CN102391645B - 轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法。该制备方法以热塑性聚酰亚胺为基材，并在热塑性聚酰亚胺中添加有增强改性材料，增强改性材料包括芳纶浆粕纤维、氟化石墨和聚四氟乙烯，其中芳纶浆粕纤维要进行回流清洗，清洗的芳纶浆粕纤维以及热塑性聚酰亚胺和氟化石墨要进行真空干燥，经过合成加工得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，将热塑性聚酰亚胺基复合材料通过保持架模具在热压机上热压得到轴承保持架管状坯料。热塑性聚酰亚胺基复合材料具有较小的密度，摩擦系数小，磨损量少且热变形温度高于270℃，热压出的轴承保持架管状坯料具有轻质特点，减轻轴承整体的重量，提高轴承的转速和运作稳定性，同时也能显著提高主机的效能。

Description

轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及到一种轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法。

背景技术

航空发动机主轴轴承使用的保持架多由金属合金材料制作而成，金属合金材料制作的保持架存在诸多缺点，如金属合金材料密度大，质量易偏心造成运转失稳，并产生较高频率的振动和冲击，有损发动机的正常运转和使用效能。如果发动机发生供油不足甚至断油时，装有金属合金保持架的轴承就会产生卡死现象，究其原因是：金属合金保持架在高温状态时容易产生磨损，且金属合金材料较硬，接触面间不能形成短期润滑层所致。

有研究表明，航空发动机所用金属合金保持架适用的高温环境一般不超过250℃。

由非金属材料制作的轴承保持架用于取代金属材料制作的轴承保持架是研发航空发动机的重要课题之一，这种非金属材料首先需要解决的是能在250℃高温环境下的使用问题，而能满足上述条件的非金属材料还未见报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法，该制备方法以热塑性聚酰亚胺为基材，并在热塑性聚酰亚胺中添加有增强改性材料，经过合成加工得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，将热塑性聚酰亚胺基复合材料通过保持架模具在热压机上热压得到轴承保持架管状坯料，该轴承保持架管状坯料的耐高温不低于250℃，具有轻质、较高的拉伸强度、优良的耐摩擦磨损性能等特点。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法，该制备方法以热塑性聚酰亚胺为基材，并在热塑性聚酰亚胺中添加有增强改性材料，增强改性材料包括芳纶浆粕纤维、氟化石墨和聚四氟乙烯，其中芳纶浆粕纤维要进行回流清洗，清洗的芳纶浆粕纤维以及热塑性聚酰亚胺和氟化石墨要进行真空干燥，经过合成加工得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，将热塑性聚酰亚胺基复合材料通过保持架模具在热压机上热压得到轴承保持架管状坯料，保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座。本发明的特征是：

①回流清洗

依次用无水乙醇、甲苯、蒸馏水这三种试剂对芳纶浆粕纤维进行回流清洗，每种试剂回流清洗的时间分别控制在2小时。

②真空干燥

将清洗后的芳纶浆粕纤维以及热塑性聚酰亚胺和氟化石墨分别放在真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，真空干燥2小时后取出并分别予以密封保存。

③合成加工热塑性聚酰亚胺基复合材料

热塑性聚酰亚胺基复合材料按重量百分比构成如下：

取②中：热塑性聚酰亚胺80～82%，芳纶浆粕纤维10～12%，氟化石墨3～5%，另取聚四氟乙烯3～5%。

将10～12%的芳纶浆粕纤维置于高速组织搅拌机进行开松处理15～20秒，高速组织搅拌机的转速控制在12000 r/min；将80～82%的热塑性聚酰亚胺、3～5%的聚四氟乙烯、3～5%的氟化石墨分别过200目筛进行筛分，然后将筛分后的热塑性聚酰亚胺、聚四氟乙烯以及氟化石墨一同放入高速组织搅拌机内与芳纶浆粕纤维一起搅拌3～5次，每次搅拌合成的时间控制在10～20秒，每次搅拌合成时高速组织搅拌机的转速控制在10000～12000r/min，搅拌合成后得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，最后使用二十倍显微镜观察所述热塑性聚酰亚胺基复合材料，若观察无明显色差即为合格并密封备用。

