CN106966750B - 一种石墨烯改性复合材料活塞及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯改性复合材料活塞及其制备方法与应用，制备方法包括：将石墨烯粉末加入乙醇丙酮混合溶液中，分散均匀，然后超声；将得到的溶液加入到酚醛树脂丙酮溶液中，混合均匀；首先采用先驱体浸渍裂解法在活塞预制体表面制备改性界面层；将得到的有石墨烯/C界面层的活塞预制体再通过先驱体浸渍裂解法进一步致密化，重复先驱体浸渍裂解法直到活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3；然后在2400～2600℃下进行2～3h石墨化处理，得到改性碳基复合材料活塞。本发明提供的改性碳基复合材料活塞，可以提高活塞抗热腐蚀性能、室温和高温抗拉强度，降低热膨胀系数，降低相应的发动机的油耗和有害物质排放量。

Description

一种石墨烯改性复合材料活塞及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及活塞材料及活塞设计加工技术领域，具体涉及一种石墨烯改性复合材料活塞及其制备方法与应用。
背景技术
活塞因其在高温、高压、腐蚀、摩擦、热负荷等条件下工作，因此成为内燃机中最关键的部件之一，其质量的好坏直接影响内燃机的使用性、可靠性及工作寿命。随着未来内燃机向大功率、中高速、小型化方向的不断发展，活塞的工作环境将变得更加恶劣，因此对活塞材料性能提出了更高的要求。而传统铸造、锻压工艺制备得到的活塞容易混入杂质相和气孔，产生缩松、成分及组织结构不均匀等缺陷，并且重量大，耐高温性能差，难以满足未来内燃机的发展需要。轻量化、高强度、抗疲劳、高的热稳定性及良好的导热性能等成为选择活塞材料的标准，并且出于节能环保的目的，新型活塞应具有高的工作效率，能有效降低热量损失，减少碳氢化合物及氮氧化合物废气的排放。
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石墨烯改性复合材料活塞及其制备方法与应用，以提高活塞抗热腐蚀性能、室温和高温下抗拉强度，降低热膨胀系数，降低相应的发动机的油耗和有害物质排放量。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种改性碳基复合材料活塞的制备方法，包括如下步骤：S1:将石墨烯粉末加入乙醇丙酮混合溶液中，使其分散均匀，然后超声30～60min；其中，所述石墨烯粉末与所述乙醇丙酮混合溶液的质量比为1:20～1:50，所述乙醇丙酮混合溶液中乙醇和丙酮的质量比为1:1～1:1.5；S2:将步骤S1得到的液体加入到酚醛树脂丙酮溶液中，混合均匀，得到石墨烯改性后的酚醛树脂溶液，所述石墨烯与酚醛树脂丙酮溶液的质量比为0.1～0.5:60；S3:以所述石墨烯改性后的酚醛树脂溶液为先驱体溶液，采用先驱体浸渍裂解法处理活塞预制体，重复所述先驱体浸渍裂解法直到石墨烯/C界面层的厚度为300～400nm；S4:以酚醛树脂丙酮溶液为先驱体溶液，将得到的具有石墨烯/C界面层的活塞预制体通过先驱体浸渍裂解法进一步致密化；S5:重复步骤S4直到致密化后活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3，或重复步骤S4直到致密化后活塞件密度达到1.1～1.2g/cm3，再用化学气相渗透法进一步致密化至活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3；S6:将得到的致密化后活塞件在2400～2600℃下进行2～3h石墨化处理，得到改性碳基复合材料活塞。
需要说明的是，步骤S1的超声是为了使石墨烯完全分离成单层结构；步骤S1中的分散均匀和步骤S2中的混合均匀都可以通过搅拌的方式实现，也可以通过其它方式，步骤S2的混合均匀优选为持续搅拌3～5h，是为了使石墨烯均匀地分散在酚醛树脂丙酮溶液中，再进行先驱体浸渍裂解法处理；步骤S2中，将步骤S1得到的液体加入到酚醛树脂丙酮溶液中，最好缓慢滴加，所述酚醛树脂丙酮溶液中酚醛树脂的质量分数优选为60％。本发明中在满足活塞结构强度的基础上应尽量减少活塞构件的厚度，以缩短预制体制备及致密化时间，降低制备成本；本发明制备得到的改性碳基复合材料活塞，其石墨化度可以达到大于或等于55％。
