CN101906549A - 基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑复合材料，是指在多孔泡沫金属中填充固体润滑材料。该自润滑复合材料的设计制造方法是以泡沫金属为基体骨架，通过真空滴定固体润滑材料组份的方法,用有机悬浊液将固体润滑剂填充到泡沫金属的骨架当中，风干后经冷压烧结，最后成型；或者在略低于所用泡沫金属抗压强度的压力下压入混合固体润滑材料的流动性较佳的熔融树脂后自然冷却成型。实践表明按照此种设计思想设计制造的嵌入式固体润滑复合材料既具有泡沫金属质轻、高比表面积、优良的热传导与电导率，又具有固体润滑剂优良的润滑性能，且填充的过程克服了泡沫金属抗压能力弱的限制，从而使这种复合材料有效润滑面积比例大，导热性导电性较好，抗压能力提高，有效抑制单一聚合物受热时的膨胀力和固有的冷流性，从而一方面改善了润滑材料尤其在高速重载工况下的减摩和耐磨性能。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种自润滑以及空间润滑材料。
背景技术
随着工业技术的发展，特别是空间技术的应用需求，自润滑材料被越来越广泛地应用在润滑油和润滑脂所不能胜任的苛刻的工作环境。例如，将自润滑材料引入轴承体系的研究方法，在一定寿命内省去对润滑材料的额外维护。以聚四氟乙烯（PTFE）为代表的一类固体润滑材料已被广泛用于自润滑结构设计之中，而纯聚四氟乙烯由于其在耐磨性能上的缺陷，多被作为润滑剂基体，辅助添加微米或纳米级无机颗粒或者纤维来增强其耐磨性能。然而在高速重载环境下，单纯的聚四氟乙烯聚合物仍然表现出较低的抗磨性能，继而限制了聚四氟乙烯基聚合物的应用范围。在重载环境中，由于对散热和承载能力的要求，以铜基合金为基体嵌入固体润滑剂的设计方式被广泛的引入，然而其减摩耐磨性较大程度上取决于摩擦面上固体润滑剂所占的面积比例、孔结构以及热分散性能，因而寻找基体较大承载能力和较大有效润滑面积是高速重载情况下自润滑的研究方向之一。泡沫金属是一类具有质轻、高比表面积、优良的热传导与电导率等优势的新型多孔材料，近年来被应用于热交换，锂电池的阳极材料，电化学催化，过滤装置，能量吸收等方面。若以其为基体填充固体润滑剂，可以预见制备出的自润滑复合材料具有有效润滑面积比例大，导热性导电性较好等优点，能够有效抑制单一聚四氟乙烯制品受热时的膨胀力和固有的冷流性，而且泡沫金属基体的中空结构也为润滑过程中储油、储脂提供了可能。公开号为CN1712749A的中国专利公开了一种聚四氟乙烯耐磨自润滑轴承，它由底层钢板，中间层烧结青铜粉、上层聚合物层组成，其中聚合物由聚四氟乙烯、稀土化改性剂处理过的碳纤维及铅粉组成的，应用于普通滑动轴承领域。公开号为CN1186017A的中国专利公开了一种金属-塑料复合材料，它依次由金属底层、粘结层、增强金属网或非金属网、表面润滑层组成，是一种典型的自润滑耐磨性的塑料基复合材料。但这两种专利中作为中间层的青铜粉以及增强层的金属网或者非金属网对上表面的聚合物润滑层的粘接或者增强作用仅局限在层间接触部分，这就大大限制了作为润滑主体的塑料的纵向厚度，从而在耐磨寿命方面大大降低。而本发明首次将固体润滑材料嵌入到三维网状泡沫金属中，使其参与润滑的有效体积大大增加，延长了润滑材料使用寿命，且材料中相互连通的金属孔棱也赋予了润滑材料导电导热性能良好的特点，使其在诸如电刷、轴套、导轨、刹车片等方面也有应用的潜能。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种在高速重载时具有较好摩擦学性能，以及对摩擦副的导电与导热性有特殊要求的基于泡沫金属的嵌入式自润滑材料及其制备方法，该材料将泡沫金属特有的优良性能应用到摩擦学领域，通过提高摩擦面有效润滑面积以及导热导电性以提高固体润滑复合材料的减摩耐磨性能。
