WO2020230185A1 - 複合材料及びエンジン - Google Patents

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崇弘 冨田
慎司 鈴木
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日本碍子株式会社
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings

Definitions

  • the present invention relates to composite materials and engines.
  • the engine includes an engine body and a heat insulating coating layer.
  • the heat insulating coating layer covers the engine body.
  • the heat insulating coating layer is required to have a low thermal conductivity.
  • the piston includes a piston base material and a low thermal conductivity portion (paragraph 0013-0014).
  • the piston base material is cast from an aluminum alloy (paragraph 0013).
  • the piston base material has a crown surface (paragraph 0014).
  • the crown surface constitutes the combustion chamber (paragraph 0014).
  • the low thermal conductivity portion is embedded at a predetermined position on the upper surface of the recess formed in a part of the crown surface.
  • the low thermal conductivity portion has a thermal conductivity lower than that of the piston base material.
  • atomization of fuel is sufficiently promoted and combustion performance is improved (paragraph 0088).
  • the surface coating layer is composed of a layer of an amorphous inorganic material and particles of a crystalline inorganic material (paragraph 0042).
  • the particles of the crystalline inorganic material are dispersed inside the layer of the amorphous inorganic material (paragraph 0042). Pore may be included in the layer of the amorphous inorganic material (paragraph 0042).
  • the particles of the crystalline inorganic material preferably contain at least one of an oxide of calcia, magnesia, ceria, alumina, and a transition metal (paragraph 0049).
  • oxide of the transition metal examples include zirconia, yttria, niobium oxide, titania, chromium oxide, manganese oxide, iron oxide, copper oxide, cobalt oxide and the like (paragraph 0049).
  • specific examples of the inorganic material containing zirconia include yttria-stabilized zirconia, CaO-stabilized zirconia, MgO-stabilized zirconia, zircon, and CeO-stabilized zirconia (paragraph 0050).
  • the amorphous inorganic material is preferably low melting point glass (paragraph 0058).
  • the low melting point glass is preferably a glass containing at least one of barium glass, boron glass, strontium glass, alumina silicate glass, soda zinc glass, and soda barium glass (paragraph 0059). According to the technique described in Patent Document 1, a surface coating layer having sufficiently high heat insulating properties can be formed (paragraph 0102).
  • the heat insulating coating layer is required to have a low thermal conductivity.
  • the heat insulating coating layer may be required to have a high heat capacity depending on its use.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a composite material having a low thermal conductivity and a high heat capacity, which can form a heat insulating coating layer having a low thermal conductivity and a high heat capacity.
  • Composite materials include glass and fine particles.
  • the glass contains Si, Al and O, and further contains at least one selected from the group consisting of Mg, Ca, Ba, Na, Li and K.
  • the fine particles are composed of at least one oxide selected from the group consisting of Zr, Y, Yb, La, Hf, Al and Si, and are dispersed in the glass.
  • the composite material has a porosity of 5% or more and 50% or less.
  • the composite material consists of glass and fine particles having low thermal conductivity.
  • phonons are scattered at the interface between glass and fine particles. Therefore, it is possible to provide a composite material having a low thermal conductivity.
  • the number of pores that cause a decrease in heat capacity is reduced. Therefore, it is possible to provide a composite material having a high heat capacity.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a part of an engine including a heat insulating coating layer made of a composite material of the first embodiment.
  • the engine 1 illustrated in FIG. 1 includes an engine body 11 and a heat insulating coating layer 12.
  • the heat insulating coating layer 12 covers the engine body 11.
  • the engine body 11 includes the piston body 21, and the heat insulating coating layer 12 covers the piston body 21.
  • the piston body 21 and the heat insulating coating layer 12 that covers the piston body 21 form a piston.
  • the engine body 11 or piston body 21, which is the base material covered by the heat insulating coating layer 12, is made of metal or alloy.
  • the heat insulating coating layer 12 is made of the composite material of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating the composite material of the first embodiment.
  • the composite material 101 of the first embodiment contains glass 111 and fine particles 112 as shown in FIG.
  • the glass 111 contains Si, Al and O, and further contains at least one selected from the group consisting of Mg, Ca, Ba, Na, Li and K.
  • the fine particles 112 consist of at least one oxide selected from the group consisting of Zr, Y, Yb, La, Hf, Al and Si.
  • the fine particles 112 are dispersed in the glass 111.
  • the fine particles 112 are preferably made of ceramics and have crystallinity.
  • the composite material 101 is produced by dispersing the fine particles 112 in the molten glass 111 and then solidifying the molten glass 111.
  • the composite material 101 is composed of glass 111 and fine particles 112 having low thermal conductivity. Further, phonons are scattered at the interface between the glass 111 and the fine particles 112. Therefore, the composite material 101 has a low thermal conductivity. Desirably, the composite material 101 has a thermal conductivity of 0.1 W / mK or more and 1.5 W / mK or less.
  • Composite material 101 has a porosity of 5% or more and 50% or less.
  • the composite material 101 has a high heat capacity. Desirably, the composite material 101 has a heat capacity of 2000 kJ / m 3 K or more and 3500 kJ / m 3 K or less. Further, the composite material 101 has a high compressive strength. Desirably, the composite material 101 has a compressive strength of 10 MPa or more and 80 MPa or less. When the composite material 101 has such a high compressive strength, the composite material 101 has a strength capable of withstanding the combustion pressure. Porosity can be measured by Archimedes' method.
  • the fine particles 112 preferably have an average particle size of 100 nm or less.
  • the average particle size can be obtained by observing the cross section of the composite material 101 with an electron microscope (SEM) to obtain an SEM image, and analyzing the image of the fine particles 112 contained in the obtained SEM image.
  • SEM electron microscope
  • the ratio of the volume of the glass 111 to the volume of the fine particles 112 is preferably 40/60 or more and 80/20 or less.
  • the glass 111 preferably has a coefficient of thermal expansion of 5 ppm / K or more and 25 ppm / K or less.
  • the glass 111 has a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of the engine body 11 or the piston body 21 made of metal or alloy. Therefore, it is possible to reduce the thermal stress generated when the engine 1 operates due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the glass 111 and the engine body 11 or the piston body 21.
  • the fine particles 112 also have a large coefficient of thermal expansion like the glass 111. Therefore, the composite material 101 has a coefficient of thermal expansion of 8 ppm / K or more and 16 ppm / K or less.

