CN106977218A - 一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用 - Google Patents

一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN106977218A
CN106977218A CN201611035525.4A CN201611035525A CN106977218A CN 106977218 A CN106977218 A CN 106977218A CN 201611035525 A CN201611035525 A CN 201611035525A CN 106977218 A CN106977218 A CN 106977218A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piston
composite material
precast body
gas
densification
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201611035525.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106977218B (zh
Inventor
罗瑞盈
龙文彪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201611035525.4A priority Critical patent/CN106977218B/zh
Publication of CN106977218A publication Critical patent/CN106977218A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106977218B publication Critical patent/CN106977218B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C04B35/806—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C04B35/571—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained from Si-containing polymer precursors or organosilicon monomers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5025—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials with ceramic materials
    • C04B41/5042—Zirconium oxides or zirconates; Hafnium oxides or hafnates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/87—Ceramics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/001—One-piece pistons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • C04B2235/483—Si-containing organic compounds, e.g. silicone resins, (poly)silanes, (poly)siloxanes or (poly)silazanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248—Carbon, e.g. graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/614—Gas infiltration of green bodies or pre-forms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/616—Liquid infiltration of green bodies or pre-forms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

本发明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，制备方法包括：采用碳纤维或聚丙烯腈基预氧丝制备得到活塞预制体；利用化学气相渗透法和/或先驱体浸渍裂解法对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；将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。本发明提供的复合材料活塞，可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。

Description

一种多元碳与陶瓷基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；
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。
需要说明的是，在步骤S2中，先在活塞预制体表面沉积界面相，可以降低界面结合强度，使活塞具有更好的强韧性；步骤S2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50～60℃下，首先在真空环境下浸渍30～40min，然后以4MPa/h的升压速率增加压力至4～5MPa，此浸渍过程温度控制在50～60℃，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。
利用上述步骤S2的方法制备得到的活塞为碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)活塞，其密度为1.95～2.0g/cm3。
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，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。需要说明的是，利用上述步骤S2的方法制备得到的活塞为碳/碳复合材料(C/C)活塞，其密度为1.74～1.75g/cm3。
在本发明的进一步实施方式中，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。需要说明的是，活塞顶是燃烧室的组成部分，在表面喷涂抗氧化、抗腐蚀涂层，可提高其抗热腐蚀性能。
