随着生态环境的日益恶化和环境资源的日渐短缺，人们对环境保护和节约能源越来越重视。各国为限制内燃机排放所制定的法规更加严格，各大内燃机制造厂家在内燃机节能技术方面的竞争也愈演愈烈。因此，尽可能地降低油耗和减少有害排放就成为内燃机的发展目标。本文引入功能梯度材料(FGM)的概念，结合燃油掺水乳化燃烧技术，运用催化燃烧技术，在内燃机燃烧室部件内表面(活塞顶面、缸盖和气阀底面)先喷涂陶瓷/金属热障功能梯度涂层(TBC)，再喷涂催化剂/陶瓷催化功能梯度涂层(EBC)，以形成催化/热障功能梯度涂层(TBC-EBC)，使喷入的燃油和水蒸气在相对较低的温度下(200～500℃)发生重整催化反应，生成少量的氢气，从而改善燃油的燃烧过程，同时提高内燃机的环保性能、经济性能和隔热性能。这是一个全新的研究方向。 本文结合2001年度武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室开放基金项目“环保型梯度热障涂层的设计方法与制备工艺的研究”，对催化/热障功能梯度涂层中传热和热应力分布进行了理论分析与数值计算。同时，建立了催化/热障功能梯度涂层的水蒸气重整催化性能数学模型。最后，对催化/热障功能梯度涂层的制备工艺和性能评价进行了初步的实验研究。 文中首先阐述了催化/热障功能梯度涂层的材料结构模型和物性模型，然后根据热传导理论和热弹性理论，建立了用于催化/热障功能梯度涂层中传热和热应力分析的多层平板模型和多层圆筒模型，它们都是由金属基体层、过渡金属层、陶瓷/金属热障功能梯度层和催化剂/陶瓷催化功能梯度层四层组成，其中梯度层的梯度结构分别采用多项式和幂函数两种分布函数。通过具体的计算实例，采用解析解和有限元解对催化/热障功能梯度涂层多层平板模型和多层圆筒模型的温度场和热应力场进行了分析计算。经计算对比，发现两者能够很好地吻合。 为了分析催化/热障功能梯度涂层对内燃机的节能和降低排放的影响，根据化学反应动力学理论和多相催化理论，建立了甲烷水蒸气重整催化反应的化学反应速度数学模型，将内燃机中催化/热障功能梯度涂层的水蒸气重整催化反应分为预催化方式和表面催化方式，并从这两个方面来分析了甲烷水蒸气重整催化反应作用下的着火燃烧化学反应方程式。进一步，根据脂肪烃和芳烃的水蒸 武汉理工大学硕士学位论文气重整催化反应实验数据，建立了轻油水蒸气重整催化反应的化学反应速度数学模型，可以获得氢气的生成速度或量。这对于研究燃油水蒸气重整催化反应对内燃机燃烧过程的影响是很有意义的。 根据催化/热障功能梯度涂层的结构和性能要求，使用等离子喷涂技术，并对涂层的制备工艺参数进行了优化，制备了催化/热障功能梯度涂层试样和可用于实机实验催化/热障功能梯度涂层。借助扫描电子显微镜和X射线能谱分析仪，对所制作的涂层试样进行了金相显微分析和成份分析，并对涂层的催化效果进行了初步的评价。从试验获得的数据表明，本文所制备的催化/热障功能梯度涂层中催化涂层的表面上有催化剂的烧结颗粒，这将必然影响到涂层的重整催化作用效果。因此，文中提出了对等离子喷涂设备的改进措施和涂层喷涂后的后处理措施。这为催俗热障功能梯度涂层的成功制备打下了良好的基础。