专利名称：内燃机用炭/炭活塞的制备方法
技术领域：
本发明涉及内燃机零件技术领域，特别地涉及内燃机用炭/炭活塞的制备方法。
背景技术：
活塞是内燃机最重要的部件之一。活塞需要在恶劣的工作环境下，同时实现许多功能，活塞要承受不断快速变化的压力、动载荷和温度变化。今天大部分的活塞都是用铝合金做的，它易加工和成本低。但是，用铝合金做活塞材料也是有缺陷的。在350°C以上，铝合金的强度和刚度就会急剧减小，造成活塞的变形或开裂，影响了活塞的功率，减小了活塞的使用寿命。铝合金的热膨胀系数大，随着内燃机燃烧室温度的升高，铝合金活塞的膨胀会影响活塞环的定位，造成混合气体的泄漏，严重的会发生拉缸现象。因此，高性能内燃机的运作受到很大限制。内燃机在历史上的发展是一个需求不断提升的演变过程，这些需求包括性能方面的、经济方面的、环保方面的。其中，对性能的要求至今仍是最重要的一个推动力。新材料的引入和制做工艺的革新，客观上使内燃机功率大大提高，这具有重要的现实意义。通过检索，目前国内未有炭/炭复合材料活塞相关发明，国内内燃机的活塞主要以金属材料为主，主要通过改变金属材料的组成成分或改变其制做的工艺，以达到提高活塞的使用性能，如国内专利号为02135972.5的铝基复合材料活塞，其基体合金成分是由硅，铜，镍，镁等金属组成，经过复合处理，变质处理，精炼处理，毛坯浇注，T6热处理而制成，，它们在一定程度上提高了活塞的热疲劳强度和耐磨性，但其成分80 %以上是铝，活塞在高温运作下，活塞还是会膨胀和变形。专利号为4909133的美国专利公开一种用于内燃机的炭/炭复合材料活塞，它采用三维整体编织预制体，再通过模具压制，多次浙青浸溃-炭化，再进行致密化处理，机械加工成型，最后涂防氧化剂而制成。制品经过试验后证明炭/炭活塞非常坚固， 轻盈，耐热。炭/炭活塞使得高性能的发动机更加高效，更加可靠，具有更高的功率输出，而且炭/炭复合材料能在高温下维持其强度和刚度，炭/炭活塞对各种结构性的破坏，如过热、燃油混合气不足、燃烧引起的缸内高压等都有较好的耐受性。但是此专利所描述的最后一道工序防氧化处理采用涂抹方式，其防氧化性能不能长久。
发明内容
本发明的目的是针对现有国内外技术的不足，而提供一种材料使用性能优异的内燃机用炭/炭活塞的制备方法。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其其特征在于该方法包括以下步骤:(I)采用长炭纤维、无纬布和网胎逐层交替针刺准三维结构预制体；(2)对准三维结构预制体进行快速CVI(化学气相沉积)技术，沉积至密度^ 1.lg/cm3时转呋喃树脂浸溃-炭化致密，循环3-5次；(3)呋喃树脂浸溃-炭化致密工艺，将呋喃树脂升温到60°C，再通入氮气，加压至2MPa，升温至120-200°C，固化4小时，转入炭化炉，加压至0.1MPa,升温至800-1100°C，并保温5-10小时；(4)石墨化处理，真空状态下，以30°C/h的升温速率，升温至1800-2500°c，并保温2小时；(5)制品密度彡1.70g/cm3时致密化工艺结束，按照图纸进行机械加工；(6)防氧化CVI碳化硅涂层制备工艺，三氯甲基硅烷为鼓泡剂，氢气为催化剂和载气，氩气为稀释气体，沉积温度为1100-1300°C，压强为O-lOKPa，以鼓泡方法制备出致密的SiC防氧化涂层。本发明与现有国内技术相比具有以下优点:(I)炭/炭复合材料密度小，减小了活塞的质量和往复运动的惯性力，由此可提高内燃机的热效率和机械效率。(2)通过本发明的工艺制得的炭/炭活塞致密度高，力学性能好，在1100°C左右的高温下能保持其力学性能不变。
(3)通过本发明的工艺制得的炭/炭活塞热膨胀系数低，减少活塞变形，提高的尺寸稳定性。比传统活塞寿命更长久。(4)通过本发明的工艺制得的炭/炭活塞密封性好，达到使用要求，因此不用加活塞环，降低在内燃机运作时碳氢化合物废气的排放。(5)通过本发明的工艺制得的炭/炭活塞摩擦性能好且具有自润滑作用，使发动机的活塞更安静地运作，振动更小。
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施例方式下面结合实例对本发明做进一步说明:实例I(I)采用国产长炭纤维、无纬布和网胎逐层交替针刺准三维结构预制体；(2)对准三维结构预制体进行快速CVI(化学气相沉积)技术，沉积至密度^ 1.lg/cm3时转呋喃树脂浸溃-炭化致密，循环4次；(3)呋喃树脂浸溃-炭化致密工艺，将呋喃树脂升温到60°C，再通入氮气，加压至2MPa，升温至160°C，固化4小时，转入炭化炉，加压至0.1MPa,升温至900°C，并保温6小时；(4)石墨化处理，真空状态下，以30°C /h的升温速率，升温至2100°C，并保温2小时；(5)制品密度彡1.70g/cm3时致密化工艺结束，按照图纸进行机械加工出炭/炭活塞；(6)防氧化CVI碳化硅涂层制备工艺，三氯甲基硅烷为鼓泡剂，氢气为催化剂和载气，氩气为稀释气体，沉积温度为1150°C，压强为5KPa，以鼓泡方法制备出致密的SiC防氧化涂层。实例2