本发明中优先选用热固性酚醛树脂溶液，是考虑到其价格低廉，产碳率高，分解时热变形小；所有的热固性酚醛树脂均可以用于本发明中，包括其相对分子质量优选在700～1000，如3201酚醛树脂、2123酚醛树脂等。
在本发明的进一步实施方式中，所述步骤S3具体包括：将所述活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为10～20Pa，将所述石墨烯改性后的酚醛树脂溶液加入所述浸渍装置中，在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa；将浸渍后的活塞预制体在温度为150～160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2～3h，将所述固化后的材料在惰性气氛中于950～1050℃裂解1～2h；重复所述先驱体浸渍裂解法制备过程，直到石墨烯/C界面层的厚度为300～400nm。需要说明的是，此步骤中的浸渍装置可以是浸渍罐，固化过程可以在固化罐中进行，裂解过程可以在炭化炉中进行；但是也可以运用别的装置来进行上述过程，其也应该在本发明的保护范围中；在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa，此浸渍过程温度控制在40～50℃，是使树脂具有较好的流动性，加压浸渍，可以保证活塞预制体的孔隙被浸透，加压可以是利用稀有气体进行加压。
在本发明的进一步实施方式中，所述步骤S4具体包括：将所述有石墨烯/C界面层的活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为10～20Pa，将酚醛树脂质量分数为80％的酚醛树脂丙酮溶液加入所述浸渍装置中，在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa；将浸渍后的有石墨烯/C界面层的活塞预制体在温度为150～160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2～3h，将所述固化后的材料在惰性气氛中于950～1050℃裂解1～2h。需要说明的是，此步骤中的浸渍装置可以是浸渍罐，固化过程可以在固化罐中进行，裂解过程可以在炭化炉中进行，但是也可以运用别的装置来进行上述过程，其也应该在本发明的保护范围中；在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa，此浸渍过程温度控制在40～50℃，是使树脂具有较好的流动性，加压浸渍，可以保证活塞预制体的孔隙被浸透，加压可以是利用稀有气体进行加压。
在本发明的进一步实施方式中，所述步骤S5的化学气相渗透法具体为：以天然气和丙烷作为前驱体气体，其中天然气和丙烷的体积比为6:1，先以300℃/h的升温速率升温到1000℃，压力为2kPa，流量为90ml/min，功率为20kw，得到密度为1.73～1.78g/cm3的致密化后活塞件。
在本发明的进一步实施方式中，所述惰性气氛为氮气或氩气。
在本发明的进一步实施方式中，所述活塞预制体是用四步法三维编织而成，其中纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。其中可以根据活塞的结构及尺寸，对活塞预制体进行模型分析和优化设计，然后再用四步法三维编织活塞预制体。
在本发明的进一步实施方式中，在所述步骤S6后，还包括步骤：在真空条件下，在所述改性碳基复合材料活塞的顶部表面制备陶瓷涂层，所述陶瓷涂层成分为Al2O3、ZrO2、3Al2O3-2SiO2和SiC中的一种或几种，所述陶瓷涂层的厚度为100～150μm。
在本发明的进一步实施方式中，在所述步骤S6后，还包括步骤：将所述改性碳基复合材料活塞进行精密尺寸调控加工，在活塞顶部加工气门避让坑、燃烧室，和/或在头部加工环槽，和/或在裙部加工销孔、收缩窗、卡簧槽，和/或对活塞的内腔结构进行修饰。改性碳基复合材料活塞的精密尺寸调控加工可根据不同内燃机的工作要求进行。
本发明采用三维编织结合先驱体浸渍裂解法和/或化学气相渗透法，通过石墨烯改性界面层，制备得到的改性碳基复合材料活塞成分及组织结构均匀，弯曲强度提高了27.5％以上，纤维束与基体界面剪切强度提高了20％以上，热导率提高了15％以上。采用石墨烯改性碳基复合材料制备活塞，可以提高活塞抗热腐蚀性能、室温和高温抗拉强度，降低热膨胀系数，提高高温工作环境下散热能力，降低相应的发动机的油耗和有害物质排放量。
