CN102618351B

CN102618351B - 内燃机动密封Si-C微晶复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102618351B
Application number: CN201210043897.7A
Authority: CN
Inventors: 叶军
Original assignee: BEIJING DONGFANG BAINUO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Beijing Sanlian Technology Development Co., Ltd.
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: CN102618351A

Abstract

本发明公开了一种用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料及其制备方法和含有Si-C微晶复合材料的用于内燃机动密封的微晶流体。该用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料等摩尔配比的包括硅元素单体和碳元素单体。本发明制备的Si-C微晶复合材料使用在内燃机等设备上，不仅能保证内燃机内各部件间的润滑和高度密封，而且还能显著提高燃料利用效率。

Description

内燃机动密封Si-C微晶复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可以分散于液体流体中应用于内燃机动密封的细微粉末状晶体材料。

背景技术

内燃机(Internal combustion engine)，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。内燃机是将液体或气体燃料与空气混合后，直接输入机器内部燃烧产生热能再转化为机械能的一种热机。内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点。但是内燃机一般使用石油燃料，同时排出的废气中含有害气体的成分较高。

内燃机包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。

内燃机的密封元件对其使用性能有很大的影响，随着内燃机的不断强化，热负荷与机械负荷的不断提高，导致汽缸垫弹性衰减和材料疲劳破坏的可能性增大。为了提高汽缸的密封性，除了改善内燃机部件材料，采用高性能的密封件进行密封之外，还通常采用润滑剂来提高密封效果。

目前通常采用磁流体密封材料进行密封，现在常用的磁流体密封材料是把磁铁矿等强磁性的微细粉末在水、油类、酯类、醚类等液体中进行稳定分散的一种胶态液体。这种液体具有在通常旋转离心力和磁场作用下，既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性，可以被磁铁所吸引的特性。在磁性流体的基础上发展而来的磁流体密封技术是当磁流体注入磁场的间隙时，它可以充满整个间隙，形成一种“液体的密封圈”。但这种方式只能对转动方式进行动态密封。

内燃机中的发动机的气门漏气与气门座，活塞、活塞环与气缸体之间的相对运动为直线运动，其之间的间隙会影响内燃机的效率，间隙过大，会降低内燃机的工作效率，并使排放气体中对环境造成污染的成分增加。然而内燃机的发动机的气缸与活塞、活塞环与环槽、气门与气门座之间必须存在一定间隙，这样才能保证各配合件在运动时不会卡滞，但这些间隙也是造成燃烧室内的混合气窜入曲轴箱，加速了润滑油的变质，并且降低气缸压力和发动机的输出功率。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种内燃机动密封Si-C微晶颗粒及其制备方法，本发明制备的内燃机动密封Si-C微晶复合材料与润滑油混合后，加入内燃机中，对内燃机气门与气门座，活塞、活塞环与气缸体间隙进行动密封，本发明制备的Si-C微晶复合材料使用在内燃机等设备上，不仅能保证内燃机内各部件间的润滑和高度密封，而且还能显著提高燃料利用效率。

为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料，包括硅元素单体和碳元素单体。

其中，硅元素单体和碳元素单体的原子数摩尔配比为1∶1。

特别是，所述的硅元素单体选择为晶体硅或无定形硅；所述的碳元素单体选择为石墨。

特别是，所述的晶体硅选择为多晶硅。

其中，所述硅元素单体的粒径为1nm-5μm；碳元素单体的粒径为1nm-5μm。

本发明另一方面提供一种用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料的制备方法，包括如下顺序进行的步骤：

1)按照摩尔配比为1∶1的比例称取硅元素单体和碳元素单体，备用；

2)将硅元素单体和碳元素单体混合后，进行球磨处理，制成粒度≤20μm的硅-碳混合物细粉；

3)将硅-碳混合物细粉进行感应加热处理，然后冷却，制得感应加热硅-碳细粉；

4)将感应加热硅-碳细粉进行气流粉碎处理，制成粒度为1nm-5μm的Si-C微晶颗粒材料。

其中，步骤1)中所述的硅元素单体选择为晶体硅或无定形硅；所述的碳元素单体选择为石墨。

特别是，所述的晶体硅选择为多晶硅。

其中，在步骤2)的球磨处理过程中，球磨处理时间为10-20h；球磨机转速为200-500转/分钟。

特别是，所述球磨机转速优选为300转/分钟。

其中，在步骤3)的感应加热处理过程中，所述感应加热温度为1200-1500℃，加热时间为20-40分钟。

特别是，感应加热时间优选为30分钟。

其中，步骤3)中所述硅-碳混合物细粉感应加热处理包括如下处理步骤：

A)将硅-碳混合物细粉置于感应炉内后，进行抽真空处理；

B)待感应炉内的绝对压力为0.001-1Pa时，停止抽真空处理，向感应炉内充入惰性气体，进行充气处理；

C)待感应炉内的绝对压力达到0.01-0.05MPa时，对硅-碳混合物细粉进行加热处理20-40分钟，然后冷却，即得感应加热硅-碳细粉，其中加热温度为1200-1500℃。