(I)采用国产长炭纤维、无纬布和网胎逐层交替针刺准三维结构预制体；(2)对准三维结构预制体进行快速CVI(化学气相沉积)技术，沉积至密度^ 1.2g/cm3时转呋喃树脂浸溃-炭化致密，循环4次；(3)呋喃树脂浸溃-炭化致密工艺，将呋喃树脂升温到60°C，再通入氮气，加压至2MPa，升温至160°C，固化4小时，转入炭化炉，加压至0.1MPa,升温至950°C，并保温8小时；(4)石墨化处理，真空状态下，以30°C /h的升温速率，升温至2200°C，并保温2小时；(5)制品密度彡1.70g/cm3时致密化工艺结束，按照图纸进行机械加工出炭/炭活塞；(6)防氧化CVI碳化硅涂层制备工艺，三氯甲基硅烷为鼓泡剂，氢气为催化剂和载气，氩气为稀释气体，沉积温度为1100-1300°C，压强为O-lOKPa，以鼓泡方法制备出致密的SiC防氧化涂层。其制品炭/炭活塞的拉伸强度为120MPa，压缩强度为205MPa，弯曲强度为154MPa，摩擦系数为0.13，热膨胀系数为 2.3xlO_6/°C，其各项性能指标与国外炭/炭活塞相近。
权利要求
1.一种内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤: (1)采用长炭纤维、无纬布和网胎逐层交替针刺准三维结构预制体； (2)对准三维结构预制体进行快速CVI(化学气相沉积)技术，沉积至密度> 1.lg/cm3时转呋喃树脂浸溃-炭化致密，循环3-5次； (3)呋喃树脂浸溃-炭化致密工艺，将呋喃树脂升温到60-80°C，再通入氮气，加压至0-2MPa，升温至120-200 °C，固化3-6小时，转入炭化炉，加压至0-0.1MPa，升温至800-1100°C，并保温 5-10 小时； (4)石墨化处理，真空状态下，以30°C/h的升温速率，升温至1800-2500°C，并保温2_5小时； (5)制品密度>1.70g/cm3时致密化工艺结束，按照图纸进行机械加工； (6)防氧化CVI碳化硅涂层制备工艺，三氯甲基硅烷为鼓泡剂，氢气为催化剂和载气，氩气为稀释气体，沉积温度为1100-1300°C，压强为O-lOKPa，以鼓泡方法制备出致密的SiC防氧化涂层。
2.根据权利要求1所述的内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中用长炭纤维、无纬布和网胎逐层交替针刺准三维结构预制体。
3.根据权利要求1所述的内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的沉积温度为920-1020°C。
4.根据权利要求1所述的内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中的沉积时间为80-120小时，压强为0-10KPa。
5.根据权利要求1所述的内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中的固化温度为120-200°C，炭化温度为800-1100°C。
6.根据权利要求1所述的内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中的石墨化温度1800-2500°C。
7.根据权利要求1所述的内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其特征在于所述步骤(6)中的沉积温度为1100-1300°C，压强为0-10KPa。
全文摘要
本发明涉及一种内燃机用炭/炭活塞的制备方法，其方法在于采用长炭纤维、无纬布和网胎逐层交替针刺准三维结构预制体，通过快速CVI(化学气相沉积)技术，将裂解的炭沉积到预制体中，再通过树脂浸渍-炭化致密，反复致密多次，在制品密度≥1.70g/cm3时转石墨化处理，再经过机械加工成型，最后进行防氧化CVI碳化硅涂层制备。所制得的炭/炭活塞非常坚固、轻盈、耐热。具有良好的热物理性能，热膨胀系数低，摩擦系数小且具有自润滑作用，使得高性能的内燃机更加高效，更加可靠，具有更高的功率输出。
文档编号C04B35/83GK103193496SQ20131011117
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者李建春, 张文杰, 万汉林 申请人:江门市硕普科技开发有限公司