CN101788015A

CN101788015A - 一种三层自润滑耐磨滑动轴承材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101788015A
Application number: CN 201010115451
Authority: CN
Inventors: 李同生; 刘沛; 吕仁国
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: CN101788015B

Abstract

本发明属于聚合物复合材料技术领域，具体涉及一种三层自润滑耐磨滑动轴承材料及其制备方法。该复合材料由三层组成：底层为钢板或其他金属板；中间层为多孔烧结锡青铜粉末层，孔内浸渍含氟聚合物；表面层为织物/含氟聚合物复合材料。织物/含氟聚合物复合材料通过乳液浸渍法制备，然后通过热压成型法粘结到基材表面。与现有技术相比，本发明的材料通过完全引入含氟聚合物作为粘结树脂，取得了很好的自润滑性、耐磨性和耐温性；同时通过热压成型法使得织物/含氟聚合物复合材料很好地粘结到基材表面。该发明材料适用于航空、航天、机械、汽车等领域的自润滑轴承上。

Description

一种三层自润滑耐磨滑动轴承材料及其制备方法

技术领域

本发明属于聚合物复合材料技术领域，具体涉及一种三层自润滑耐磨滑动轴承材料及其制备方法。该复合材料可适用于航空、航天、机械、汽车等领域的自润滑轴承上。

背景技术

20世纪60年代英国Glacier Metal公司发明了一种三层复合自润滑轴承，称为DU轴承，以钢为衬底，上面烧结多孔锡青铜粉末，再将聚四氟乙烯复合材料覆盖于其上，压制后烧结。这种产品已经广泛应用于自润滑轴承中。由于聚四氟乙烯的耐磨性不好，这种产品在承载能力有限，高载下表面很薄的聚四氟乙烯层和中间层很容易磨穿，从而严重影响到材料的使用寿命。

芳纶织物(Kevlar、Nomex等)、碳纤维织物、玻璃纤维织物、聚四氟乙烯织物、聚对苯撑苯并双恶唑织物、金属织物等由于其良好的热性能、力学性能和摩擦性能，被广泛的应用于航空、航天、机械等领域的自润滑耐磨部件-轴承上。这种自润滑轴承往往采用上述织物或其复合织物浸渍树脂制备自润滑层，然后通过胶粘剂粘结到金属基材上。常用的树脂是酚醛树脂和聚酰亚胺等，但是这种自润滑轴承存在着摩擦系数大、耐温性差、自润滑层和基材粘结不好等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足而提供一种低摩擦系数、耐磨损、高承载、耐温性好、自润滑层和基材粘结性好的滑动轴承材料及其制备方法，解决DU材料易磨损和织物复合材料摩擦系数大、耐温性差、自润滑层与基材粘接不好的问题，实现轴承材料的长寿命、低摩擦特性。

为实现上述目的，本发明结合DU材料和织物复合材料的优点，将自润滑滑动轴承材料设计为三层：底层为钢板或其他金属板；中间层为多孔烧结锡青铜粉末，孔内含含氟聚合物；表层为织物/含氟聚合物复合材料，从而实现轴承材料要求的长寿命、低摩擦特性。

本发明的目的可以通过以下工艺步骤和条件实现。

三层自润滑耐磨滑动轴承材料的结构为：

底层1为钢板或其他金属板；中间层2为多孔烧结锡青铜粉末，孔内含含氟聚合物，厚度0.1-1.5mm；表层3为织物/含氟聚合物复合材料，厚度0.1-1.0mm。

本发明所述的织物为芳纶织物(Kevlar、Nomex等)、碳纤维织物、玻璃纤维织物、聚四氟乙烯织物、聚对苯撑苯并双恶唑织物、金属织物及其复合织物中的一种，编织方式为平纹、斜纹或者缎纹等编织方法中的一种。织物可采用等离子处理、强酸强碱处理、阳极氧化处理等方式进行表面处理。

多孔锡青铜粉末其孔隙率为20-70％。

含氟聚合物为聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、三氯氟乙烯(PCTFE)及其共聚物中的一种，或其中几种的复合。

织物/含氟聚合物复合材料中含氟聚合物体积分数为20-70％。

在所述织物/含氟聚合物复合材料中可以添加石墨、二硫化钼等固体自润滑材料，其在表层中质量分数为0.5-10％。也可以添加纳米三氧化二铝、纳米氮化硅、纳米蒙脱土、纳米二氧化硅、碳纳米管、氧化铬、氧化铅、氧化镉等纳米材料或金属氧化物材料，其在表层中质量分数为0.5-10％，还可以添加铜粉、铜合金粉末、铅粉等金属粉末材料，其在表层中质量分数为0.5-10％。

三层自润滑耐磨滑动轴承材料的制备方法如下：

首先，配制好含氟聚合物乳液或其复合乳液，将各种填料按比例加入其中，充分搅拌均匀。将处理好的织物浸渍于其中，取出干燥，重复几次直至含氟聚合物体积分数达到20-70％，得到织物/含氟聚合物复合材料；