特别是，步骤B)中所述绝对压力优选为0.01-1Pa；所述的惰性气体选择为氮气、氩气、氦气或氖气。

尤其是，所述惰性气体优选为氩气。

其中，步骤4)中气流粉碎处理过程中压缩空气气流的绝对压力为0.1-1MPa，优选为0.5-1MPa。

特别是，步骤4)中气流粉碎处理过程中压缩空气的流速为100-500m/s，优选为300m/s。

特别是，将感应加热硅-碳细粉置于气流粉碎机中，进行所述的气流粉碎处理。

再一方面，本发明提供一种用于内燃机动密封的微晶流体，包括润滑油和Si-C微晶复合材料。

其中，所述Si-C微晶复合材料与润滑油的重量份配比为1-3∶100。

特别是，所述润滑油优选为内燃机润滑油、汽轮机润滑油或蒸汽气缸润滑油中的一种或多种。

本发明的用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料具有如下优点：

1、本发明的用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料物理性质稳定，与润滑油混合后，作于发动机的气缸与活塞、活塞环与环槽、气门与气门座之间的间隙，不仅能保证各配合件之间运动流畅，而且还能取到润滑和动态密封的作用。

2、本发明的用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料为高硬度的微晶颗粒，硬度高，不易团聚，与润滑油形成的混合物可以在各配合件的间隙中形成双相油膜。这种含固体颗粒的润滑剂的双相油膜具有液固两相性，显著提高了密封性能。

3、本发明的用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料与润滑油形成的混合物使用在内燃机等设备上，既提高了设备的密封性能，又提高内燃机的燃料利用效率，汽油的消耗量降低20％以上，即节油效率提高20％以上。

4、本发明的用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料与润滑油形成的混合物采用无磁性的微细硬颗粒，对发动机的气缸与活塞、活塞环与环槽、气门与气门座之间的间隙进行动态密封。

5、本发明的用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料的制备方法简单，操作方便，产品质量可控。

具体实施方式

实施例1

1、原料准备

分别称取1摩尔的多晶硅和石墨粉，备用；

2、球磨处理

将多晶硅和石墨粉置于振动式球磨机(北京路业通达材料设备研究所，型号：KQM-3A)中，球磨10小时，球磨机转速为300转/分钟，制得粒度≤20μm的Si-C混合物细粉；

3、感应加热处理

Si-C混合物细粉置于真空高频感应炉(郑州日佳电源加热设备有限公司，型号：GPH-26型)内，首先进行抽真空处理，使感应炉内的绝对压力达到0.002Pa；接着向感应炉内充入氩气，进行充气处理，使感应炉内的绝对压力升高到0.05MPa后，感应加热升温至1500℃，在1500℃下感应加热30分钟；然后停止加热，冷却至室温(25℃)，制得感应加热Si-C细粉；

4、粉碎处理

将感应加热Si-C细粉置于气流粉碎机(青岛迈科隆粉体技术设备有限公司，型号：MQW03)中，进行气流粉碎处理，收集粒度≤1μm的Si-C微晶颗粒，即得Si-C微晶颗粒材料，其中气流粉碎机内压缩空气的气流绝对压力为1MPa，气流流速为300m/s。

5、配制润滑油

将Si-C微晶颗粒材料与润滑油混合均匀，制得用于内燃机动密封的润滑油，其中Si-C微晶颗粒材料与润滑油的重量之比为1∶100。

实施例2

1、原料准备

分别称取2摩尔的多晶硅和石墨粉，备用；

2、球磨处理

将多晶硅和石墨粉置于振动式球磨机中，球磨20小时，球磨机转速为200转/分钟，制得粒度≤20μm的Si-C混合物细粉；

3、感应加热处理

Si-C混合物细粉置于真空高频感应炉内，首先进行抽真空处理，使感应炉内的绝对压力达到1Pa；接着向感应炉内充入氩气，进行充气处理，使感应炉内的绝对压力升高到0.01MPa后，感应加热升温至1200℃，在1200℃下感应加热40分钟；然后停止加热，冷却至室温(20℃)，制得感应加热Si-C细粉；