第二方面，本发明提供了根据上述制备方法制备得到的改性碳基复合材料活塞。
本发明提供的石墨烯改性碳基复合材料相比于传统内燃机活塞材料，如铸铁、铸钢、铝合金等，具有更低的热膨胀系数，能够显著降低气缸设计的间隙，提高气缸的气密性，从而提高燃料的燃烧效率，提高有效功率的输出。在活塞的顶部制备抗氧化抗腐蚀涂层，活塞的使用温度显著提高，可在1300～1400℃的恶劣环境下工作。再者C/C复合材料密度低，能有效减轻活塞的重量，以保障最小的惯性力，因此对于降低噪音，减少油耗同样具有积极的意义。
第三方面，本发明提供了改性碳基复合材料活塞在制备内燃机中的应用。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的改性碳基复合材料活塞的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。
以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
本发明提供一种改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:将石墨烯粉末加入乙醇丙酮混合溶液中，使其分散均匀，然后超声30～60min；其中，石墨烯粉末与乙醇丙酮混合溶液的质量比为1:20～1:50，乙醇丙酮混合溶液中乙醇和丙酮的质量比为1:1～1:1.5。
S2:将步骤S1得到的液体加入到酚醛树脂丙酮溶液中，混合均匀，得到石墨烯改性后的酚醛树脂溶液，石墨烯与酚醛树脂的质量比为0.1～0.5:60。
S3:以石墨烯改性后的酚醛树脂溶液为先驱体溶液，采用先驱体浸渍裂解法处理活塞预制体，具体为将活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为10～20Pa，将石墨烯改性后的酚醛树脂溶液加入浸渍装置中，在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa；将浸渍后的活塞预制体在温度为150～160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2～3h，将固化后的材料在氮气或氩气气氛中于950～1050℃裂解1～2h；重复运用先驱体浸渍裂解法处理活塞预制体，直到石墨烯/C界面层的厚度为300～400nm；其中活塞预制体是用四步法三维编织而成，其中纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
S4:以酚醛树脂丙酮溶液为先驱体溶液，将得到的具有石墨烯/C界面层的活塞预制体通过先驱体浸渍裂解法进一步致密化，具体为将有石墨烯/C界面层的活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为10～20Pa，将酚醛树脂质量分数为80％的酚醛树脂丙酮溶液加入浸渍装置中，在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa；将浸渍后的有石墨烯/C界面层的活塞预制体在温度为150～160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2～3h，将固化后的材料在氮气或氩气气氛中于950～1050℃裂解1～2h。
S5:重复步骤S4直到致密化后活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3；或重复步骤S4直到活塞件密度达到1.1～1.2g/cm3，再用化学气相渗透法进一步致密化至活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3，化学气相渗透法具体为：以天然气和丙烷作为前驱体气体，其中天然气和丙烷的体积比为6:1，先以300℃/h的升温速率升温到1000℃，压力为2kPa，流量为90ml/min，功率为20kw。
S6:将得到的致密化后活塞件在2400～2600℃下进行2～3h石墨化处理，得到改性碳基复合材料活塞。
S7:将改性碳基复合材料活塞进行精密尺寸调控加工，在活塞顶部加工气门避让坑、燃烧室，和/或在头部加工环槽，和/或在裙部加工销孔、收缩窗、卡簧槽，和/或对活塞的内腔结构进行修饰。
