[发明专利]一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种复合材料活塞的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:采用聚丙烯腈基预氧丝通过三维针刺或四步法三维编织法制备得到活塞预制体；

S2:利用化学气相渗透法和先驱体浸渍裂解法的配合方法，或化学气相渗透法，对所述活塞预制体进行初步致密化处理，将得到的产品利用化学气相渗透法进一步致密化处理，得到密度为1.74～2.0g/cm³的复合材料活塞；

S3:将所述步骤S2得到的复合材料活塞机械加工成最终的尺寸设计，即得复合材料活塞成品。

2.根据权利要求1所述的复合材料活塞的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：以天然气和氢气为反应气，将所述活塞预制体通过化学气相渗透法制备得到具有致密化界面层的活塞预制体；以聚碳硅烷二甲苯溶液为先驱体溶液，将所述具有致密化界面层的活塞预制体通过先驱体浸渍裂解法致密化，重复所述先驱体浸渍裂解法直至复合材料活塞的密度达到1.1～1.2g/cm³；以三氯甲基硅烷为反应气，将所述密度为1.1～1.2g/cm³的复合材料活塞通过化学气相渗透法进一步致密化。

3.根据权利要求2所述的复合材料活塞的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：

利用化学气相渗透法在所述活塞预制体表面沉积界面相，包括以天然气和氢气为反应气，所述天然气和所述氢气的流量比为2:1～3:1，所述天然气流量为0.6m³/h、压力为2kPa、功率为20kw，以300℃/h的升温速率升温到1000～1100℃并保温20～30h，得到具有致密化界面层的活塞预制体；

将得到的具有致密化界面层的活塞预制体通过先驱体浸渍裂解法致密化，包括在20～30℃将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质量比为1:3，将所述得到的具有致密化界面层的活塞预制体置于浸渍装置中，加入所述聚碳硅烷二甲苯溶液，在50～60℃下，先真空浸渍30～40min，然后充入惰性气氛以4MPa/h的升压速率增加压力至4～5MPa，加压浸渍2～3h；将浸渍后的活塞预制体在120～130℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为4～5h，将所述固化后产品在惰性气氛中高温裂解，以300℃/h的升温速率升温至1100℃，恒温裂解2～3h，重复所述先驱体浸渍裂解法，直至复合材料活塞的密度达到1.1～1.2g/cm³；

将得到的密度为1.1～1.2g/cm³的复合材料活塞利用化学气相渗透法进一步致密化处理，包括以三氯甲基硅烷为反应气，氢气为载气，氩气为稀释气，沉积温度为800～1000℃，所述三氯甲基硅烷和所述氩气的体积比为4:1～5:1，压强为4MPa，沉积时间为70～100h。

4.根据权利要求3所述的复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述惰性气氛为氮气或氩气。

5.根据权利要求1所述的复合材料活塞的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：

利用化学气相渗透法对所述活塞预制体初步致密化，包括以天然气和丙烷为反应气，以氢气作为载气，所述天然气和所述丙烷的流量比为6:1，渗积压力为8kPa，温度为1000～1100℃，渗积时间为50～60h；

将所述初步致密化得到的产品用化学气相渗透法进一步致密化，包括以天然气和丙烷为反应气，以氢气作为载气，所述天然气和所述丙烷的流量比为6:1，渗积压力为8kPa，温度为1000～1100℃，渗积时间为50～60h。

6.根据权利要求1所述的复合材料活塞的制备方法，其特征在于：在所述步骤S3后，还包括步骤S4：在真空条件下，在所述复合材料活塞成品的顶部表面制备陶瓷涂层，所述陶瓷涂层成分为SiC-HfB₂、SiC-ZrB₂、Al₂O₃、ZrO₂、3Al₂O₃-2SiO₂和SiC中的一种或几种，所述陶瓷涂层的厚度为70～120μm。

7.根据权利要求1所述的复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述活塞预制体的初始密度为0.45～0.6g/cm³。