4、粉碎处理

将感应加热Si-C细粉置于气流粉碎机中，进行气流粉碎处理，收集粒度≤5μm的Si-C微晶颗粒，即得Si-C微晶颗粒材料，其中气流粉碎机内压缩空气的气流绝对压力为0.5MPa，气流流速为300m/s。

5、配制润滑油

将Si-C微晶颗粒材料与润滑油混合均匀，制得用于内燃机动密封的润滑油，其中Si-C微晶颗粒材料与润滑油的重量之比为3∶100。

实施例3

1、原料准备

分别称取1摩尔的多晶硅和石墨粉，备用；

2、球磨处理

将多晶硅和石墨粉置于振动式球磨机中，球磨15小时，球磨机转速为500转/分钟，制得粒度≤20μm的Si-C混合物细粉；

3、感应加热处理

Si-C混合物细粉置于真空高频感应炉内，首先进行抽真空处理，使感应炉内的绝对压力达到0.01Pa；接着向感应炉内充入氩气，进行充气处理，使感应炉内的绝对压力升高到0.03MPa后，感应加热升温至1350℃，在1350℃下感应加热30分钟；然后停止加热，冷却至室温(20℃)，制得感应加热Si-C细粉；

4、粉碎处理

将感应加热Si-C细粉置于气流粉碎机中，进行气流粉碎处理，收集粒度≤1nm的Si-C微晶颗粒，即得Si-C微晶颗粒材料，其中气流粉碎机内压缩空气的气流绝对压力为0.2MPa。

5、配制润滑油

将Si-C微晶颗粒材料与润滑油混合均匀，制得用于内燃机动密封的润滑油，其中Si-C微晶颗粒材料与润滑油的重量之比为2∶100。

试验例1微晶复合材料性能试验

将实施例1-3制备的动密封Si-C微晶复合材料与发动机润滑油混合后按照国家标准《汽车节油技术评定方法》(GB/T14951-2007)和《汽车节油产品使用技术条件》(JT/T306-2007)测定混合润滑油的性能，其中发动机润滑油选用壳牌喜力(SL10W-40)润滑油，以壳牌喜力(SL 10W-40)润滑油为对照例，每升发动机润滑油(即壳牌喜力润滑油)中加入本发明制备的微晶复合材料的添加量为8.75ml，测定结果如表1所示。

表1混合润滑油性能检测结果

表1的检测检测结果表明：添加了本发明的Si-C微晶复合材料的发动机混合润滑油的技术指标达到了JT/T306-2007《汽车节油产品使用技术条件》规定的要求。试验例2燃料利用率试验

按照国家标准《汽车节油技术评定方法》(GB/T14951-2007)和《汽车节油产品使用技术条件》(JT/T306-2007)，采用实车在汽车的发动机润滑油中添加本发明制备的内燃机动密封微晶复合材料，测试汽车道路性能，以不添加本发明的内燃机动密封微晶复合材料的发动机润滑油(壳牌喜力润滑油，SL 10W-40)为对照，采用“ROAD2.0数据处理软件”处理检测数据，测试结果如表2-6所示。

测试车辆：菱帅DN7161型汽车；

测试场地：交通运输部功率交通试验场长直线性能试验路；

测试燃油：93^#汽油

本发明实施例1制备的内燃机动密封微晶复合材料的添加量为每升发动机润滑油中加入本发明制备的微晶复合材料8.75ml。

汽车D档等速行驶燃料消耗量对比检测结果如表2、3所示。

表2汽车等速燃油消耗量

标称车速(km/h)	30	50	70	90	110
						对照例(油耗/车速)	4.39/30.0	4.11/49.8	4.07/70.1	4.95/89.7	5.42/109.7

实施例1(油耗/车速)	4.13/29.8	3.77/49.7	3.91/69.9	4.65/89.9	5.29/109.7
						节油量(kg/100km)	+0.26	+0.34	+0.14	+0.31	+0.13
节油率(％)	+5.9	+8.3	+3.3	+6.3	+2.3

注：油耗单位为kg/100km。

表3汽车综合评价结果

运行模式	综合节油量(kg/100km)	综合节油率(％)
			市区运行	+0.28	+6.7
城间运行	+0.24	+5.6
			快速运行	+0.13	+2.3

按照国标GB/T14951-2007《汽车节油技术评定方法》进行检测和计算，汽车发动机润滑油中添加本发明制备的动密封Si-C微晶复合材料后，汽车用D档以30、50、70、90、110km/h的速度等速行驶，节油效果显著，节油量高，节油率分别为+5.9％、+8.3％、+3.3％、+6.3％、+2.3％；市区运行模式下的节油率为+6.7％、城间运行模式下的节油率为+5.6％、快速运行模式下的节油率为+2.3％。