S8:在真空条件下，在改性碳基复合材料活塞的顶部表面制备陶瓷涂层，陶瓷涂层成分为Al2O3、ZrO2、3Al2O3-2SiO2和SiC中的一种或几种，陶瓷涂层的厚度为100～150μm。
图1为本发明实施例中的改性碳基复合材料活塞的制备方法的流程示意图。
下面结合具体实施例对本发明提供的改性碳基复合材料活塞的制备方法作进一步说明。
实施例一
将3g石墨烯粉末加入105g乙醇丙酮混合溶液中，乙醇丙酮混合溶液中乙醇和丙酮的质量比为1:1，搅拌分散均匀，然后超声40min，使石墨片层完全分离成单层结构。在室温搅拌下将得到的石墨烯溶液缓慢滴加到含有600g2123酚醛树脂的1000g酚醛树脂丙酮溶液中，并持续搅拌3h混合均匀，使石墨烯均匀地分散在酚醛树脂丙酮溶液中。
根据活塞的结构及尺寸，对活塞预制体进行模型分析和优化设计，采用聚丙烯腈基碳纤维以三维编织工艺制备出活塞预制体，将活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为15Pa，将石墨烯改性后的酚醛树脂溶液加入浸渍装置中，在温度45℃下，首先在真空环境下浸渍30min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至4MPa；将浸渍后的活塞预制体在温度为155℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2h，将固化后的材料在氮气或氩气气氛中于1000℃裂解1h；重复运用先驱体浸渍裂解法处理活塞预制体，直到石墨烯/C界面层的厚度为350nm。
将得到的有石墨烯/C界面层的活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为15Pa，将酚醛树脂质量分数为80％的酚醛树脂丙酮溶液加入浸渍装置中，并使酚醛树脂丙酮溶液完全浸没活塞预制体，在温度45℃下，首先在真空环境下浸渍30min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至4MPa；将浸渍后的有石墨烯/C界面层的活塞预制体在温度为155℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2h，将固化后的材料在氮气或氩气气氛中于1000℃裂解1h，重复上述先驱体浸渍裂解法直到致密化后活塞件密度达到1.1g/cm3。用化学气相渗透法进一步致密化，以天然气和丙烷作为前驱体气体，其中天然气和丙烷的体积比为6:1，先以300℃/h的升温速率升温到1000℃，压力为2kPa，流量为90ml/min，功率为20kw，得到的活塞件密度达到1.76g/cm3。将得到的致密化后活塞件在2600℃下进行2h石墨化处理，得到改性碳基复合材料活塞，经石墨烯改性后的C/C复合材料石墨化度达到58％。
将改性碳基复合材料活塞进行精密尺寸调控加工，在活塞顶部加工气门避让坑、燃烧室，在头部加工环槽，在裙部加工销孔、收缩窗、卡簧槽，对活塞的内腔结构进行修饰。然后在真空条件下，在改性碳基复合材料活塞的顶部表面制备陶瓷涂层，陶瓷涂层成分为ZrO2，陶瓷涂层的厚度为120μm。
实施例二
将3g石墨烯粉末加入105g乙醇丙酮混合溶液中，乙醇丙酮混合溶液中乙醇和丙酮的质量比为1:1.2，搅拌分散均匀，然后超声30min，使石墨片层完全分离成单层结构。在室温搅拌下将得到的石墨烯溶液缓慢滴加到含有600g2123酚醛树脂的1000g酚醛树脂丙酮溶液中，并持续搅拌5h混合均匀，使石墨烯均匀地分散在酚醛树脂丙酮溶液中。
根据活塞的结构及尺寸，对活塞预制体进行模型分析和优化设计，采用聚丙烯腈基碳纤维以三维编织工艺制备出活塞预制体，将活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为15Pa，将石墨烯改性后的酚醛树脂溶液加入浸渍装置中，在温度45℃下，首先在真空环境下浸渍30min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至4MPa；将浸渍后的活塞预制体在温度为160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2h，将固化后的材料在氮气或氩气气氛中于1000℃裂解1h；重复运用先驱体浸渍裂解法处理活塞预制体，直到石墨烯/C界面层的厚度为300nm。
