CN103122145A

CN103122145A - 一种聚酰亚胺自润滑复合材料

Info

Publication number: CN103122145A
Application number: CN2011103694720A
Authority: CN
Inventors: 张新瑞; 王齐华; 王廷梅; 裴先强
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2013-05-29

Abstract

本发明公开了一种碳纤维、固体润滑剂和纳米粒子复合填充聚酰亚胺自润滑复合材料。复合材料具有机械强度高，摩擦系数小、磨损率低等特点。可加工为滑片，轴承等使用，提高了材料的减摩耐磨能力，延长材料使用寿命。

Description

一种聚酰亚胺自润滑复合材料

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺自润滑复合材料，具体的讲，本发明涉及一种碳纤维、固体润滑剂和纳米粒子复合填充改性聚酰亚胺自润滑复合材料。

背景技术

聚酰亚胺是20世纪50年代发展起来的一类高分子材料，其主链上含有酰亚胺环，耐高温、耐辐射，且具有优良的机械性能，被誉为“塑料之王”，已广泛应用在航空、航天、微电子、激光等领域。近年来，各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列入21世纪最有希望的工程塑料之一，其巨大的应用前景已经得到充分的认识，被称为是“解决问题的能手”。

纯聚酰亚胺材料摩擦学特性较差，某些性能在苛刻条件下难以满足使用要求，必须对其进行改性。纤维填充改善聚合物摩擦磨损性能是一个广泛而常用的方法。碳纤维是20世纪60年代初发展起来的一种新型材料。它的强度比钢大，密度比铝合金低，在现代宇航技术发展中，已成为一种不可缺少的新颖材料。碳纤维增强聚合物复合材料是目前最先进的复合材料之一，它的显著优点是重量轻、纤度好、抗拉强度高，同时具有一般碳材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等。但是单纯采用纤维填充改性后，聚合物摩擦磨损性能改善效果略显不足。填充固体润滑剂虽然改善了聚合物的摩擦磨损性能，但一般情况下会降低材料的力学性能。随着航天航空等高新技术领域的不断发展，要求聚合物自润滑复合材料在极短的时间内到达稳态平衡，为此采用多种功能性填料复合填充改性。在聚酰亚胺树脂基体中加入碳纤维来提高其机械性能，填充固体润滑剂减小聚合物摩擦力，此外，加入少量纳米粒子能有效保护碳纤维，降低摩擦系数和磨损率，并有效缩短到达稳态平衡的时间。

目前的聚合物自润滑复合材料主要存在的问题是减摩耐磨能力低、使用寿命短、到达稳态时间较长以及强度不够。中国现有相关专利有：98101237.X-种含短纤维的聚酰亚胺复合材料及其制备方法和用途、03141663.2芳纶纤维/聚酰亚胺复合材料及其制备方法、200410053664.0稀土改性碳纤维/聚酰亚胺复合材料制备方法、200410032159.8一种短纤维增强聚酰亚胺复合材料及制备方法和用途。这些材料大多采用纤维改性聚酰亚胺，对聚酰亚胺摩擦学性能改善效果不足，且到达稳态时间较长。

发明内容

本发明目的是提供一种聚酰亚胺自润滑复合材料，该材料具有良好的机械强度、良好的自润滑性能以及较长的使用寿命。

本发明的目的通过如下措施来实现：

本发明方法采用碳纤维、固体润滑剂、纳米粒子复合填充聚酰亚胺，其机械强度高、到达稳态时间短，且具有良好的自润滑性能。选用聚酰亚胺做树脂基体，采用碳纤维、固体润滑剂、纳米粒子复合填充改性。

一种聚酰亚胺自润滑复合材料，其特征在于该材料通过下列步骤来制备：

A、采用湿法混料，将纳米氮化硅加入到工业酒精中，超声搅拌，然后依次加入聚酰亚胺、石墨和碳纤维，充分混合均匀，然后抽滤烘干；所述的原料的组成和质量分数为聚酰亚胺55～75％、碳纤维10～25％、石墨5～20％、纳米氮化硅3～8％；