技术方案：基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料，以多孔泡沫金属作为骨架，以固体润滑剂为填充物，形成由金属骨架和润滑材料构成的复合材料；其中多孔泡沫金属的材质为铜、镍、银、锡、铝、钛、铜合金、镍合金、铝合金或钛合金；并且泡沫金属每英寸上孔数PPI为6~30个，孔隙率85%~97%；作为填充的固体润滑复合材料为：聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、碳纤维、玻璃纤维、氧化铝颗粒、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚醚酮（PEEK）、聚甲醛（POM）、聚酰亚胺（PI）、含二氮杂萘联苯结构聚芳醚砜酮（PPESK）、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)中的一种或几种的混合物。
制备基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料的方法1，制造工艺为：借助真空抽滤装置，通过滴定含固体润滑材料组份的有机悬浊液，将固体润滑剂填充到泡沫金属的骨架当中，风干后冷压烧结成型。具体制备步骤为：将上述固体润滑材料混合组份分散于有机溶剂中形成悬浊液，借助真空抽滤装置将固体润滑材料填充到泡沫金属的骨架当中；室温下风干，使其有机溶液充分挥发，之后预压成型，保持整个体系的致密性，最后烧结成型。
制备基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料的方法2，制造工艺为：在略低于所用泡沫金属抗压强度的压力下向多孔泡沫金属内压入含混合固体润滑材料的熔融树脂，以将固体润滑剂填充到泡沫金属的骨架当中，再自然冷却成型。具体制备步骤为：选择流动性较好的树脂复合材料作为热固性溶剂，充分混合固体润滑剂；在略低于泡沫金属抗压强度的压强环境下将熔融态的固体润滑复合材料压入泡沫金属的骨架之中，而后自然冷却成型。
有益效果：本发明是对泡沫金属的一次独创性应用尝试，结合泡沫金属的自身优势，将固体润滑复合材料作为添加剂填充到多孔金属的体系之中，使润滑体系具有泡沫金属的特殊优势，改善了固体润滑材料的导热性、储油储脂以及承载能力，改善了单一聚四氟乙烯制品受热时的膨胀力和固有的冷流性，而且由于泡沫金属骨架的连续性，使新型的复合材料具有较佳的导热导电性，在对导热导电性有要求的摩擦场合为复合材料提供了应用的可能，也扩展了作为新材料的泡沫金属的应用领域。作为自润滑材料的设计与制造，具有基体与填充复合材料的双重优势,对摩擦副材料提供了有益的补充。
附图说明
图1：实施例1与实施例2中所用泡沫铜的光学照片（50倍）；
图2：实施例2利用方法一（真空滴定固体润滑材料的悬浊液而后烧结成型技术）制备而成的基于多孔泡沫铜的镶嵌式固体润滑材料的表面形貌图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但不构成对本发明的限定。
实施例1.
泡沫金属：一种泡沫铜，特征参数：平均孔径0.96mm，PPI（每英寸孔数）28个，孔隙率93%，密度0.62 g/cm3，抗压强度1.76MPa。
固体润滑剂各组分重量百分比：聚四氟乙烯80%，石墨20%。
复合材料制造过程如下：首先将固体润滑剂混合组份分散于易挥发的无水乙醇中超声形成悬浊液，接着用抽滤瓶在真空泵抽真空的辅助下将固体润滑材料滴注填充到泡沫金属的内部，而后风干2小时除去有机溶剂，冷压成型，压力为60MPa，时间5 min，以保持整个体系的致密性，最后在烧结炉中烧结处理，时间为330℃-370℃之间120 min，冷却成型。
上述制备的基于泡沫铜的复合材料，密度3.30 g/cm3（PTFE：2.23 g/cm3），邵氏硬度65度（PTFE：59度），25℃时的热扩散系数1.99mm2/s（PTFE：0.11mm2/s），电阻率6.0×10-5Ωm（碳石墨(8~13)×10-6Ωm）。
在M-2000环块摩擦磨损试验机上考察了制得的复合材料的摩擦学性能，部分性能见表1，其中用作对比的不含泡沫铜的聚合物的组份为80%聚四氟乙烯与20%石墨。对磨环采用GCr15轴承钢，每次对磨60 min，该工况下纯聚四氟乙烯试样对磨时间不到10 min即失效。
表1.不同种类的复合材料摩擦学性能比较（700N，V=0.424m/s）
| 试样 | 摩擦系数 | 磨损率（×10-5mm/m.N） |
| 基于泡沫铜的复合材料 | 0.118 | 2.52 |
| 不含泡沫铜的对比聚合物 | 0.138 | 5.35 |
实施例2.