④保持架模具的尺寸构成

保持架模具应根据成品轴承保持架的内径和外径以及高度尺寸而定，即保持架模具中外套的内径尺寸是在成品轴承保持架外径尺寸的基础上至少增大3mm，保持架模具中芯子的外径尺寸是在成品轴承保持架内径尺寸的基础上至少缩小3mm，保持架模具中外套和芯子的高度尺寸是在成品轴承保持架高度尺寸的基础上至少增大3倍，保持架模具中冲头的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配，保持架模具中冲头的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配。

⑤热压

将③中得到热塑性聚酰亚胺基复合材料填充在④中的保持架模具内，将装有热塑性聚酰亚胺基复合材料的保持架模具置于热压机之上，热压机的压力控制在600Kg/cm²，热压机在压制5分钟时排除保持架模具内的空气，5分钟后对保持架模具实施加热，60分钟后将保持架模具加热到390℃，当温度达到390℃时热压机的压力加大到800 Kg/cm²并保温40分钟，保温40分钟期间热压机要自动补压，40分钟后停止加热，待温度低于150℃时脱模即得轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的管状坯料。

由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：

1、本发明热塑性聚酰亚胺基复合材料包括热塑性聚酰亚胺、芳纶浆粕纤维、聚四氟乙烯和氟化石墨，该热塑性聚酰亚胺复合材料既保留了热塑性聚酰亚胺的力学强度，同时又提高了热塑性聚酰亚胺的耐温性、改善了热塑性聚酰亚胺的耐磨性和润滑性。

2、本发明的热塑性聚酰亚胺基复合材料具有较高的耐温性、耐化学腐蚀性、较高的强度、低摩擦耐磨损等特性，密度小质轻有利于减轻保持架自身重量，提高轴承在高速运转过程中的稳定性。

3、本发明的轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料，其使用温度范围宽、轻质、尺寸稳定性好以及自润滑，具有高可靠性。

4、由热塑性聚酰亚胺基复合材料制作的轴承保持架坯料，其热变形温度不低于270℃，摩擦系数小、磨损量低。

5、由热塑性聚酰亚胺基复合材料制作的轴承保持架坯料，是提升航空发动机转速和效能的有效途径，在润滑油停止供应等极端情况下，热塑性聚酰亚胺基保持架材料能产生短期熔化润滑层，延长发动机断油后的运转时间，避免发动机的立即卡死，提高发动机的安全系数和运转平稳性。

具体实施方式

本发明是一种轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法。

该制备方法以热塑性聚酰亚胺为基材，聚酰亚胺在市场上可以购得两种，一种是热塑性聚酰亚胺，一种是热固性聚酰亚胺。

在热塑性聚酰亚胺中添加有增强改性材料，增强改性材料包括芳纶浆粕纤维、氟化石墨和聚四氟乙烯，其中芳纶浆粕纤维要进行回流清洗，清洗的芳纶浆粕纤维以及热塑性聚酰亚胺和氟化石墨要进行真空干燥，经过合成加工得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，将热塑性聚酰亚胺基复合材料通过保持架模具在热压机上热压得到轴承保持架管状坯料。上述前后归纳起来共经历了五个步骤过程。

上述保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座。

在上述参数的设置下，本发明的五个步骤过程分述如下：

①回流清洗

依次用无水乙醇、甲苯、蒸馏水这三种试剂对芳纶浆粕纤维进行回流清洗，每种试剂回流清洗的时间分别控制在2小时。芳纶浆粕纤维呈絮状，因此要对其实施回流清洗，所谓回流清洗就是不间断使用上述各试剂对芳纶浆粕纤维进行清洗，因为各试剂通过循环装置实现回流过程。

②真空干燥

将清洗后的芳纶浆粕纤维以及热塑性聚酰亚胺和氟化石墨分别放在真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，真空干燥2小时后取出并分别予以密封保存。真空干燥的目的是去除芳纶浆粕纤维、热塑性聚酰亚胺、氟化石墨所含的平衡水分。