B、将混好的模料倒入模具中热压成型，模压温度360～380℃，压力35～40MPa，保温保压40～60分钟，自然冷却。

本发明采用的聚酰亚胺为单醚酐型，分子中具有十分稳定的苯环和柔顺的醚键结构，有良好的耐磨性能。其重复结构单元为：

本发明所述的聚酰亚胺的粒径为50～75μm。

本发明所述的石墨的粒径为38～48μm。

本发明所述的碳纤维的粒径为50～75μm。

本发明所述的纳米氮化硅的粒径为20～50nm。

本发明的材料是由树脂基体、增强体、固体润滑剂和纳米粒子组成。本发明选用聚酰亚胺做树脂基体是因为其耐高温、耐辐射，且具有优良的机械性能；选用碳纤维做增强体是因为其重量轻、纤度好、抗拉强度高，耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等；选用石墨做润滑添加剂是因为石墨热稳定性和化学稳定性好且减摩性能优秀，添加纳米氮化硅是因为它与碳纤维以及石墨具有协同效应，极大地缩短到达稳态的时间。

本发明的特点在于所制备的聚酰亚胺自润滑复合材料机械强度高，摩擦系数小、磨损率低等特点，具有良好的润滑性能和机械性能，可以通过使接触面产生轻薄均一的转移膜的方法降低聚酰亚胺材料摩擦系数，提高了材料的减摩耐磨能力，延长材料使用寿命。

本发明材料的主要性能指标如下：

1.硬度(邵D)：≥60

2.大气下摩擦系数：0.10～0.15

3.大气下体积磨损率：≤5×10^-6mm³/N·m

4.压缩强度：≥160MPa

5.弯曲强度：≥100MPa

6.稳态平衡时间：≤8min

本发明通过添加石墨和纳米氮化硅改善聚酰亚胺摩擦学性能，同时采用用碳纤维做增强体，保证材料具有良好的机械性能。该材料可加工为滑片，轴承等使用，提高了材料的减摩耐磨能力，延长材料使用寿命。

具体实施方式

实施例1

采用湿法混料，将纳米氮化硅加入到工业酒精中，超声搅拌，然后依次加入聚酰亚胺、石墨和碳纤维，充分混合均匀，然后抽滤烘干；所述的原料的组成和质量分数为聚酰亚胺55％、碳纤维20％、石墨20％、纳米氮化硅5％。将混好的模料倒入模具中热压成型，模压温度360℃，压力38MPa，保温保压40分钟，自然冷却。

实施例2

采用湿法混料，将纳米氮化硅加入到工业酒精中，超声搅拌，然后依次加入聚酰亚胺、石墨和碳纤维，充分混合均匀，然后抽滤烘干；所述的原料的组成和质量分数为聚酰亚胺70％、碳纤维10％、石墨14％、纳米氮化硅6％。将混好的模料倒入模具中热压成型，模压温度380℃，压力36MPa，保温保压50分钟，自然冷却。

实施例3

采用湿法混料，将纳米氮化硅加入到工业酒精中，超声搅拌，然后依次加入聚酰亚胺、石墨和碳纤维，充分混合均匀，然后抽滤烘干；所述的原料的组成和质量分数为聚酰亚胺60％、碳纤维17％、石墨20％、纳米氮化硅3％。将混好的模料倒入模具中热压成型，模压温度370℃，压力40MPa，保温保压40分钟，自然冷却。

实施例4

采用湿法混料，将纳米氮化硅加入到工业酒精中，超声搅拌，然后依次加入聚酰亚胺、石墨和碳纤维，充分混合均匀，然后抽滤烘干；所述的原料的组成和质量分数为聚酰亚胺65％、碳纤维25％、石墨5％、纳米氮化硅5％。将混好的模料倒入模具中热压成型，模压温度365℃，压力35MPa，保温保压60分钟，自然冷却。

Claims

1.一种聚酰亚胺自润滑复合材料，其特征在于该材料通过下列步骤来制备：

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于聚酰亚胺为单醚酐型，分子中具有十分稳定的苯环和柔顺的醚键结构，其重复结构单元为：

3.如权利要求1所述的材料，其特征在于聚酰亚胺的粒径为50～75μm。

4.如权利要求1所述的材料，其特征在于石墨的粒径为38～48μm。

5.如权利要求1所述的材料，其特征在于碳纤维的粒径为50～75μm。

6.如权利要求1所述的材料，其特征在于纳米氮化硅的粒径为20～50nm。