固体润滑剂各组分重量百分比：聚四氟乙烯70%，石墨30%。所用泡沫金属以及制作与测试方法同实施例1。
该实例制备的基于泡沫铜的复合材料，密度3.21 g/cm3，邵氏硬度64度，25℃时的热扩散系数2.01mm2/s，电阻率5.8×10-5Ωm。其部分摩擦学性能见表2；摩擦尾声阶段用数字温度计测量趋近摩擦面上复合材料的摩擦温度，该条件下基于泡沫铜的复合材料的界面摩擦温度为117℃，而不含泡沫铜的同种配比的聚合物为148℃。
表2.不同种类的复合材料摩擦学性能比较（500N，V=0.856m/s）
| 试样 | 摩擦系数 | 磨损率（×10-5mm/m.N） |
| 基于泡沫铜的复合材料 | 0.101 | 2.05 |
| 不含泡沫铜的对比聚合物 | 0.155 | 5.01 |
实施例3.
泡沫金属：一种泡沫铜，特征参数：平均孔径1.50mm，PPI（每英寸孔数）18个，孔隙率96%，密度0.35 g/cm3，抗压强度0.52MPa。
固体润滑剂选择纯聚四氟乙烯（PTFE）作为单一的填料。具体制作与测试方法同实施例1。
该实例制备的基于泡沫铜的复合材料，密度2.46 g/cm3，邵氏硬度61度，25℃时的热扩散系数1.00mm2/s，电阻率1.5×10-4Ωm。其部分摩擦学性能见表3，其中纯聚四氟乙烯试样对磨30分钟即失效。
表3.不同种类的复合材料摩擦学性能比较（500N，V=0.424m/s）
| 试样 | 摩擦系数 | 磨损率（×10-5mm/m.N） |
| 基于泡沫铜的复合材料 | 0.163 | 4.58 |
| 作为对比的纯PTFE聚合物 | 0.214 | 178 |
实施例4.
按照方法1：借助真空抽滤装置，通过滴定固体润滑材料组份的有机悬浊液，将固体润滑剂填充到泡沫金属的骨架当中，风干后冷压烧结成型技术，分别又对泡沫金属铝和泡沫金属镍基体做了相关实验，填充的润滑材料包括二硫化钼，碳纤维，氧化铝颗粒，聚醚醚酮（PEEK）。
实施例5.
按照方法2：低压状态下压入混合固体润滑材料的流动性较佳的熔融树脂，将固体润滑剂填充到泡沫金属的骨架当中，自然冷却成型的技术，考虑到泡沫金属总体抗压强度较弱的限制，选择流动性较好的树脂复合材料，比如聚醚醚酮（PEEK），聚甲醛（POM），聚酰亚胺（PI）等塑料作为热固性溶剂，机械混合固体润滑剂后，在略低于泡沫金属抗压强度的压强环境下将加热至熔融态的固体润滑复合材料压入泡沫金属的骨架之中，而后自然冷却成型。
Claims (5)
1.基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料，其特征在于以多孔泡沫金属作为骨架，以固体润滑剂为填充物，形成由金属骨架和润滑材料构成的复合材料；其中多孔泡沫金属的材质为铜、镍、银、锡、铝、钛、铜合金、镍合金、铝合金或钛合金；并且泡沫金属每英寸上孔数PPI为6~30个，孔隙率85%~97%；作为填充的固体润滑复合材料为：聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、碳纤维、玻璃纤维、氧化铝颗粒、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚醚酮（PEEK）、聚甲醛（POM）、聚酰亚胺（PI）、含二氮杂萘联苯结构聚芳醚砜酮（PPESK）、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)中的一种或几种的混合物。
2.制备权利要求1所述基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料的方法，其特征在于制造工艺为：借助真空抽滤装置，通过滴定含固体润滑材料组份的有机悬浊液，将固体润滑剂填充到泡沫金属的骨架当中，风干后冷压烧结成型。
3.制备权利要求1所述基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料的方法，其特征在于制造工艺为：在略低于所用泡沫金属抗压强度的压力下向多孔泡沫金属内压入含混合固体润滑材料的熔融树脂，以将固体润滑剂填充到泡沫金属的骨架当中，再自然冷却成型。
4. 根据权利要求2所述的制备基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料的方法，其特征在于制备步骤为：将上述固体润滑材料混合组份分散于有机溶剂中形成悬浊液，借助真空抽滤装置将固体润滑材料填充到泡沫金属的骨架当中；室温下风干，使其有机溶液充分挥发，之后预压成型，保持整个体系的致密性，最后烧结成型。
5.根据权利要求3所述的制备基于多孔泡沫金属的嵌入式固体自润滑材料的方法，其特征在于制备步骤为：选择流动性较好的树脂复合材料作为热固性溶剂，充分混合固体润滑剂；在略低于泡沫金属抗压强度的压强环境下将熔融态的固体润滑复合材料压入泡沫金属的骨架之中，而后自然冷却成型。
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