其次，在烧结于钢板表面的锡青铜粉末上涂覆含氟聚合物乳液，干燥，反复几次，直到孔隙内充满含氟聚合物；

最后，将织物/含氟聚合物复合材料平放在上述充满含氟聚合物的锡青铜粉末层表面，加压到5-50MPa，升温到310-390℃，保温30-60min后，保压自然冷却到室温。

上述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料制备方法中，含氟聚合物乳液中含氟聚合物体积分数为20-60％。

通过本发明制得的轴承材料，自润滑层中含氟聚合物和锡铜粉末层孔隙内的含氟聚合物在一定压力下烧结，保证了自润滑层和金属基材间的粘结力；同时，自润滑层中直接采用含氟聚合物取代常见的酚醛树脂和聚酰亚胺，使得材料有了更低的摩擦系数和更好的耐温性。从而实现了统合DU材料和织物复合材料的优点，达到了轴承复合材料长寿命低摩擦的目的。

本发明材料的基本性能如下：

综上所述，本发明具有以下优点：

1、自润滑层中含氟聚合物和锡铜粉末层孔隙内的含氟聚合物在一定压力下烧结，有效解决了自润滑层和金属基材间的粘接力低下的问题。

2、自润滑层中直接采用含氟聚合物取代常用的酚醛树脂或聚酰亚胺树脂，保证了复合材料具有更低的摩擦系数和更好的耐温性。

3、本发明提供的制备方法简单易行，能有效提高自润滑耐磨滑动轴承复合材料的使用寿命。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中标号：1为钢板或其他金属板；2为烧结锡青铜粉末，孔内浸渍含氟聚合物；3为织物/含氟聚合物复合材料。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要指出以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例1

取清洁好的平纹Kevlar织物浸入质量分数为45％的聚四氟乙烯乳液几分钟，取出于105℃干燥10分钟，重复几次直到聚四氟乙烯体积分数达到40％。另取表面烧结有锡青铜粉末的钢板，用刷子沾满上述聚四氟乙烯涂刷在锡青铜层表面，105℃干燥，这样涂刷、干燥重复几次，直到聚四氟乙烯充满锡青铜层孔隙。将上述Kevlar/聚四氟乙烯复合材料平放在浸渍有聚四氟乙烯的锡青铜层表面，380℃下加压至15MPa，5分钟内每分钟放气一次，5分钟后保温保压15分钟，后保压自然冷却。所得材料25MPa负载下摩擦系数0.08，磨损率1.5×10^-6mm³/N·m。

实施例2

取质量分数为45％的聚四氟乙烯乳液，加入二硫化钼使得二硫化钼和聚四氟乙烯质量比为1∶30，充分搅拌。取清洁好的缎纹碳纤维织物，浸入其中，取出于105℃干燥10分钟，重复几次直到碳纤维织物体积分数为50％。另取表面烧结有锡青铜粉末的钢板，用刷子沾满上述聚四氟乙烯涂刷在锡青铜层表面，105℃干燥，重复几次直到聚四氟乙烯充满锡青铜层孔隙。将上述碳纤维织物/聚四氟乙烯/二硫化钼复合材料平放在浸渍有聚四氟乙烯的锡青铜层表面，380℃下加压至12MPa，5分钟内每分钟放气一次，5分钟后保温保压15分钟，后保压自然冷却。所得材料15MPa负载下摩擦系数0.11，磨损率3.3×10^-6mm³/N·m。

实施例3

取清洁好的平纹碳纤维织物浸入浓硝酸中2h，取出后用去离子水清洗至中性，干燥。取质量分数为60％的聚四氟乙烯乳液，将上述碳纤维织物浸入其中，取出于105℃干燥10分钟，重复几次直到碳纤维织物体积分数为55％。另取表面烧结有锡青铜粉末的钢板，用刷子沾满上述聚四氟乙烯刷在锡青铜层表面，105℃干燥，重复几次直到聚四氟乙烯充满锡青铜层孔隙。将上述碳纤维/聚四氟乙烯复合材料平放在浸渍有聚四氟乙烯的锡青铜层表面，380℃下加压至12MPa，5分钟内每分钟放气一次，5分钟后保温保压15分钟，后保压自然冷却。所得材料10MPa负载下摩擦系数0.12，磨损率3.0×10^-6mm³/N·m。

实施例4

取清洁好的聚四氟乙烯纤维体积含量为15％的Kevlar/聚四氟乙烯复合织物浸入质量分数为50％的聚四氟乙烯乳液，取出于105℃干燥10分钟，重复几次直到复合材料中Kevlar纤维体积分数达到55％。另取表面烧结有锡青铜粉末的钢板，用刷子沾满上述聚四氟乙烯涂刷在锡青铜层表面，105℃干燥，重复几次直到聚四氟乙烯充满锡青铜层孔隙。将上述复合织物/聚四氟乙烯复合材料平放在浸渍有聚四氟乙烯的锡青铜层表面，370℃下加压至15MPa，5分钟内每分钟放气一次，5分钟后保温保压15分钟，后保压自然冷却。所得材料20MPa负载下摩擦系数0.07，磨损率1.4×10^-6mm³/N·m。

