[發明專利]一種多元碳與陶瓷基復合材料活塞及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201611035525.4
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106977218B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 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: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/83;C04B35/571;C04B41/87;F16J1/00
• 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，具體涉及一種多元碳與陶瓷基復合材料活塞及其制備方法與應用。

背景技術

活塞是發動機的關鍵部件，在工作過程中不僅要承受燃氣產生的熱負荷，還要承受往復慣性力、摩擦力等機械負荷，因此對材料性能的要求很高。為了滿足發動機向大功率、輕量化、低能耗、低排放等方向的發展，要求活塞材料具有足夠的高溫強度和熱穩定性，能承受高溫高壓的工作環境；密度小，重量輕，以保障最小的慣性力；良好的導熱性能，有充分的散熱能力，受熱面積小；較低的熱膨脹系數，溫度變化時，尺寸形狀變化小，工作過程中活塞與氣缸間保持良好的間距，降低噪音；較小的摩擦系數，良好的耐腐蝕性能，以滿足活塞長時間高效率的工作。

傳統的活塞材料主要采用鑄鐵、鑄鋼、鋁合金等，鑄鐵質量大，比強度低，韌性差，主要用于生產大、中缸徑的低、中速發動機活塞；鑄鋼活塞密度大，成本高，對缸套磨損嚴重；而使用最廣泛的鋁合金活塞其熱膨脹系數較大、高溫力學性能、耐磨性能都相對較低。現階段，關于傳統活塞生產技術已經相當成熟，然而材料本身的缺陷使傳統活塞的性能已發揮到極致，難以得到較大的提升；再者國家對于環境保護越來越重視，傳統活塞廢氣排放、效率低下等問題制約了其發展。

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多元碳與陶瓷基復合材料活塞及其制備方法與應用，以降低活塞質量和熱膨脹系數，提高活塞的機械強度，有效降低熱量損失，減少噪音和碳氫化合物及氮氧化合物廢氣的排放，實現節能環保。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案為：

第一方面，本發明提供了一種復合材料活塞的制備方法，包括如下步驟：S1:采用碳纖維或聚丙烯腈基預氧絲制備得到活塞預制體；S2:利用化學氣相滲透法和/或先驅體浸漬裂解法對所述活塞預制體進行初步致密化處理，將得到的產品利用化學氣相滲透法進一步致密化處理，得到密度為1.74～2.0g/cm³的復合材料活塞；S3:將所述步驟S2得到的復合材料活塞機械加工成最終的尺寸設計，即得復合材料活塞成品。需要說明的是，所述步驟S1中的碳纖維優選為T700碳纖維。所述步驟S2中，在所述初步致密化之后和所述進一步致密化之前，優選將得到的產品先進行初步機械加工，然后再利用化學氣相滲透法進一步致密化處理，初步機械加工主要是對活塞預制體進行機械切割，去除多余部分，留下完整的活塞坯體結構，根據活塞的尺寸及工作環境，機械加工的內容可以有所不同，在滿足活塞尺寸及強度性能要求的條件下，盡量減少活塞的多余尺寸，可以降低活塞的重量并加快活塞坯體結構致密化的進程，同時可以節約后續致密化處理的時間和原料成本。

在本發明的進一步實施方式中，步驟S2具體為：以天然氣和氫氣為反應氣，將所述活塞預制體通過化學氣相滲透法制備得到具有致密化界面層的活塞預制體；以聚碳硅烷二甲苯溶液為先驅體溶液，將所述具有致密化界面層的活塞預制體通過先驅體浸漬裂解法致密化，重復所述先驅體浸漬裂解法直至復合材料活塞的密度達到1.1～1.2g/cm³；以三氯甲基硅烷為反應氣，將所述密度為1.1～1.2g/cm³的復合材料活塞通過化學氣相滲透法進一步致密化。

在本發明的進一步實施方式中，步驟S2具體為：

利用化學氣相滲透法在所述活塞預制體表面沉積界面相，包括以天然氣和氫氣為反應氣，所述天然氣和所述氫氣的流量比為2:1～3:1，天然氣流量為0.6m³/h、壓力為2kPa、功率為20kw，以300℃/h的升溫速率升溫到1000～1100℃并保溫20～30h，得到具有致密化界面層的活塞預制體；

將得到的具有致密化界面層的活塞預制體通過先驅體浸漬裂解法致密化，包括在20～30℃將聚碳硅烷溶解于二甲苯中6～12h，得到聚碳硅烷二甲苯溶液，所述聚碳硅烷和所述二甲苯的質量比為1:3，將所述得到的具有致密化界面層的活塞預制體置于浸漬裝置中，加入所述聚碳硅烷二甲苯溶液，在50～60℃下，先真空浸漬30～40min，然后充入惰性氣氛以4MPa/h的升壓速率增加壓力至4～5MPa，加壓浸漬2～3h；將浸漬后的活塞預制體在120～130℃、壓力為1MPa下進行固化，固化時間為4～5h，將所述固化后產品在惰性氣氛中高溫裂解，以300℃/h的升溫速率升溫至1100℃，恒溫裂解2～3h，重復所述先驅體浸漬裂解法，直至復合材料活塞的密度達到1.1～1.2g/cm³；