碳化硅火花塞在各种环境下失效的研究
研究了基于碳化硅陶瓷的火花塞在天然气发动机上老化失效的原因。试验采用日本Kyocera公司市售的12个火花塞，陶瓷加热器的直径为4.2mm，在一台5.2L 4缸五十铃柴油机（压缩比18:1）上进行。对4个火花塞进行了欧洲瞬态循环测试，此时发动机的转速和扭矩均比较低（转速平均为1635r/min，扭矩平均为165Nm）；对另外8个火花塞在发动机稳态循环下进行测试，此时发动机的转速平均为2000r/min，扭矩为450Nm。稳态时火花塞经历更高的温度和更高的发动机转速、负荷，变化的参数为施加的电压和持续时间，火花塞控制单元可以记录火花塞电压和电流的特征。试验时，采用单色光学高温计进行温度测定，包括整体平均温度和局部最高温度。在发动机上，火花塞失效意味着无法进一步维持燃料着火，所以可以不考虑陶瓷加热器内降解的程度。
试验结果显示，由于发动机缸内环境的复杂性，因此至少有4种不同的模式影响火花塞的失效。①化学降解：将碳化硅氧化成二氧化硅；烧结添加剂的离子向表面迁移，降低了陶瓷发热体的机械和电气性能；在燃烧气体中形成杂质反应。②机械降解：高压、高速和具有侵蚀性燃烧气体导致陶瓷加热部分的质量损失；热循环和相关的热应力，以及表面氧化物和基体材料热膨胀差异导致的裂纹。③热降解：温度升高后化学反应的速率以指数增长，导电相的电降解加速。④电气退化：在电场作用下，烧结添加剂离子迁移，导致电阻周围的氮化硅介质击穿；高电压加速这一退化过程。
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作者：Carmen Oprea et al
编译：罗涛