实施例5

取清洁好的平纹Kevlar织物浸入质量分数为50％的全氟乙烯丙烯共聚物乳液。将上述Kevlar织物浸入其中，取出于105℃干燥10分钟，重复几次直到Kevlar织物体积分数为40％。另取表面烧结有锡青铜粉末的钢板，用刷子沾满上述乳液涂刷在锡青铜层表面，105℃干燥，重复几次直到聚合物充满锡青铜层孔隙。将上述Kevlar纤维/全氟乙烯丙烯共聚物复合材料平放在浸渍有聚合物的锡青铜层表面，320℃下加压至10MPa，5分钟内每分钟放气一次，5分钟后保温保压15分钟，后保压自然冷却。所得材料20MPa负载下摩擦系数0.10，磨损率1.6×10^-6mm³/N·m。

实施例6

取质量分数为50％的聚四氟乙烯乳液，加入663青铜粉使得青铜粉和聚四氟乙烯质量比为1∶25，充分搅拌均匀。取清洁好的平纹Kevlar织物浸入其中，取出于105℃干燥10分钟，重复几次直到Kevlar织物体积分数为55％。另取表面烧结有锡青铜粉末的钢板，用刷子沾满上述乳液涂刷在锡青铜层表面，105℃干燥，重复几次直到聚合物充满锡青铜层孔隙。将上述Kevlar纤维/聚四氟乙烯/663青铜粉复合材料平放在浸渍有聚合物的锡青铜层表面，380℃下加压至15MPa，5分钟内每分钟放气一次，5分钟后保温保压15分钟，后保压自然冷却。所得材料25MPa负载下摩擦系数0.08，磨损率1.3×10^-6mm³/N·m。

实施例7

取等量质量分数为50％的四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物乳液和质量分数为50％的聚四氟乙烯乳液，搅拌混合成为复合乳液。取石墨乳加入上述复合乳液中使得石墨∶聚四氟乙烯∶四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物质量比为1∶15∶15，充分搅拌均匀。取清洁好的平纹Kevlar织物浸入其中，取出于105℃干燥10分钟，重复几次直到Kevlar织物体积分数为60％，得到复合材料。另取表面烧结有锡青铜粉末的钢板，用刷子沾满上述复合乳液乳液涂刷在锡青铜层表面，105℃干燥，重复几次直到聚合物充满锡青铜层孔隙。将上述复合材料平放在浸渍有聚合物的锡青铜层表面，380℃下加压至15MPa，5分钟内每分钟放气一次，5分钟后保温保压15分钟，后保压自然冷却。所得材料25MPa负载下摩擦系数0.08，磨损率1.2×10^-6mm³/N·m。

Claims

1.一种三层自润滑耐磨滑动轴承材料，其特征在于为三层结构，其中，

底层为金属板；中间层为多孔烧结锡青铜粉末，孔内有含氟聚合物，厚度0.1-1.5mm；表层为织物/含氟聚合物复合材料，厚度0.1-1.0mm。

2.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料，其特征在于，所述的织物为芳纶织物、碳纤维织物、玻璃纤维织物、聚四氟乙烯织物、聚对苯撑苯并双恶唑织物、金属织物之中一种，或其中几种的复合织物；其编织方式为平纹、斜纹、缎纹编织方式中的一种。

3.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料，其特征在于，所述织物表面经过等离子处理、强酸强碱处理或阳极氧化处理。

4.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料，其特征在于，所述的含氟聚合物为聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯、聚氟乙烯、三氯氟乙烯中的一种，或者其中几种的复合。

5.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料，其特征在于，所述的多孔锡青铜粉末其孔隙率为20-70％。

6.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料，其特征在于，所述织物/含氟聚合物复合材料中含氟聚合物体积分数为20-70％。

7.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料，其特征在于，所述织物/含氟聚合物复合材料中添加有石墨、二硫化钼固体自润滑材料，添加物在表层中质量分数为0.5-10％。

8.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料，其特征在于，所述织物/含氟聚合物复合材料中添加有纳米三氧化二铝、纳米氮化硅、纳米蒙脱土、纳米二氧化硅、碳纳米管、氧化铬、氧化铅、氧化镉纳米材料或金属氧化物材料，添加物在表层中质量分数为0.5-10％。

9.如权利要求1所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料，其特征在于，所述织物/聚四氟乙烯复合材料中添加有铜粉、铜合金粉末或铅粉粉末材料，添加物在表层中质量分数为0.5-10％。

10.一种如权利要求1-9所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

首先，配制好含氟聚合物乳液或其复合乳液，将各种填料按比例加入其中，充分搅拌均匀；将处理好的织物浸渍于其中，取出干燥，重复几次直至含氟聚合物体积分数达到20-70％，得到织物/含氟聚合物复合材料；

11.如权利要求10所述的三层自润滑耐磨滑动轴承材料复合材料制备方法，其特征在于所述含氟聚合物乳液中含氟聚合物体积分数为20-60％。