在本发明的进一步实施方式中，所述活塞预制体的初始密度为0.45～0.6g/cm3，所述活塞预制体是用三维针刺或四步法三维编织而成。活塞预制体的尺寸可以根据发动机活塞的尺寸需求而设计。
在本发明的进一步实施方式中，所述机械加工包括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，得到复合材料活塞成品。需要说明的是，机械加工可以根据具体工作参数对各部件进行精确的机械加工。
本发明采用先驱体浸渍裂解法和/或化学气相渗透法，经过初步致密化、完全致密化和机械加工等过程制备得到复合材料活塞，可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。
第二方面，本发明提供了根据上述制备方法制备得到的复合材料活塞。
第三方面，本发明提供了上述复合材料活塞在制备发动机中的应用。
本发明制备得到的复合材料活塞，相比于铸铁、铸钢、铝合金等传统活塞，具有一系列优异的性能优点：(1)密度低，比重小，可有效降低活塞和发动机的重量，减小往复惯性力、侧向压力等机械负荷；(2)高温机械强度大，在高温高压的环境下依然能保持良好的强度和韧性；(3)热膨胀系数较小，受热过程中活塞保持良好的尺寸稳定性，避免扭曲变形，减小热应力不均现象，降低活塞表面与缸体的摩擦磨损；(4)提高发动机的工作效率，减少热量损失；(5)降低发动机工作过程中的噪音，减少碳氢化合物、氮氧化合物等废气的排放，实现环保可持续的发展。
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复合材料活塞的制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中的初始活塞预制体的结构示意图。
图3为本发明实施例中的复合材料活塞成品的结构示意图。
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，均为自常规生化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；活塞预制体的初始密度为0.45～0.6g/cm3，活塞预制体是用三维针刺或四步法三维编织而成。
S2:利用化学气相渗透法和/或先驱体浸渍裂解法对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；
步骤S2具体为：利用化学气相渗透法在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，天然气和氢气的流量比为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进行先驱体浸渍裂解法处理，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，聚碳硅烷和二甲苯的质量比为1:3，将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，将固化后的材料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，重复先驱体浸渍裂解法，直至活塞预制体的密度达到1.1～1.2g/cm3；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℃，三氯甲基硅烷和氩气的体积比为4:1～5:1，压强为4MPa，沉积时间为70～100h。优选得到密度为1.95～2.0g/cm3的复合材料活塞。
或步骤S2具体为：利用化学气相渗透法对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，天然气和丙烷的流量比为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，天然气和丙烷的流量比为6:1，渗积压力为8kPa，温度为1000～1100℃，渗积时间为50～60h。
S3:将步骤S2得到的复合材料活塞机械加工成最终的尺寸设计，即复合材料活塞成品；机械加工包括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，得到复合材料活塞成品。
S4：在真空条件下，在复合材料活塞成品的顶部表面制备陶瓷涂层，陶瓷涂层成分为SiC-HfB2、SiC-ZrB2、Al2O3、ZrO2、3Al2O3-2SiO2和SiC中的一种或几种，陶瓷涂层的厚度为70～120μm。
图1为本发明实施例中的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复合材料活塞的制备方法作进一步说明。
实施例一
选用进口T700碳纤维用三维针刺法制备得到初始密度为0.45g/cm3的活塞预制体，预制体的尺寸为活塞预制体的结构如图2所示。用化学气相渗透法在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，其中天然气和氢气的流量比为2:1，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1070℃并保温25h，经致密化后界面层厚度达到400nm；然后将得到的材料进行先驱体浸渍裂解法处理，包括在25℃将聚碳硅烷溶解于二甲苯中6h，得到聚碳硅烷二甲苯溶液，聚碳硅烷和二甲苯的质量比为1:3，将得到的材料置于浸渍装置中，加入聚碳硅烷二甲苯溶液，在55℃下，先真空浸渍30min，然后充入氮气以4MPa/h的升压速率增加压力至4.5MPa，加压浸渍3.5h；将浸渍后的活塞预制体在125℃、压力为1MPa下进行固化，固化时间为4h，将固化后的材料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2.5h，重复先驱体浸渍裂解法，直至活塞预制体的密度达到1.1g/cm3；将得到的产品进行初步机械加工，成为活塞胚体结构；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900℃，其中三氯甲基硅烷和氩气的体积比为4:1，压强为4MPa，沉积时间为100h，得到密度为2.0g/cm3的复合材料活塞。将得到的复合材料活塞二次机械加工成最终的尺寸设计，机械加工是根据需要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，得到复合材料活塞成品，结构如图3所示。在真空条件下，在复合材料活塞成品的顶部表面制备陶瓷涂层，陶瓷涂层成分为ZrO2和3Al2O3-2SiO2，陶瓷涂层的厚度为100μm。
实施例二