将得到的有石墨烯/C界面层的活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为15Pa，将酚醛树脂质量分数为80％的酚醛树脂丙酮溶液加入浸渍装置中，并使酚醛树脂丙酮溶液完全浸没活塞预制体，在温度45℃下，首先在真空环境下浸渍30min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至4MPa；将浸渍后的有石墨烯/C界面层的活塞预制体在温度为160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2h，将固化后的材料在氮气或氩气气氛中于1000℃裂解1h，重复上述先驱体浸渍裂解法直到致密化后活塞件密度达到1.74g/cm3。将得到的致密化后活塞件在2600℃下进行2h石墨化处理，得到改性碳基复合材料活塞，经石墨烯改性后的C/C复合材料石墨化度达到55％。
将改性碳基复合材料活塞进行精密尺寸调控加工，在活塞顶部加工气门避让坑、燃烧室，在头部加工环槽，在裙部加工销孔、收缩窗、卡簧槽，对活塞的内腔结构进行修饰。然后在真空条件下，在改性碳基复合材料活塞的顶部表面制备陶瓷涂层，陶瓷涂层成分为3Al2O3-2SiO2，陶瓷涂层的厚度为150μm。
将实施例一至实施例二制备得到的改性碳基复合材料活塞和现有技术中的ZL109国内共晶型铝合金活塞分别进行性能测定，具体如下。
测试方法：活塞的耐久性能通过在地面试验发动机上装机测试；力学性能及热膨胀系数的测定通过分解测试前后的活塞件进行。
测试结果：实施例一至实施例二制备得到的改性碳基复合材料活塞和现有技术中的ZL109国内共晶型铝合金活塞的性能测定如下：
1、耐久性性能
实施例一至实施例二制备得到的改性碳基复合材料活塞进行600h的耐久性测试后，活塞顶部保持完好的形貌，说明活塞具有良好的抗热腐蚀性能及抗磨损性能；而ZL109国内共晶型铝合金活塞顶部出现明显的磨损，并且裙部出现稍微变形。
2、其他性能
包括抗拉强度、热膨胀系数性能和机械效率测试中发动机油耗、有害物质排放量等，具体测试结果如下表1所示。
表1不同活塞的性能比较
实施例一制备得到的改性碳基复合材料活塞，与ZL109国内共晶型铝合金活塞相比，室温抗拉强度提高44％，300℃高温抗拉强度提高达到295％，而热膨胀系数仅为ZL109国内共晶型铝合金活塞的1/16。对其机械效率测试预期发动机油耗可以降低20％，有害物质排放量可以降低30％；实施例二制备得到的改性碳基复合材料活塞，与ZL109国内共晶型铝合金活塞相比，室温抗拉强度提高42％，300℃高温抗拉强度提高达到286％，而热膨胀系数仅为ZL109国内共晶型铝合金活塞的1/16。对其机械效率测试预期发动机油耗可以降低20％，有害物质排放量可以降低25％。
需要说明的是，除了上述实施例一至实施例二列举的情况，选用其他的制备方法参数进行制备改性碳基复合材料活塞也是可行的。
本发明采用三维编织结合先驱体浸渍裂解法和/或化学气相渗透法，通过石墨烯改性界面层，制备得到的改性碳基复合材料活塞成分及组织结构均匀，弯曲强度提高了27.5％以上，纤维束与基体界面剪切强度提高了20％以上，热导率提高了15％以上。采用石墨烯改性碳基复合材料制备活塞，可以提高活塞抗热腐蚀性能、室温和高温抗拉强度，降低热膨胀系数，提高高温工作环境下散热能力，降低相应的发动机的油耗和有害物质排放量。
本发明提供的石墨烯改性碳基复合材料相比于传统内燃机活塞材料，如铸铁、铸钢、铝合金等，具有更低的热膨胀系数，能够显著降低气缸设计的间隙，提高气缸的气密性，从而提高燃料的燃烧效率，提高有效功率的输出。在活塞的顶部制备抗氧化抗腐蚀涂层，活塞的使用温度显著提高，可在1300～1400℃的恶劣环境下工作。再者C/C复合材料密度低，能有效减轻活塞的重量，以保障最小的惯性力，因此对于降低噪音，减少油耗同样具有积极的意义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，而并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:将石墨烯粉末加入乙醇丙酮混合溶液中，使其分散均匀，然后超声30～60min；其中，所述石墨烯粉末与所述乙醇丙酮混合溶液的质量比为1:20～1:50，所述乙醇丙酮混合溶液中乙醇和丙酮的质量比为1:1～1:1.5；
S2:将步骤S1得到的液体加入到酚醛树脂丙酮溶液中，混合均匀，得到石墨烯改性后的酚醛树脂溶液，所述石墨烯与酚醛树脂的质量比为0.1～0.5:60；
