隔热膜和形成隔热膜的方法
【专利说明】隔热膜和形成隔热膜的方法
[0001]发明背景
[0002] 1.发明领域
[0003] 本发明涉及在铝基元件的壁表面上形成的隔热膜和形成隔热膜的方法，并例如涉 及在面向内燃发动机燃烧室的部分或全部壁表面上形成的隔热膜和形成隔热膜的方法。
[0004] 2.相关技术描述
[0005] 内燃发动机，如汽油机和柴油机主要由发动机缸体、气缸盖和活塞形成。内燃发动 机的燃烧室由气缸体的镗孔面、装配在镗孔中的活塞的顶面、气缸盖的底面和安置在气缸 盖中的进气和排气阀的顶面限定。随着对新近内燃发动机的高功率要求，降低内燃发动机 的冷却损失是重要的。作为降低冷却损失的措施之一，一种方法是在燃烧室的内壁上形成 由陶瓷制成的隔热膜。
[0006] 但是，由于上述陶瓷通常具有低热导率和高热容量，会因表面温度的稳定提高而 发生进气效率的降低或爆震（由于热留在燃烧室而异常燃烧）。因此，陶瓷目前尚未广泛用 作燃烧室内壁的膜材料。
[0007] 因此，在燃烧室的壁表面上形成的隔热膜理想的是由不仅理应具有耐热性质和绝 热性质还具有低热导率和低热容量的材料形成。此外，除低热导率和低热容量外，所述膜理 想的是具有可变形性以顺应在燃烧室中燃烧时的爆炸压力、喷射压力以及反复热膨胀和热 收缩，以及理想的是难以因所述膜与气缸体的基质之间的热变形量等而造成界面剥离。
[0008] 关于现有已知技术，日本专利申请公开如.2009-243355(开2009-243355六)和日 本专利申请公开No. 2010-185291(JP2010-185291A)各自描述了包括绝热薄膜的内燃发 动机，其中在具有比形成内燃发动机燃烧室的基质低的热导率并具有低于或等于该基质的 热容量的材料内形成气泡。
[0009] 由此，JP2009-243355A和JP2010-185291A各自描述了在内燃发动机燃烧室的 内壁上形成具有低热导率和低热容量的薄膜的技术，且该膜可以是具有如上所述的优异能 力的绝热膜(隔热膜）。
[0010] 但是，这些绝热膜结构使得在由陶瓷等制成的绝热材料内形成气泡，因此不期望 该绝热膜的高可变形性。因此，不便之处在于绝热膜因在燃烧室中受到热膨胀和热收缩的 反复应力过程中的热疲劳而受损，在绝热膜和由铝基质制成的基底材料之间的热变形差容 易提高，并在绝热膜与基底材料之间的界面处容易发生剥离。
[0011] 发明概述
[0012] 本发明提供具有低热导率、低热容量和能够顺应反复热膨胀和热收缩的可变形性 并难以因隔热膜与由铝基元件，如气缸体形成的壁表面之间的热变形差造成界面剥离的隔 热膜，和在壁表面上形成隔热膜的方法。
[0013] 本发明的第一方面提供一种隔热膜。该隔热膜包括:在常温至200°C的温度范围内 具有15X1(Γ6/Κ至25X1(Γ6/Κ的线膨胀系数并由搪瓷材料制成的基质层；和分散在所述基 质层中的中空粒子，其中所述隔热膜在铝基元件的壁表面上形成，且所述隔热膜扩散结合 于所述壁表面。
[0014] 在其上形成根据本发明的第一方面的隔热膜的壁表面元件由铝或铝合金制成。壁 表面的应用不仅是面向内燃发动机燃烧室的壁表面(在这种情况下，该元件是构成燃烧室 的活塞、气缸盖等，且该壁表面是活塞的顶面或气缸盖的底面），还有需要低热导率和低热 容量的各种应用的壁表面，如构成车辆进气/排气管线的壁表面、构成祸轮机叶片的壁表面 和内燃发动机的外壁、容纳航天器的外壳等。当在内燃发动机上应用隔热膜时，内燃发动机 可预计为汽油机和柴油机的任一种。
[0015] 在根据本发明的第一方面的隔热膜中，在基质层上施加搪瓷材料，更具体地，搪瓷 材料在常温至200°c的温度范围内具有15X1(Γ6/Κ至25X1(Γ6/Κ的线膨胀系数。此外，将中 空粒子分散在基质层中，且隔热膜由基质层和中空粒子形成。隔热膜扩散结合于铝基元件 的壁表面。"常温"是指大约15至25°C的温度。
[0016]由此，由于隔热膜扩散结合于铝基元件的壁表面，它们之间的界面的结合强度提 高。由于隔热膜由在常温至200°C的温度范围内具有15Χ1(Γ6/Κ至25Χ1(Γ6/Κ的线膨胀系数 的搪瓷材料形成，该线膨胀系数基本等于铝基元件的线膨胀系数(根据合金的类型，线膨胀 系数为19Χ1(Γ6/Κ至23Χ1(Γ6/Κ)。因此，在它们之间几乎不存在热变形差。由此，由于扩散 结合使得隔热膜与铝基元件的壁表面之间的结合强度高并且在隔热膜与该元件之间几乎 没有热变形差，因此防止界面剥离的效果提高。