上述①和②两步骤过程实际上是一个材料的预处理过程。

③合成加工热塑性聚酰亚胺基复合材料

热塑性聚酰亚胺基复合材料按重量百分比构成如下：

取②中：热塑性聚酰亚胺80～82%，芳纶浆粕纤维10～12%，氟化石墨3～5%，另取聚四氟乙烯3～5%。

本发明优选的热塑性聚酰亚胺基复合材料按重量百分比配比如下：

若热塑性聚酰亚胺取80%，则芳纶浆粕纤维取12%，聚四氟乙烯取3%，氟化石墨取5％。

若热塑性聚酰亚胺取81%，则芳纶浆粕纤维取11%，聚四氟乙烯取4%，氟化石墨取4％。

若热塑性聚酰亚胺取82%，则芳纶浆粕纤维取10%，聚四氟乙烯取5%，氟化石墨取3％。

将10～12%的芳纶浆粕纤维置于高速组织搅拌机进行开松处理15～20秒，高速组织搅拌机的转速控制在12000 r/min；将80～82%的热塑性聚酰亚胺、3～5%的聚四氟乙烯、3～5%的氟化石墨分别过200目筛进行筛分，然后将筛分后的热塑性聚酰亚胺、聚四氟乙烯以及氟化石墨一同放入高速组织搅拌机内与芳纶浆粕纤维一起搅拌3～5次，每次搅拌合成的时间控制在10～20秒，每次搅拌合成时高速组织搅拌机的转速控制在10000～12000r/min，搅拌合成后得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，最后使用二十倍显微镜观察所述热塑性聚酰亚胺基复合材料，若观察无明显色差即为合格并密封备用。

芳纶浆粕呈黄色絮状，热塑性聚酰亚胺呈黄色粉状，聚四氟乙烯呈白色粉状，氟化石墨呈灰白色粉状，经一起搅拌3～5次后得到的热塑性聚酰亚胺基复合材料呈淡黄色，使用二十倍显微镜观察热塑性聚酰亚胺基复合材料时若颜色均为淡黄色即称为无明显色差，这种色差是肉眼所不能观察到的。

④保持架模具的尺寸构成

设定某一成品轴承保持架具有外径D=66.8mm、内径d=58.3mm、高度H=16.6mm。

保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座。

保持架模具应根据成品轴承保持架的内径和外径以及高度尺寸而定，即保持架模具中外套的内径尺寸是在成品轴承保持架外径尺寸的基础上至少增大3mm，所述轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料坯体所用模具外套的最小外径=66.8+ 3.0=69.8mm；保持架模具中芯子的外径尺寸是在成品轴承保持架内径尺寸的基础上至少缩小3mm，所述轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料坯体所用模具的最大内径=58.3-3=55.3mm；保持架模具中外套和芯子的高度尺寸是在成品轴承保持架高度尺寸的基础上至少增大3倍，所述轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料坯体所用模具的最小高度=16.6×4=66.4mm；保持架模具中冲头的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配，保持架模具中冲头的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配。

⑤热压

将③中得到热塑性聚酰亚胺基复合材料填充在④中的保持架模具内，将装有热塑性聚酰亚胺基复合材料的保持架模具置于热压机之上，热压机的压力控制在600Kg/cm²，热压机在压制5分钟时排除保持架模具内的空气，5分钟后对保持架模具实施加热，60分钟后将保持架模具加热到390℃，当温度达到390℃时热压机的压力加大到800 Kg/cm²并保温40分钟，保温40分钟期间热压机要自动补压，40分钟后停止加热，待温度低于150℃时脱模即得轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的管状坯料。