S3:以所述石墨烯改性后的酚醛树脂溶液为先驱体溶液，采用先驱体浸渍裂解法处理活塞预制体，重复所述先驱体浸渍裂解法直到石墨烯/C界面层的厚度为300～400nm；
S4:以酚醛树脂丙酮溶液为先驱体溶液，将得到的具有石墨烯/C界面层的活塞预制体通过先驱体浸渍裂解法进一步致密化；
S5:重复步骤S4直到致密化后活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3；或重复步骤S4直到致密化后活塞件密度达到1.1～1.2g/cm3，再用化学气相渗透法进一步致密化至活塞件密度达到1.73～1.78g/cm3；
S6:将得到的致密化后活塞件在2400～2600℃下进行2～3h石墨化处理，得到改性碳基复合材料活塞。
2.根据权利要求1所述的改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：将所述活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为10～20Pa，将所述石墨烯改性后的酚醛树脂溶液加入所述浸渍装置中，在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa；将浸渍后的活塞预制体在温度为150～160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2～3h，将所述固化后的材料在惰性气氛中于950～1050℃裂解1～2h；重复所述先驱体浸渍裂解法制备过程，直到石墨烯/C界面层的厚度为300～400nm。
3.根据权利要求1所述的改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：将所述有石墨烯/C界面层的活塞预制体置于浸渍装置中，抽真空，至真空度为10～20Pa，将酚醛树脂质量分数为80％的酚醛树脂丙酮溶液加入所述浸渍装置中，在温度40～50℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以2MPa/h的升压速率增加压力至3～5MPa；将浸渍后的有石墨烯/C界面层的活塞预制体在温度为150～160℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为2～3h，将所述固化后的材料在惰性气氛中于950～1050℃裂解1～2h。
4.根据权利要求1所述的改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤S5的化学气相渗透法具体为：以天然气和丙烷作为前驱体气体，其中天然气和丙烷的体积比为6:1，先以300℃/h的升温速率升温到1000℃，压力为2kPa，流量为90ml/min，功率为20kw，得到密度为1.73～1.78g/cm3的致密化后活塞件。
5.根据权利要求2所述的改性碳基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。
6.根据权利要求1所述的改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述活塞预制体是用四步法三维编织而成，其中纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维。
7.根据权利要求1所述的改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于，在所述步骤S6后，还包括步骤：在真空条件下，在所述改性碳基复合材料活塞的顶部表面制备陶瓷涂层，所述陶瓷涂层成分为Al2O3、ZrO2、3Al2O3-2SiO2和SiC中的一种或几种，所述陶瓷涂层的厚度为100～150μm。
8.根据权利要求1所述的改性碳基复合材料活塞的制备方法，其特征在于，在所述步骤S6后，还包括步骤：将所述改性碳基复合材料活塞进行精密尺寸调控加工，在活塞顶部加工气门避让坑、燃烧室，和/或在头部加工环槽，和/或在裙部加工销孔、收缩窗、卡簧槽，和/或对活塞的内腔结构进行修饰。
9.权利要求1～8任一项所述的方法制备得到的改性碳基复合材料活塞。
10.权利要求9所述的改性碳基复合材料活塞在制备内燃机中的应用。
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