选用国产聚丙烯腈基预氧丝，用四步法三维编织制备得到初始密度为0.6g/cm3的活塞预制体，预制体的尺寸为活塞预制体的结构如图2所示。用化学气相渗透法对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，其中天然气和丙烷的流量比为6:1，渗积压力为8kPa，温度为1100℃，渗积时间为60h，得到密度为1.2g/cm3的复合材料活塞，将初步致密化得到的产品进行初步机械加工，成为活塞胚体结构；将活塞胚体结构用化学气相渗透法完全致密化，包括以天然气和丙烷为反应气，以氢气作为载气，其中天然气和丙烷的流量比为6:1，渗积压力为8kPa，温度为1075℃，渗积时间为60h，得到密度为1.75g/cm3的复合材料活塞。将得到的复合材料活塞二次机械加工成最终的尺寸设计，二次机械加工是根据需要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，得到复合材料活塞成品，结构如图3所示。在真空条件下，在复合材料活塞的顶部表面制备陶瓷涂层，陶瓷涂层成分为SiC-HfB2和SiC-ZrB2，陶瓷涂层的厚度为120μm。
将实施例一至实施例二制备得到的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相关性能测定，具体如下。
测试方法：活塞的耐久性能在试验发动机上进行；力学性能及物理性能的测试通过活塞分解后的小试样件进行。
测试结果：实施例一至实施例二制备得到的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复合材料活塞进行500h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、NOx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
与ZL109国内共晶型铝合金活塞相比，实施例一制备得到的复合材料活塞发动机油耗降低20％，NOx排放量降低26％；实施例二制备得到的复合材料活塞发动机油耗降低25％，NOx排放量降低30％。本发明制备得到的复合材料活塞相比于传统铝合金活塞具有更低的重量，更好的尺寸稳定性和机械强度，避免了受力过程中的扭曲变形，满足高性能发动机对活塞的要求。
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也是可行的。
本发明采用采用先驱体浸渍裂解法和/或化学气相渗透法，经过初步致密化、机械加工和完全致密化等过程制备得到复合材料活塞，可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。
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。
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，所述活塞预制体是用三维针刺或四步法三维编织而成。
8.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：所述机械加工包括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，得到复合材料活塞成品。
9.权利要求1～8任一项所述的方法制备得到的复合材料活塞。
10.权利要求9所述的复合材料活塞在制备发动机中的应用。
CN201611035525.4A 2016-11-18 2016-11-18 一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用 Active CN106977218B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611035525.4A CN106977218B (zh) 2016-11-18 2016-11-18 一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611035525.4A CN106977218B (zh) 2016-11-18 2016-11-18 一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106977218A true CN106977218A (zh) 2017-07-25
CN106977218B CN106977218B (zh) 2018-04-06

Family

ID=59340837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611035525.4A Active CN106977218B (zh) 2016-11-18 2016-11-18 一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106977218B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3885328A1 (en) * 2020-03-27 2021-09-29 Hamilton Sundstrand Corporation Carbon component with controlled vibration resistance
CN113831138A (zh) * 2021-09-29 2021-12-24 湖北瑞宇空天高新技术有限公司 发动机用碳纳米管改性复合材料活塞及其制备方法与应用
CN113915021A (zh) * 2021-09-29 2022-01-11 湖北瑞宇空天高新技术有限公司 一种圆柱形预制体、轻质耐高温复合材料活塞及其制备方法
CN114230357A (zh) * 2021-12-22 2022-03-25 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种复合材料缝隙波导天线的制备方法
CN117780725A (zh) * 2023-12-26 2024-03-29 沈阳欧施盾新材料科技有限公司 基于纤维复合材料的轻质高强活塞筒和活塞以及制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4909133A (en) * 1988-09-28 1990-03-20 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Lightweight piston architecture
US20050181192A1 (en) * 2001-01-16 2005-08-18 Steffier Wayne S. Fiber-reinforced ceramic composite material comprising a matrix with a nanolayered microstructure
CN102276281A (zh) * 2011-05-19 2011-12-14 中南大学 一种纳米碳化硅纤维增强炭/炭复合材料的制备方法
CN102690124A (zh) * 2011-09-14 2012-09-26 中国人民解放军总后勤部军需装备研究所 一种C/SiC陶瓷基复合材料及其制备方法
CN103193496A (zh) * 2013-04-01 2013-07-10 江门市硕普科技开发有限公司 内燃机用炭/炭活塞的制备方法