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Abstract

低い熱伝導率及び高い熱容量を有する断熱被覆層を構成することができる、低い熱伝導率及び高い熱容量を有する複合材料を提供する。複合材料は、ガラス及び微粒子を含む。ガラスは、Ｓｉ、Ａｌ及びＯを含み、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｎａ、Ｌｉ及びＫからなる群より選択される少なくとも１種をさらに含む。微粒子は、Ｚｒ、Ｙ、Ｙｂ、Ｌａ、Ｈｆ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物からなり、ガラス中に分散している。複合材料は、５％以上５０％以下の気孔率を有する。

Description

複合材料及びエンジン
　本発明は、複合材料及びエンジンに関する。
　エンジンは、エンジン本体及び断熱被覆層を備える。断熱被覆層は、エンジン本体を被覆する。断熱被覆層は、低い熱伝導率を有することが求められる。
　例えば、特許文献１に記載された技術においては、ピストンが、ピストン母材及び低熱伝導率部を備える（段落００１３－００１４）。ピストン母材は、アルミニウム合金によって鋳造される（段落００１３）。ピストン母材は、冠面を有する（段落００１４）。冠面は、燃焼室を構成する（段落００１４）。低熱伝導率部は、冠面の一部に形成された凹部の上面所定位置に埋設される。低熱伝導率部は、ピストン母材の熱伝導率より低い熱伝導率を有する。特許文献１に記載された技術によれば、燃料の霧化が十分に促進されて燃焼性能が向上する（段落００８８）。
　特許文献２に記載された技術においては、表面被覆層が、非晶性無機材の層、及び結晶性無機材の粒子からなる（段落００４２）。結晶性無機材の粒子は、非晶性無機材の層の内部に分散する（段落００４２）。非晶性無機材の層の中になかに気孔が含まれてもよい（段落００４２）。結晶性無機材の粒子は、カルシア、マグネシア、セリア、アルミナ、及び、遷移金属の酸化物のうち少なくとも一種を含むことが望ましい（段落００４９）。遷移金属の酸化物としては、ジルコニア、イットリア、酸化ニオブ、チタニア、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、酸化コバルト等が挙げられる（段落００４９）。ジルコニアを含む無機材の具体例としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア、ＣａＯ安定化ジルコニア、ＭｇＯ安定化ジルコニア、ジルコン、ＣｅＯ安定化ジルコニア等が挙げられる（段落００５０）。非晶性無機材は、低融点ガラスであることが望ましい（段落００５８）。低融点ガラスは、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、アルミナ珪酸ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、及び、ソーダバリウムガラスのうち少なくとも一種を含むガラスであることが好ましい（段落００５９）。特許文献１に記載された技術によれば、充分に断熱性の高い表面被覆層を形成することができる（段落０１０２）。
国際公開第２０１６／１０３８５６号 特許第６２８５６８４号公報
　特許文献１に記載されているように、断熱被覆層は、低い熱伝導率を有することが求められる。加えて、断熱被覆層は、その用途によっては、高い熱容量を有することが求められる場合がある。
　本発明は、この問題に鑑みてなされた。本発明が解決しようとする課題は、低い熱伝導率及び高い熱容量を有する断熱被覆層を構成することができる、低い熱伝導率及び高い熱容量を有する複合材料を提供することである。
　複合材料は、ガラス及び微粒子を含む。
　ガラスは、Ｓｉ、Ａｌ及びＯを含み、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｎａ、Ｌｉ及びＫからなる群より選択される少なくとも１種をさらに含む。
　微粒子は、Ｚｒ、Ｙ、Ｙｂ、Ｌａ、Ｈｆ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物からなり、ガラス中に分散している。
　複合材料は、５％以上５０％以下の気孔率を有する。
　本発明によれば、複合材料が、低い熱伝導率を有するガラス及び微粒子からなる。また、ガラスと微粒子との界面においてフォノンが散乱する。このため、低い熱伝導率を有する複合材料を提供することができる。
　また、本発明によれば、熱容量が低くなる原因となる気孔が少なくなる。このため、高い熱容量を有する複合材料を提供することができる。
　この発明の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
