موتورهای دیزلی متمرکز شده است که علت آن مشکلات کوبشی و انفجاری است که در این موتورها و در دمای بالا، وجود دارد. برای موتورهای دیزلی، مطالعات می تواند به دو بخش اصلی تقسیم بندی شوند: یکی موتورهای تربوشارژری و موتورهای بدون توربوشارژر. برای موتورهای بدون توربوشارژر، استفاده از پوشش های سد حرارتی و پوشش های سرامیکی، عموما اثرات منفی داد. علت این مسئله، کاهش بازده حجمی است. به عبارت دیگر، موتورهای دیزلی توربوشارژری، دارای کارایی بهتری هستند و خروج گازهای احتراقی موجب بهبود بازده حجمی موتور می شوند و دمای سیلندر را نیز بهبود می دهند. دلیل اصلی این پدیده، افزایش انرژی گازهای خروجی از اگزوز است که این انرژی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود و این افزایش بعدها موجب افزایش سرعت جریان توده ی هوا در توربوشارژر می شود. برای مثال، Leising و Prohit (1978) پیشنهاد دادند که نتایج مناسبی در حالتی بدست می آید که عایق کاری به منظور کاهش انتقال حرارت، تنها با استفاده از توربوشارژر و مبرد، همراه باشد. آنها همچنین گزارش داده اند که کارایی یک موتور دیزل می تواند با افزودن شدن توربوشارژر تا 20 % افزایش یابد. وقتی مطالعات بر روی موتورهای دیزلی بدون توربوشارژر و پوشش داده شده با سد حرارتی، انجام شد، این مشاهده شد که بیشتر مطالعات انجام شده بر روی یک موتور دیزلی تک سیلندر انجام شده است. Miyairi و همکارانش در سال 1989، Dickey (1989) و Alkidas (1989) برخی از محققینی بوده اند که در این زمینه تحقیقات انجام داده اند. Prasad و همکارانش (2000)، Charlton و همکارانش (1991)، Chang و همکارانش (1983) مثال هایی از محققینی هستند که بر روی موتورهای دیزلی چند سیلندره و با مکش طبیعی، مطالعه کرده اند. به عبارت دیگر، موتورهای دیزلی چند سیلندره متداول ترین موتور مجهز به توربوشارژر و دارای پوشش سد حرارتی می باشد که مورد استفاده قرار گرفته است.مواد و روش های مورد استفاده در پوشش دهی، می تواند به دو گروه تقسیم بندی شوند: پوشش های سرامیکی و پوشش های غیر سرامیکی. ضخامت پوشش های مورد استفاده نیز در حدود 100 تا 500 میکرون است. یک ضخامت نمونه وار برای مواد پوشش داده شده، شامل یک ضخامت 15/0 میلی متر برای لایه ی اتصال دهنده و یک ضخامت 35/0میلی متری برای پوشش سرامیکی، می باشد.
Parlak و همکارانش در سال 2003 و Tymaz و همکارانش در سال 2003، دو نمونه از این پوشش ها را مورد مطالعه قرار داده اند. برای محققینی که مواد سرامیکی را ترجیح می دهند، زیرکونیا متداول ترین ماده ی مورد استفاده می باشد. پوشش NiCrAl به طور عمده به عنوان مواد اتصال دهنده برای این مطالعات مورد استفاده قرار گرفته است. Uzan و همکارانش (1999)، Beg و همکارانش (1997)، Taymaz و همکارانش (2003)، Marks و Boehman (1997)، Schwarz و همکارانش (1993) و Hejwowski (2002) از جمله ی افرادی هستند که در این زمینه مطالعه کرده اند. افرادی همچون Sun و همکارانش (1994)، سیلیکون نیترید (HPSN) را به عنوان ماده ی مورد استفاده در پیستون، پیشنهاد کردند. این افراد همچنین پیشنهاد استفاده از لایه های ضخیم از جنس زیرکونیا (با استفاده از روش اسپری پلاسمایی) را در سیلندرها، ارائه کردند. Matsuoka و Kawamura (1993) از سیلیسیم نیترید به جای زیرکونیا استفاده کرده اند.
بررسی های انجام شده در مقالات مختلف میزان مصرف سوخت، خروج حرارت از سیلندرها و انتشار اکسید نیتروژن از موتورهای دارای پوشش های سرامیکی را بیان می کنند. تقریبا در تمام مقالات این نشان داده شده است که بسته به میزان افزایش دمای سیلندر، انتشار اکسید نیتروژن از اگزوز نیز بیشتر می شود. این مسئله مهمترین اثر ایجاد شده در پوشش های سد حرارتی یا پوشش های سرامیکی است که برای این کاربرد مورد استفاده قرار می گیرند. افزایش انتشار اکسید نیتروژن، در مقالات مختلف بین 10 تا 40 % گزارش شده است. Gataowski (1990)، Osawa و همکارانش (1991) و Kamo و همکارانش (1999) مقالاتی ارائه کرده اند که نتایج اشاره شده در بالا، از آنها بدست آمده است. به هر حال، برخی پیشنهادها برای کاهش این انتشار گازی، ارائه شده است (مثلا تغییر زمان تزریق سوخت یا کاهش زاویه ی رانش). Winker و Parker (1993) گزارش داده اند که با تغییر زمان تزریق ماده ی سوختنی در موتورهای دارای پوشش سد حرارتی، میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن به میزان 26 % کاهش یافته است. به طور مشابه، Afify و Klett (1996) گفته اند که با تنظیمان پیشرفته، امکان کاهش 30 % در انتشار اکسیدهای نیتروژن در این موتورها وجود دارد. وقتی مصرف سوخت های مورد نظر باشد، نتایج هم مفید و هم مضر گزارش شده اند. این مسئله تا حدی به دلیل ارائه ی بازده به صورت حجمی و احتراقی می باشد. استفاده از این پوشش ها، مصرف سوخت را به میزان 1 تا 30 % کاهش می دهد. Ramaswamy و همکارانش (2000) گزارش داده اند که استفاده از این پوشش ها موجب کاهش 1-2 % در مصرف سوخت می شود در حالی که Bruns و همکارانش یک کاهش 16 تا 37 % در مصرف سوخت این موتورها را گزارش داده اند. به طور مخالف، Sun و همکارانش (1993) و Beg و همکارانش (1997) گفته اند استفاده از این پوشش ها، میزان مصرف سوخت را به میزان 8 % افزایش می دهد. به طور مشابه، Kimura و همکارانش (1992) گفته است که استفاده از پوشش های سد حرارتی در این کاربردها موجب افزایش 10 % در مصرف انرژی می شود. همانگونه که گفته شد، پوشش های سد حرارتی موجب کاهش 5 -70 درصدی در خروج انرژی از سیلندرهای به بدنه و سیستم خنک سازی موتور می شود. Vittal و همکارانش یک کاهش 12 % در حرارت انتقال یافته از سیلندر به محیط پیرامون را گزارش داده اند و Rasihhan و Wallace (1991) فهمیده اند که نرخ خروج حرارت در موتورهای دارای این پوشش ها 2/49 الی 5/66 % کاهش می یابد.
شاخص های دیگر وجود دارد که میزان اثر بخشی پوشش های سد حرارتی را به ما نشان می دهد. تحقیقات دیگر در این زمینه همچنان ادامه دارد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.
/ج