[0017] 通过本发明的发明人的检验确定，f凡基玻璃料和釉料的混合材料适合作为构成在 铝基壁表面上形成的隔热膜的搪瓷材料的材料。
[0018] 在根据本发明的第一方面的隔热膜中，搪瓷材料的玻璃化转变温度可以低于或等 于400°C，且搪瓷材料的耐热温度可以高于或等于450°C。下面将描述隔热膜的摆动效应 (swingeffect)。
[0019]内燃发动机气缸中的热损失Q(W)可以通过(数学表达式l)Q=AXhX(Tg-Twall) 来表不，其中归因于气缸中的压力和气流量的传热系数h(W/ (m2K))、气缸中的表面积A(m2)、 气缸中的气体温度Tg(K)和面向气缸内部的壁表面的温度Twall(K)。在内燃发动机的循环 中，气缸内气体温度Tg瞬时改变。通过瞬时改变壁表面温度Twall以使壁表面温度Twall追 随气缸内气体温度Tg，可以降低数学表达式1中的(Tg-Twall)的值，因此可以降低热损失Q。
[0020] 燃烧室壁表面温度Twall的变化可以被称作摆动宽度，且燃烧室壁表面温度对气 缸中的气体温度的跟进能力可以被称作摆动特性、摆动效应等。当温度跟进能力高时，壁温 度与气缸气体温度之间的温度差降低，因此可以降低热损失并可以改进燃料经济性。随着 摆动宽度提高，改进燃料经济性的效果提高，因此要求隔热膜的热物理性质具有低热导率 和低体积比热以提高摆动宽度。
[0021] 与隔热膜的摆动效应相关地，在隔热膜内出现基于摆动宽度(250至500°C)的温度 梯度。在如现有隔热膜的情况中那样的由具有大杨氏模量（例如，氧化铝的杨氏模量为 360GPa)的陶瓷材料制成的隔热膜中，隔热膜中的应力提高，并有可能发生膜内破裂。
[0022] 250°C可以被规定为关于指示燃料经济性能的摆动宽度的阈值（目标值）。例如，当 摆动宽度为250°C时，250°C是壁表面与隔热膜表面之间的温度差（或温度梯度）。由于在发 动机启动时壁表面温度提高到大约200°C，隔热膜的表面温度表示为200+250 = 450°C，其中 壁表面温度为200°C。通过使用搪瓷材料以使隔热膜的表面温度低于或等于450°C，更合意 地，搪瓷材料具有比450°C低50°C的400°C作为玻璃化转变点，隔热膜在加热发动机时容易 变软并可以抑制膜内破裂，如在加热发动机时在隔热膜的膜内出现裂纹。也就是说，由于 250°C的温度梯度，在隔热膜的内或外表面上可出现温度应力;但是，由于隔热膜变软，抑制 了归因于温度应力的膜内破裂。
[0023]另一方面，理想的是隔热膜的表面在450°C的温度气氛中不会热变(耐热性质）。通 过本发明的发明人的检验确定，通过使用由上述钒基搪瓷材料制成的隔热膜，隔热膜具有 低于或等于400°C的玻璃化转变温度和大约450°C或更高的耐热性质。
[0024] 在根据本发明的第一方面的隔热膜中，搪瓷材料可含有二氧化硅，中空粒子各自 可具有二氧化硅基外壳，且各二氧化硅基外壳的表面可以被亲水基团改性。
[0025] 在形成隔热膜时，将玻璃料与釉料混合，将通过使该混合物含有中空粒子并用水 调节粘度而获得的材料例如喷涂到壁表面上，并通过加热来烧制搪瓷材料。由此形成隔热 膜。当使用钒基玻璃料(氧化钒)作为搪瓷材料的材料时，在玻璃料由氧化钒和二氧化硅的 混合材料形成的情况下或在釉料中含有二氧化硅的情况下，所述中空粒子各自具有二氧化 硅基外壳并具有与搪瓷材料的高粘合。此外，亲水基团将各中空粒子的表面改性，因此在将 搪瓷材料和中空粒子与水混合时使中空粒子均匀分散在水中。因此，可以将中空粒子均匀 分散在待形成的隔热膜中。可以使用羧基作为"亲水基团"。
[0026] 在根据本发明的第一方面的隔热膜中，隔热膜可具有由上层和与所述壁表面相邻 的底层构成的双层结构，且所述底层可以不含中空粒子或可以含有比所述上层少的量的中 空粒子。
[0027] 隔热膜具有由上层和与所述壁表面相邻的底层构成的双层结构，且所述底层不含 中空粒子或含有比所述上层少的量的中空粒子，因此预期下列有利效果。要求含有尽可能 大量的中空粒子以实现隔热膜的功能，并且已知，作为用于