下表是热塑性聚酰亚胺基复合材料的相关性能参数。

通过上表可以分析出：本发明的热塑性聚酰亚胺基复合材料具有较小的密度，密度小就使热压出的轴承保持架管状坯料具有轻质特点，有利于减轻轴承整体的重量，提高轴承的转速和运作稳定性，同时也能显著提高主机的效能。此外热塑性聚酰亚胺基复合材料具有较高的环状拉伸强度，260℃时其环状拉伸强度保持率为常温下的50%。热塑性聚酰亚胺基复合材料的摩擦系数小、磨损量少且热变形温度高于270℃，表示热塑性聚酰亚胺基复合材料具有自润滑和耐磨的特性，能有效延长发动机在润滑油供应不足甚至断油情况下的运转时间，避免发动机卡死，提高发动机的安全系数。

Claims (1)

1.一种轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的制备方法，该制备方法以热塑性聚酰亚胺为基材，并在热塑性聚酰亚胺中添加有增强改性材料，增强改性材料包括芳纶浆粕纤维、氟化石墨和聚四氟乙烯，其中芳纶浆粕纤维要进行回流清洗，清洗的芳纶浆粕纤维以及热塑性聚酰亚胺和氟化石墨要进行真空干燥，经过合成加工得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，将热塑性聚酰亚胺基复合材料通过保持架模具在热压机上热压得到轴承保持架管状坯料，保持架模具包含外套、芯子、冲头和底座；其特征是：

①回流清洗

依次用无水乙醇、甲苯、蒸馏水这三种试剂对芳纶浆粕纤维进行回流清洗，每种试剂回流清洗的时间分别控制在2小时；

②真空干燥

将清洗后的芳纶浆粕纤维以及热塑性聚酰亚胺和氟化石墨分别放在真空干燥箱内进行真空干燥，真空干燥箱的真空度控制在-0.1MPa，真空干燥箱的温度控制在80℃，真空干燥2小时后取出并分别予以密封保存；

③合成加工热塑性聚酰亚胺基复合材料

热塑性聚酰亚胺基复合材料按重量百分比构成如下：

取②中：热塑性聚酰亚胺80～82%，芳纶浆粕纤维10～12%，氟化石墨3～5%，另取聚四氟乙烯3～5%；

将10～12%的芳纶浆粕纤维置于高速组织搅拌机进行开松处理15～20秒，高速组织搅拌机的转速控制在12000 r/min；将80～82%的热塑性聚酰亚胺、3～5%的聚四氟乙烯、3～5%的氟化石墨分别过200目筛进行筛分，然后将筛分后的热塑性聚酰亚胺、聚四氟乙烯以及氟化石墨一同放入高速组织搅拌机内与芳纶浆粕纤维一起搅拌3～5次，每次搅拌合成的时间控制在10～20秒，每次搅拌合成时高速组织搅拌机的转速控制在10000～12000r/min，搅拌合成后得到热塑性聚酰亚胺基复合材料，最后使用二十倍显微镜观察所述热塑性聚酰亚胺基复合材料，若观察无明显色差即为合格并密封备用；

④保持架模具的尺寸构成

保持架模具应根据成品轴承保持架的内径和外径以及高度尺寸而定，即保持架模具中外套的内径尺寸是在成品轴承保持架外径尺寸的基础上至少增大3mm，保持架模具中芯子的外径尺寸是在成品轴承保持架内径尺寸的基础上至少缩小3mm，保持架模具中外套和芯子的高度尺寸是在成品轴承保持架高度尺寸的基础上至少增大3倍，保持架模具中冲头的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配，保持架模具中冲头的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的内径尺寸与芯子的外径尺寸相匹配，保持架模具中底座的外径尺寸与外套的内径尺寸相匹配；

⑤热压

将③中得到热塑性聚酰亚胺基复合材料填充在④中的保持架模具内，将装有热塑性聚酰亚胺基复合材料的保持架模具置于热压机之上，热压机的压力控制在600Kg/cm²，热压机在压制5分钟时排除保持架模具内的空气，5分钟后对保持架模具实施加热，60分钟后将保持架模具加热到390℃，当温度达到390℃时热压机的压力加大到800 Kg/cm²并保温40分钟，保温40分钟期间热压机要自动补压，40分钟后停止加热，待温度低于150℃时脱模即得轴承保持架用热塑性聚酰亚胺基复合材料的管状坯料。