第１実施形態の複合材料からなる断熱被覆層を備えるエンジンの一部を模式的に図示する断面図である。 第１実施形態の複合材料を模式的に図示する断面図である。
　１　第１実施形態
　１．１　エンジン
　図１は、第１実施形態の複合材料からなる断熱被覆層を備えるエンジンの一部を模式的に図示する断面図である。
　図１に図示されるエンジン１は、エンジン本体１１及び断熱被覆層１２を備える。
　断熱被覆層１２は、エンジン本体１１を被覆する。
　望ましくは、エンジン本体１１は、ピストン本体２１を備え、断熱被覆層１２は、ピストン本体２１を被覆する。ピストン本体２１、及びピストン本体２１を被覆する断熱被覆層１２は、ピストンを構成する。
　断熱被覆層１２により被覆される基材となるエンジン本体１１又はピストン本体２１は、金属又は合金からなる。
　断熱被覆層１２は、第１実施形態の複合材料からなる。
　１．２　複合材料
　図２は、第１実施形態の複合材料を模式的に図示する断面図である。
　第１実施形態の複合材料１０１は、図２に図示されるように、ガラス１１１及び微粒子１１２を含む。
　ガラス１１１は、Ｓｉ、Ａｌ及びＯを含み、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｎａ、Ｌｉ及びＫからなる群より選択される少なくとも１種をさらに含む。微粒子１１２は、Ｚｒ、Ｙ、Ｙｂ、Ｌａ、Ｈｆ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物からなる。微粒子１１２は、ガラス１１１中に分散している。微粒子１１２は、望ましくは、セラミックスからなり、結晶性を有する。複合材料１０１は、溶融したガラス１１１に微粒子１１２を分散させた後に溶融したガラス１１１を固化させることにより作製される。
　これにより、複合材料１０１は、低い熱伝導率を有するガラス１１１及び微粒子１１２からなる。また、ガラス１１１と微粒子１１２との界面においては、フォノンが散乱する。このため、複合材料１０１は、低い熱伝導率を有する。望ましくは、複合材料１０１は、０．１Ｗ／ｍＫ以上１．５Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する。
　複合材料１０１は、５％以上５０％以下の気孔率を有する。
　これにより、熱容量が低くなる原因となる気孔が少なくなる。また、圧縮強度が低くなる原因となる気孔が少なくなる。このため、複合材料１０１は、高い熱容量を有する。望ましくは、複合材料１０１は、２０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以上３５００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下の熱容量を有する。また、複合材料１０１は、高い圧縮強度を有する。望ましくは、複合材料１０１は、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下の圧縮強度を有する。複合材料１０１がこのように高い圧縮強度を有する場合は、複合材料１０１は、燃焼圧に耐えることができる強度を有する。気孔率は、アルキメデス法により測定することができる。
　微粒子１１２は、望ましくは、１００ｎｍ以下の平均粒子径を有する。
　これにより、ガラス１１１と微粒子１１２との界面が増え、当該界面において散乱されるフォノンが多くなり、複合材料１０１の熱伝導率をさらに低くすることができる。平均粒子径は、複合材料１０１の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察してＳＥＭ像を得、得たＳＥＭ像に含まれる微粒子１１２の像を解析することにより得ることができる。
　微粒子１１２の体積に対するガラス１１１の体積の比は、望ましくは、４０／６０以上８０／２０以下である。
　ガラス１１１は、望ましくは、５ｐｐｍ／Ｋ以上２５ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する。
　これにより、ガラス１１１は、金属又は合金からなるエンジン本体１１又はピストン本体２１の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する。このため、ガラス１１１とエンジン本体１１又はピストン本体２１との間の熱膨張係数差に起因してエンジン１が動作する際に発生する熱応力を低減することができる。
　微粒子１１２も、ガラス１１１と同様に、大きな熱膨張係数を有する。このため、複合材料１０１は、８ｐｐｍ／Ｋ以上１６ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する。
　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
　１　エンジン
　１１　エンジン本体
　１２　断熱被覆層
　２１　ピストン本体
　１０１　複合材料
　１１１　ガラス
　１１２　微粒子

Claims (10)

  1. 　Ｓｉ、Ａｌ及びＯを含み、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｎａ、Ｌｉ及びＫからなる群より選択される少なくとも１種をさらに含むガラスと、
    　Ｚｒ、Ｙ、Ｙｂ、Ｌａ、Ｈｆ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の酸化物からなり、前記ガラス中に分散した微粒子と、
    を含み、
    　５％以上５０％以下の気孔率を有する
    複合材料。
  2. 　前記微粒子は、１００ｎｍ未満の平均粒子径を有する
    請求項１の複合材料。
  3. 　前記微粒子の体積に対する前記ガラスの体積の比が、４０／６０以上８０／２０以下である
    請求項１又は２の複合材料。
  4. 　前記ガラスは、５ｐｐｍ／Ｋ以上２５ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する
    請求項１から３までのいずれかの複合材料。
  5. 　０．１Ｗ／ｍＫ以上１．５Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する
    請求項１から４までのいずれかの複合材料。
  6. 　２０００ｋＪ／ｍ３Ｋ以上３５００ｋＪ／ｍ３Ｋ以下の熱容量を有する
    請求項１から５までのいずれかの複合材料。
  7. 　１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下の圧縮強度を有する
    請求項１から６までのいずれかの複合材料。
  8. 　８ｐｐｍ／Ｋ以上１６ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する
    請求項１から７までのいずれかの複合材料。
  9. 　エンジン本体と、
    　請求項１から８までのいずれかの複合材料からなり、前記エンジン本体を被覆する断熱被覆層と、
    を備えるエンジン。
  10. 　前記エンジン本体は、ピストン本体を備え、
    　前記断熱被覆層は、前記ピストン本体を被覆する
    請求項９のエンジン。
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