[发明专利]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

权利要求书

1.一种发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）活塞预制体制备

根据活塞圆柱形结构，轴向采用碳纤维无纬布复合一层碳纤维网胎针刺形成一单元层，环向采用碳纤维连续缠绕复合一层碳纤维网胎针刺形成另一单元层，单元层与单元层交替叠加连续针刺形成活塞用环形针刺结构活塞预制体；其中活塞预制体密度为0.4~0.6g/cm³；

2）高温热处理

对步骤1）制备的活塞预制体在惰性气体保护气氛下热处理1~2h，热处理温度为1950℃~2300℃，惰性气体为氩气或氦气；

3）碳纤维增强基体碳多孔体的制备

采用化学气相渗积对步骤2）高温热处理后的活塞预制体进行热解碳增密，制得碳纤维增强基体碳多孔体；化学气相渗积的碳源气体为天然气、丙烷、丙烯、乙炔或其混合气体，稀释气体为氮气、氢气或者其混合气体，碳源气体与稀释气体体积比为1:1~14，渗积时间为100~500h，滞留时间为0.6s~2.5s，渗积温度为860~1050℃，压力为1000~5000Pa；

4）碳纤维增强基体碳多孔体高温热处理

在惰性气体保护气氛下处理温度2000℃~2450℃，压力500~5000Pa，热处理时间0.5~5h；

5）活塞坯体加工

将步骤4）高温热处理后的碳纤维增强基体碳多孔体按活塞尺寸进行机加工得到活塞坯体；

6）原位生长碳纳米管

催化前驱体为硝酸镍或乙酸钴，溶剂为乙醇，催化前驱体溶于乙醇配制成混合溶液，混合溶液的浓度为0.5~2.5mol/L；将活塞坯体放在混合溶液中超声3~8h后置于60~80℃鼓风烘箱中烘干，然后转入常压化学气相沉积炉内在300~500℃温度下于H₂气氛下还原1~3h后关闭氢气，通入保护气，继续升温至650~980℃后通入碳源气体和稀释气体在C/C材料孔隙内原位生长碳纳米管，沉积30~180min后关闭碳源气体和稀释气体，通入保护气冷却至室温；

7）活塞坯体致密化

将原位生长碳纳米管后的活塞坯体置于装有硅粉的石墨坩埚中在高温炉中进行熔融渗硅；熔融渗硅工艺参数为惰性气体保护气氛下在1450~1650℃温度恒温30~150min，硅粉的纯度大于99%，粒度为100~300目，惰性气体为氩气或氦气；

8）精加工

对步骤7）致密化后的活塞坯体按成品活塞尺寸要求进行精加工；

9）活塞顶部防氧化处理。

2.根据权利要求1所述的发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中碳纤维增强基体碳多孔体的密度为1.15~1.55 g/cm³。

3.根据权利要求1所述的发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中惰性气体为氩气或者氦气。

4.根据权利要求1所述的发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤6）中保护气为氮气、氩气或氦气；碳源气体为甲烷、丙烷、丙烯、乙炔或其混合气体，稀释气体为氢气、氮气或其混合气体，碳源气体和稀释气体体积比例为1:1~10。

5.根据权利要求1所述的发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤7）中熔融渗硅后活塞坯体密度为1.95~2.2 g/cm³。

6.根据权利要求1所述的发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤9）中对活塞毛坯的活塞顶部防氧化处理方法为：在活塞顶部及燃烧室涂具有隔热及自愈合功能的陶瓷涂层，陶瓷涂层为磷酸盐涂层、硼酸盐涂层和/或其混合涂层。

7.一种权利要求1-6任一项权利要求所述的发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法制成的活塞。

8.一种权利要求7的活塞在发动机上的应用。