汽车用D档进行加速试验燃油消耗，测定结果如表4。

表4汽车加速过程中燃油消耗检测结果

标称车速(km/h)	对照例(距离/时间)	实施例1(距离/时间)
			30	0/0.0	0/0.0
50	25/2.4	24/2.0
			70	71/5.2	70/4.7
90	142/8.3	141/8.2
			110	271/13.0	273/12.9

注：距离单位为米(m)；时间单位为秒(s)。

表4检测结果表明：汽车用D档从初速30km/h加速到110km/h时，加速时间对比系数为0.992，加速时间减少了0.8％，说明添加了本发明的微晶复合材料后，增加了润滑油的密封效果，提高了汽缸的密封性，从而增加了动力，减少了加速时间。

表5汽车怠速排放污染物检测结果

表5检测结果表明：汽车怠速排放污染物CO的净化率Rco在高怠速和怠速状态均为0，；HC净化率R_HC在高怠速和怠速状态下分别为6.9％、7.7％，说明添加了本发明的微晶复合材料后增加了润滑油的密封效果，提高了汽缸的密封性，减少了燃烧室内的混合气的溢出。

表6汽车挂档滑行检测结果

标称车速(km/h)	对照例(距离/时间)	实施例1(距离/时间)
			110	0/0.00	0/0.00
90	239.2/8.68	244.6/8.87
			70	468.5/19.08	474.3/19.30
50	681.1/31.95	690.8/32.47

注：距离单位为米(m)；时间单位为秒(s)。

表6检测结果表明：汽车用D档从初速110km/h滑行到50km/h时，滑行距离对比系数为1.014，滑行距离增加了1.4％，说明添加了本发明的微晶复合材料后实现了液体固体双相润滑，增加了润滑性减少摩擦增加了滑行距离。

综上所述：

1、汽车发动机润滑油中添加了本发明制备的动密封Si-C微晶复合材料后，汽车燃料的用量显著减少，节油率提高。

2、使用本发明的动密封Si-C微晶复合材料的汽车的节油率、加速时间对比系数、怠速排球污染物净化率和滑行距离对比系数等均达到了JT/T306-2007《汽车节油产品使用技术条件》的要求。

试验例3密封性能试验

采用玻璃注射器观察微晶密封复合材料的流体润滑剂的密封作用，将玻璃注射器的活塞用砂纸打磨至对气体不能进行压缩的状态后，观察压缩空气的压缩比，测试微晶复合材料的密封性能。

取2个容积为100ml玻璃注射器，其中一个玻璃注射器的内壁和活塞表面涂抹不含本发明动密封Si-C微晶复合材料的昆仑润滑油(中国石油润滑油公司)，另一个玻璃注射器的内壁和活塞表面涂抹含本发明实施例1制备的动密封Si-C微晶复合材料的润滑油，其中微晶复合材料的用量为1％，分别抽取50ml空气后用橡胶帽注射器乳斗，加1kg压力至玻璃注射器内空气的体积为40ml时开始计时，每隔1分钟测定玻璃注射器内的空气体积，测定结果如表7所示。

表7玻璃注射器空气体积测定结果

测定结果说明：添加了本发明动密封Si-C微晶复合材料的润滑油的注射器内压缩空气的体积保持不变，表明注射器内部和活塞之间的的密封性好，使用于内燃机中可以显著提高发动机的气缸与活塞、活塞环与环槽、气门与气门座之间密封性能。

Claims

1.一种用于内燃机动密封的Si-C微晶复合材料的制备方法，包括如下顺序进行的步骤：

1）按照摩尔配比为1:1的比例称取硅元素单体和碳元素单体，备用；

2）将硅元素单体和碳元素单体混合后，进行球磨处理，球磨处理时间为10-20h；球磨机转速为200-500转/分钟，制成粒度≤20μm的硅-碳混合物细粉；

3）将硅-碳混合物细粉进行感应加热处理，然后冷却，制得感应加热硅-碳细粉，其中，所述感应加热温度为1200-1500℃，加热时间为20-40分钟；

4）将感应加热硅-碳细粉进行气流粉碎处理，其中，气流粉碎处理过程中压缩空气气流的绝对压力为0.1-1MPa，制成粒度为1nm-5μm的Si-C微晶颗粒材料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是步骤1）中所述的硅元素单体为晶体硅或无定形硅；所述的碳元素单体选择为石墨。

3.一种用于内燃机动密封的微晶流体，其特征是包括润滑油和按照如权利要求1或2所述方法制备而成的Si-C微晶复合材料。

4.如权利要求3所述的微晶流体，其特征是所述Si-C微晶复合材料与润滑油的重量份配比为1-3:100。