[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

说明书

技术领域

本发明涉及活塞材料及活塞设计加工技术领域，具体涉及一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用。

背景技术

活塞是发动机的关键部件，在工作过程中不仅要承受燃气产生的热负荷，还要承受往复惯性力、摩擦力等机械负荷，因此对材料性能的要求很高。为了满足发动机向大功率、轻量化、低能耗、低排放等方向的发展，要求活塞材料具有足够的高温强度和热稳定性，能承受高温高压的工作环境；密度小，重量轻，以保障最小的惯性力；良好的导热性能，有充分的散热能力，受热面积小；较低的热膨胀系数，温度变化时，尺寸形状变化小，工作过程中活塞与气缸间保持良好的间距，降低噪音；较小的摩擦系数，良好的耐腐蚀性能，以满足活塞长时间高效率的工作。

传统的活塞材料主要采用铸铁、铸钢、铝合金等，铸铁质量大，比强度低，韧性差，主要用于生产大、中缸径的低、中速发动机活塞；铸钢活塞密度大，成本高，对缸套磨损严重；而使用最广泛的铝合金活塞其热膨胀系数较大、高温力学性能、耐磨性能都相对较低。现阶段，关于传统活塞生产技术已经相当成熟，然而材料本身的缺陷使传统活塞的性能已发挥到极致，难以得到较大的提升；再者国家对于环境保护越来越重视，传统活塞废气排放、效率低下等问题制约了其发展。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用，以降低活塞质量和热膨胀系数，提高活塞的机械强度，有效降低热量损失，减少噪音和碳氢化合物及氮氧化合物废气的排放，实现节能环保。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种复合材料活塞的制备方法，包括如下步骤：S1:采用碳纤维或聚丙烯腈基预氧丝制备得到活塞预制体；S2:利用化学气相渗透法和/或先驱体浸渍裂解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。需要说明的是，所述步骤S1中的碳纤维优选为T700碳纤维。所述步骤S2中，在所述初步致密化之后和所述进一步致密化之前，优选将得到的产品先进行初步机械加工，然后再利用化学气相渗透法进一步致密化处理，初步机械加工主要是对活塞预制体进行机械切割，去除多余部分，留下完整的活塞坯体结构，根据活塞的尺寸及工作环境，机械加工的内容可以有所不同，在满足活塞尺寸及强度性能要求的条件下，尽量减少活塞的多余尺寸，可以降低活塞的重量并加快活塞坯体结构致密化的进程，同时可以节约后续致密化处理的时间和原料成本。

在本发明的进一步实施方式中，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。

在本发明的进一步实施方式中，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，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；