CN105541363A (zh) * 2015-12-23 2016-05-04 北京航空航天大学 一种高温复合材料及制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4909133A (en) * 1988-09-28 1990-03-20 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Lightweight piston architecture
US20050181192A1 (en) * 2001-01-16 2005-08-18 Steffier Wayne S. Fiber-reinforced ceramic composite material comprising a matrix with a nanolayered microstructure
CN102276281A (zh) * 2011-05-19 2011-12-14 中南大学 一种纳米碳化硅纤维增强炭/炭复合材料的制备方法
CN102690124A (zh) * 2011-09-14 2012-09-26 中国人民解放军总后勤部军需装备研究所 一种C/SiC陶瓷基复合材料及其制备方法
CN103193496A (zh) * 2013-04-01 2013-07-10 江门市硕普科技开发有限公司 内燃机用炭/炭活塞的制备方法
CN105541363A (zh) * 2015-12-23 2016-05-04 北京航空航天大学 一种高温复合材料及制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中国航空工业集团公司复合材料技术中心: "《航空复合材料技术》", 31 December 2013, 航空工业出版社 *
卢安贤: "《无机非金属材料导论》", 31 August 2010, 中南大学出版社 *
张玉娣等: "工艺对C/SiC复合材料结构与性能的影响", 《稀有金属材料与工程》 *
罗瑞盈: "结构炭/炭复合材料力学性能及微观结构研究", 《炭素技术》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3885328A1 (en) * 2020-03-27 2021-09-29 Hamilton Sundstrand Corporation Carbon component with controlled vibration resistance
CN113831138A (zh) * 2021-09-29 2021-12-24 湖北瑞宇空天高新技术有限公司 发动机用碳纳米管改性复合材料活塞及其制备方法与应用
CN113915021A (zh) * 2021-09-29 2022-01-11 湖北瑞宇空天高新技术有限公司 一种圆柱形预制体、轻质耐高温复合材料活塞及其制备方法
CN113915021B (zh) * 2021-09-29 2022-11-22 湖北瑞宇空天高新技术有限公司 一种圆柱形预制体、轻质耐高温复合材料活塞及其制备方法
CN114230357A (zh) * 2021-12-22 2022-03-25 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种复合材料缝隙波导天线的制备方法
CN114230357B (zh) * 2021-12-22 2023-01-31 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种复合材料缝隙波导天线的制备方法
CN117780725A (zh) * 2023-12-26 2024-03-29 沈阳欧施盾新材料科技有限公司 基于纤维复合材料的轻质高强活塞筒和活塞以及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106977218B (zh) 2018-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106977218B (zh) 一种多元碳与陶瓷基复合材料活塞及其制备方法与应用
CN106977217B (zh) 一种高强高韧性碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法
CN106699209B (zh) 连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法
CN106957180B (zh) 一种Cf/C-SiC复合材料及其制备方法和应用
CN106747534A (zh) 一种航空发动机陶瓷基密封片及其制备方法
CN102537155B (zh) C/C-SiC-ZrC-ZrB2复相陶瓷基摩擦制动材料及其制备方法
CN107556011A (zh) SiCf/SiC复合材料及其制备方法
CN109761613A (zh) 基于3d打印的凝胶注模短碳纤维增韧陶瓷复合材料成型方法
CN104563389A (zh) 高强钢筋功能梯度混凝土梁
RU2011124292A (ru) Способ изготовления детали сложной формы из композиционного материала
CN107188590B (zh) 一种纤维增强SiC基复合材料的成型方法
CN109265187A (zh) 一种Cf/HfC-TaC-C复合材料及其制备方法
CN106747555B (zh) 一种含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料及其制备方法
CN111241686B (zh) 一种高温氧化环境陶瓷基复合材料任意加卸载应力应变曲线预测方法
CN109437943A (zh) 一种Cf/C-SiC-ZrB2复合材料及其制备方法
CN110078516A (zh) 高体积分数短纤维增强准各向同性SiCf/SiC复合材料的制备方法
CN106966747A (zh) 一种制备航空发动机用复合材料整体涡轮叶盘及其制备方法与应用
CN105237020B (zh) 一种碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料及其制备方法
CN106966750B (zh) 一种石墨烯改性复合材料活塞及其制备方法与应用
CN106966749B (zh) 一种用Ti3Si(Al)C2改性热结构复合材料的方法
CN112100880A (zh) 一种陶瓷基复合材料铺层预制体优化设计方法
CN106966748A (zh) 耐超高温且有自愈合能力的陶瓷基复合材料及其制备方法
CN107500796A (zh) 一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110156485A (zh) 一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法
CN1888393A (zh) 一种功能梯度盾构管片及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant