[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

说明书

本发明涉及一种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，属于活塞材料及活塞设计加工技术领域。具体制备方法为：预制体结构设计与制备；高温热处理；采用CVI法制备低密度C/C多孔体；C/C多孔体高温热处理；一次机加工成活塞坯体采用常压CVD法在C/C多孔体孔隙内部原位生长碳纳米管；活塞坯体经RMI法致密化，按成品活塞尺寸要求进行二次机加工；完成精加工后对活塞燃烧室及活塞顶位置涂覆抗氧化涂层后制备得到纳米管改性复合材料活塞成品。本发明所提供的复合材料活塞对提高发动机输出功率、减轻油耗、降低噪音、延长活塞使用寿命、降低排放、改善环境具有积极的意义。

技术领域

本发明涉及发动机部件领域，具体涉及一种活塞及其制备方法与应用。

背景技术

活塞被称为发动机的“心脏”，是发动机中最重要的零件之一。其功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。在发动机工作过程中不仅要承受顶部燃气产生的热负荷，还要承受爆发压力、往复惯性力、侧向力和摩擦力等机械负荷，所以对材料的性能要求很高，在很大程度上活塞的寿命决定了发动机工作的可靠性和使用的耐久性。然而，随着发动机不断向高功率、轻油耗、低噪音、长寿命、低排放和环境友好等方向发展，传统的铸铁、铸钢、铝合金等材料活塞已达到或接近使用极限，越来越不能满足发动机飞速发展的要求。因此，开发具有更好的高温机械性能和更轻的质量的新材料活塞是一种发展趋势。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种大功率高爆压发动机用碳纳米管改性复合材料活塞，以提高发动机输出功率、减轻油耗、降低噪音、延长活塞使用寿命、降低排放、改善环境。

本发明的第二个目的是提供一种发动机用碳纳米管改性复合材料活塞的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种发动机用碳纳米管改性复合材料活塞在发动机上的应用。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

(1)活塞预制体结构设计与制备：根据活塞圆柱形结构，设计制备出活塞用环形针刺结构预制体。具体为预制体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。其中预制体最终密度为0.4～0.6g/cm³，碳纤维可以为T700，T800，T1000或其他任意牌号，丝束可以为6K或12K。

(2)高温热处理

对制备的活塞预制体在惰性气体保护气氛热处理1～2h，去除碳纤维表面的保护胶，提高碳纤维石墨化度，缓解预制体制备过程中引入的机械应力。热处理温度为1950℃～2300℃，惰性气体可以为氩气或氦气。

(3)碳纤维增强基体碳多孔体的制备

采用快速CVI法对活塞碳纤维预制体进行热解碳增密，制得密度为1.15～1.55g/cm³之间的碳纤维增强基体碳多孔体(即C/C多孔体)。其中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，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)C/C多孔体高温热处理

为清除碳纤维增强基体碳多孔体孔隙中的非碳杂质，重新打开孔隙，需对其在高温下进行热处理。具体为热处理温度2000℃～2450℃，压力500～5000Pa，热处理时间0.5～5h，惰性气体保护。其中惰性气体可以为氩气或者氦气。