CN108137840B - 用于活塞的复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及内燃机的活塞,所述活塞具有至少局部施加到所述活塞的表面上的复合材料,其特征在于,所述复合材料至少包含高温聚合物和/或液晶聚合物(LCP)。
Description
本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分特征的用于内燃机的活塞的复合材料。
复合轴涂层用于很少的摩擦和提高的抗咬性。
用于快速移动的内燃机部件(尤其活塞轴)的涂层的复合材料用于降低摩擦损耗并提高抗咬性以及提高耐磨性。
为了保证磨合和自润滑特性,在现有技术中使用由基于聚酰胺酰亚胺或环氧载体树脂或者固态润滑剂混合物的、具有不同填料(大多数情况下为石墨,或MoS2和/或碳纤维,最近还有PTFE和纳米金刚石)的聚合物组合物构成的活塞涂层。基于聚合物的层大多以溶解/分散的形式单层或多层地进行施涂并且随后在温度下固化/聚合。在此过程中,所采用的溶剂蒸发并且所用的质量减少。
另外,从现有技术已知一种活塞裙或整个活塞的铁涂层。
此类涂层的应用和效果是长久以来已知的并且不再详述。
本发明的目的是在长久以来已知种类的活塞轴涂层的性能(摩擦和磨损、磨合行为以及涂层在活塞上的粘附牢固性)方面对其进行改进。
根据本发明,这个目的如下实现:提供一种内燃机的活塞,所述活塞具有例如至少施加在所述活塞的表面上的复合材料,其中所述复合材料至少包含高温聚合物和/或液晶聚合物(LCP)。
另外,根据本发明提出,所述高温聚合物由聚酰胺酰亚胺(PAI)和/或环氧载体树脂组成。
另外,根据本发明提出,可以将所述液晶聚合物(LCP)溶解在离子液体(IL)中以制备所述复合材料。
另外,根据本发明提出,所述复合材料包含石墨(由石墨层结构形成的单独的层)、尤其是功能化的石墨。
换言之,所述目的如下实现:新的“混杂聚合物(Hybridpolymer)”,即复合材料,应当在基质上由高温聚合物(如聚酰胺酰亚胺(PAI)或环氧树脂)组成,所述高温聚合物设置有液晶聚合物(LCP)。所述LCP可以溶解在离子液体(IL)中,然后所述离子液体同样可以整合到所述基质中。另一种材料应由石墨、尤其是由功能化的石墨组成。新的添加物(LCP、IL和石墨)容许基础聚合物的特性的显著改进。
通过新的复合材料实现了对磨合行为的改进、抗咬性的提高、摩擦的降低和提高的耐磨性(内燃机部件、尤其活塞的更长的使用寿命)。由此对于内燃机的运行带来燃料消耗和二氧化碳排放(CO2排放)的降低。
作为相对于现有技术的进步,通过使用本发明的复合材料或涂层减小或甚至避免了在用于内燃机的部件、尤其活塞中的品质问题,如层开裂或层磨损。铁涂层可以完全通过本发明的用于内燃机部件、尤其活塞的涂层或复合材料来替代,同时实现更好的或至少可媲美的磨损特性。通过本发明的涂层或复合材料可以简化制造过程。
高温聚合物适合于超过200摄氏度的使用温度。在聚合物链中具有芳香族构造单元的聚酰胺酰亚胺(PAI)属于高温聚合物类并且形成热塑性塑料。此外产生很高的化学耐受性和抗磨强度。聚酰胺酰亚胺因此特别适合作为用于内燃机活塞的复合材料的耐热成分。在此,长期的温度耐受性超过220℃。
液晶聚合物(英语:l iquid crystal polymer,LCP)与常见的热塑性塑料相比在熔融液体和/或在溶解状态下已经具有有着更高有序度结构的有序的、主要晶态的区域。液晶聚合物处于三维完全有序的晶体与常规的在结构上无序的液体之间。通过这种高度定向的结构,LCP在固态下会自强化。其前提条件是存在特定的结构元素,即所谓的介晶基团。它们既可以位于主链中也可以位于侧链中。除了作为LCP的主链或侧链的区别之外,它们还可以根据其存在条件来分类。相应地,将其区分成热致LCP(在熔体中的液晶相)和溶致LCP(在溶液中的液晶相)。从聚合物链中介晶的排列产生异乎寻常的化学和机械特性。例如,主链LCP显示出平行于分子轴的极高抗拉强度和高弹性模量。因此,主链液晶聚合物特别好地适合用在内燃机中,用作为用于活塞的复合材料中的高性能纤维。于是许多特性的各向异性能够针对性地调节材料复合物的特性。
环氧化物是指包含由三个原子(其中有两个C原子和一个O原子)组成的环作为结构元素的一组反应性有机化合物。在开环情况下,环氧化合物类与许多种有机化合物反应。例如,环氧化物在适合的条件下与多元酚聚合成环氧树脂。环氧树脂(EP树脂)是聚醚。它们属于能够通过固化剂和任选的其他添加剂转化成硬质塑料型塑料的反应树脂。固化剂组分在此是反应参与物并且因此是所形成的塑料的固体成分。如此生产的硬质塑料具有良好的机械特性以及良好的温度和化学品耐受性。由于这些特性,它们特别适合于用在活塞的复合材料中。
离子液体(IL)是如下物质,其完全由离子构成并且与常规盐类的高粘度且腐蚀性的熔体相反(例如碱金属盐熔体)通常在室温下(RTIL,室温离子液体)已经呈具有中等粘度的液相存在或根据定义具有<100℃的熔点。对于离子液体的低熔点而言,在分子层面上重要的主要是阳离子的三个结构特性:即,低对称性、良好的电荷分布以及小的分子间相互作用。这些特性阻止了稳定晶格的形成。可以通过离子对的改变而针对性地调节离子液体的特性,例如可溶性、熔点和热稳定性,并使其与需求相匹配。因此,离子液体特别适合于制造内燃机的活塞的复合材料或作为其一部分。
石墨确切地是指纯碳的单原子层。这种材料是碳的多种(晶体学上的)变型之一。虽然化学组成相同,但它们具有不同的特性,这是不同的原子排列造成的。通过每个碳原子被三个另外的碳原子以120°的角度包围的二维结构,构成了一种蜂窝状的模式。石墨属于已知的最稳定材料并且尤其具有高抗撕裂性。由于这些特性,石墨特别适合于制造用于内燃机的活塞的复合材料。
本发明的复合材料可以作为涂层至少局部施加到内燃机的部件、尤其活塞的表面上。
Claims (4)
1.内燃机的活塞,所述活塞具有至少局部施加到所述活塞的表面上的复合材料,其特征在于,所述复合材料至少包含高温聚合物和液晶聚合物并且将所述液晶聚合物溶解在离子液体中以制备所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的活塞,其特征在于,所述高温聚合物由聚酰胺酰亚胺和/或环氧树脂组成。
3.根据权利要求1或2所述的活塞,其特征在于,所述复合材料包含石墨。
4.根据权利要求1或2所述的活塞,其特征在于,所述复合材料包含功能化的石墨。
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