[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

技術領域

本發明涉及活塞材料及活塞設計加工技術領域，具體涉及一種石墨烯改性復合材料活塞及其制備方法與應用。

背景技術

活塞因其在高溫、高壓、腐蝕、摩擦、熱負荷等條件下工作，因此成為內燃機中最關鍵的部件之一，其質量的好壞直接影響內燃機的使用性、可靠性及工作壽命。隨著未來內燃機向大功率、中高速、小型化方向的不斷發展，活塞的工作環境將變得更加惡劣，因此對活塞材料性能提出了更高的要求。而傳統鑄造、鍛壓工藝制備得到的活塞容易混入雜質相和氣孔，產生縮松、成分及組織結構不均勻等缺陷，并且重量大，耐高溫性能差，難以滿足未來內燃機的發展需要。輕量化、高強度、抗疲勞、高的熱穩定性及良好的導熱性能等成為選擇活塞材料的標準，并且出于節能環保的目的，新型活塞應具有高的工作效率，能有效降低熱量損失，減少碳氫化合物及氮氧化合物廢氣的排放。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明目的在于提供一種石墨烯改性復合材料活塞及其制備方法與應用，以提高活塞抗熱腐蝕性能、室溫和高溫下抗拉強度，降低熱膨脹系數，降低相應的發動機的油耗和有害物質排放量。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案為：

第一方面，本發明提供了一種改性碳基復合材料活塞的制備方法，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丙酮溶液的質量比為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。

需要說明的是，步驟S1的超聲是為了使石墨烯完全分離成單層結構；步驟S1中的分散均勻和步驟S2中的混合均勻都可以通過攪拌的方式實現，也可以通過其它方式，步驟S2的混合均勻優選為持續攪拌3～5h，是為了使石墨烯均勻地分散在酚醛樹脂丙酮溶液中，再進行先驅體浸漬裂解法處理；步驟S2中，將步驟S1得到的液體加入到酚醛樹脂丙酮溶液中，最好緩慢滴加，所述酚醛樹脂丙酮溶液中酚醛樹脂的質量分數優選為60％。本發明中在滿足活塞結構強度的基礎上應盡量減少活塞構件的厚度，以縮短預制體制備及致密化時間，降低制備成本；本發明制備得到的改性碳基復合材料活塞，其石墨化度可以達到大于或等于55％。

本發明中優先選用熱固性酚醛樹脂溶液，是考慮到其價格低廉，產碳率高，分解時熱變形小；所有的熱固性酚醛樹脂均可以用于本發明中，包括其相對分子質量優選在700～1000，如3201酚醛樹脂、2123酚醛樹脂等。

在本發明的進一步實施方式中，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。需要說明的是，此步驟中的浸漬裝置可以是浸漬罐，固化過程可以在固化罐中進行，裂解過程可以在炭化爐中進行；但是也可以運用別的裝置來進行上述過程，其也應該在本發明的保護范圍中；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，此浸漬過程溫度控制在40～50℃，是使樹脂具有較好的流動性，加壓浸漬，可以保證活塞預制體的孔隙被浸透，加壓可以是利用稀有氣體進行加壓。