[發明專利]一種石墨烯改性復合材料活塞及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201611027371.4
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106966750B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 羅瑞盈;龍文彪
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/84;F02F3/00;C04B41/87
• 代理公司: 北京酷愛智慧知識產權代理有限公司11514
• 代理人: 趙永輝

1.一種改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1:將石墨烯粉末加入乙醇丙酮混合溶液中，使其分散均勻，然后超聲30～60min；其中，所述石墨烯粉末與所述乙醇丙酮混合溶液的質量比為1:20～1:50，所述乙醇丙酮混合溶液中乙醇和丙酮的質量比為1:1～1:1.5；

S2:將步驟S1得到的液體加入到酚醛樹脂丙酮溶液中，混合均勻，得到石墨烯改性后的酚醛樹脂溶液，所述石墨烯與酚醛樹脂的質量比為0.1～0.5:60；

S3:以所述石墨烯改性后的酚醛樹脂溶液為先驅體溶液，采用先驅體浸漬裂解法處理活塞預制體，重復所述先驅體浸漬裂解法直到石墨烯/C界面層的厚度為300～400nm；

S4:以酚醛樹脂丙酮溶液為先驅體溶液，將得到的具有石墨烯/C界面層的活塞預制體通過先驅體浸漬裂解法進一步致密化；

S5:重復步驟S4直到致密化后活塞件密度達到1.73～1.78g/cm³；或重復步驟S4直到致密化后活塞件密度達到1.1～1.2g/cm³，再用化學氣相滲透法進一步致密化至活塞件密度達到1.73～1.78g/cm³；

S6:將得到的致密化后活塞件在2400～2600℃下進行2～3h石墨化處理，得到改性碳基復合材料活塞。

2.根據權利要求1所述的改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于：所述步驟S3具體包括：將所述活塞預制體置于浸漬裝置中，抽真空，至真空度為10～20Pa，將所述石墨烯改性后的酚醛樹脂溶液加入所述浸漬裝置中，在溫度40～50℃下，首先在真空環境下浸漬30～40min，然后以2MPa/h的升壓速率增加壓力至3～5MPa；將浸漬后的活塞預制體在溫度為150～160℃、壓力為1MPa下進行固化，固化時間為2～3h，將所述固化后的材料在惰性氣氛中于950～1050℃裂解1～2h；重復所述先驅體浸漬裂解法制備過程，直到石墨烯/C界面層的厚度為300～400nm。

3.根據權利要求1所述的改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于：所述步驟S4具體包括：將所述有石墨烯/C界面層的活塞預制體置于浸漬裝置中，抽真空，至真空度為10～20Pa，將酚醛樹脂質量分數為80％的酚醛樹脂丙酮溶液加入所述浸漬裝置中，在溫度40～50℃下，首先在真空環境下浸漬30～40min，然后以2MPa/h的升壓速率增加壓力至3～5MPa；將浸漬后的有石墨烯/C界面層的活塞預制體在溫度為150～160℃、壓力為1MPa下進行固化，固化時間為2～3h，將所述固化后的材料在惰性氣氛中于950～1050℃裂解1～2h。

4.根據權利要求1所述的改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于：所述步驟S5的化學氣相滲透法具體為：以天然氣和丙烷作為前驅體氣體，其中天然氣和丙烷的體積比為6:1，先以300℃/h的升溫速率升溫到1000℃，壓力為2kPa，流量為90ml/min，功率為20kw，得到密度為1.73～1.78g/cm³的致密化后活塞件。

5.根據權利要求2所述的改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于：所述惰性氣氛為氮氣或氬氣。

6.根據權利要求1所述的改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于：所述活塞預制體是用四步法三維編織而成，其中纖維為聚丙烯腈基碳纖維或瀝青基碳纖維。

7.根據權利要求1所述的改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于，在所述步驟S6后，還包括步驟：在真空條件下，在所述改性碳基復合材料活塞的頂部表面制備陶瓷涂層，所述陶瓷涂層成分為Al₂O₃、ZrO₂、3Al₂O₃-2SiO₂和SiC中的一種或幾種，所述陶瓷涂層的厚度為100～150μm。

8.根據權利要求1所述的改性碳基復合材料活塞的制備方法，其特征在于，在所述步驟S6后，還包括步驟：將所述改性碳基復合材料活塞進行精密尺寸調控加工，在活塞頂部加工氣門避讓坑、燃燒室，和/或在頭部加工環槽，和/或在裙部加工銷孔、收縮窗、卡簧槽，和/或對活塞的內腔結構進行修飾。

9.權利要求1～8任一項所述的方法制備得到的改性碳基復合材料活塞。

10.權利要求9所述的改性碳基復合材料活塞在制備內燃機中的應用。