CN103911118A - 旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法，各组分的重量百分含量如下：聚酰亚胺 50～70%，碳纤维 10～20%，聚四氟乙烯 5～15%，石墨5～15%，三氧化二铝0～10%。将成比例的聚酰亚胺和聚四氟乙烯混合均匀，然后加入碳纤维、石墨和三氧化二铝，充分混合均匀；将混好的模料倒入模具中，热压成型，模压温度360～380℃，压力10～20MPa,自然冷却。本产品具有机械强度高，摩擦系数稳定、磨损率低等特点。该复合材料容易加工成薄片而在旋转型超声电机中使用，提高了超声电机的输出特性，延长了材料的使用寿命。

Description

旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法，属于超声电机技术领域。

背景技术

超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，适合其摩擦驱动要求的聚合物摩擦材料得到不断发展，摩擦材料的理化性能直接影响超声电机的性能。然而，聚酰亚胺是20世纪50年代发展起来的耐热性较高的一类高分子材料，耐高温、耐辐射，且具有优良的机械性能和摩擦学性能，被誉为“塑料之王”，尤其在高温、高压和高速等苛刻环境下具有优异的减摩润滑特性, 已在航空、航天、电器、机械、化工及微电子等高技术领域得到了广泛应用。聚酰亚胺薄膜产品典型的成型工艺为流延法，而整体材料通常采用热压烧结法成型。其中，模压件主要用于高温无润滑轴承的制造，具有较高的使用价值。纯聚酰亚胺的抗磨性能相对较差，难以满足旋转型超声电机的使用要求, 为此, 对聚酰亚胺进行性能进行增强改性成为当前研究的热点。

国内目前旋转型超声电机使用的聚合物摩擦材料主要存在两大问题：一是摩擦性能不稳定，二是使用寿命短。国内现有相关专利有： 03132555 聚四氟乙烯基超声马达的摩擦材料、200410043602 聚苯酯塑料合金超声马达的摩擦材料、200610040708 超声电机热固性树脂基摩擦材料及摩层制作法和辅助工具、200810064524 用于制造超声马达热塑性复合材料摩擦片的方法和工具、200810064637 超声马达各向异性摩擦片的制备方法及其专用制备装置。这些聚合物材料机械性能差且磨损率高，本发明方法制备的纤维增强固体润滑剂改性的聚酰亚胺复合材料机械强度高且具有较好的耐磨性。

发明内容

本发明目的是提供一种旋转型超声电机使用的聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法，该材料具有良好的机械强度、良好的输出稳定性以及较长的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段如下：

通过纤维增强固体润滑剂改性制备聚酰亚胺摩擦材料，该材料的组成和质量分数为：聚酰亚胺50～70%、碳纤维 10～20%、聚四氟乙烯5～15 %、石墨5～15 %以及三氧化二铝0～10 %。

所述聚酰亚胺粒径为 60～85μm。

所述石墨粒径为50～70μm。

所述碳纤维的纤维直径7μm，长度20～50mm。

所述聚四氟乙烯的粒径为20～35μm。

所述三氧化二铝粒径为20～50 nm。

所述旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料的制备方法，该方法依次包括如下步骤：

1）将成比例的聚酰亚胺和聚四氟乙烯混合均匀，然后加入碳纤维、石墨和三氧化二铝，充分混合均匀；

2）将步骤1）混好的模料倒入模具中，热压成型，模压温度360～380℃，压力10～20MPa,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，有较低的摩擦系数及良好的耐磨性能。其结构式为：

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和摩擦学性能；选择聚酰亚胺模塑粉的粒径为 60～85μm，因为该模塑粉尺寸范围小，适合热压成型；选用碳纤维做增强体是因为其力学性能好和摩擦学性能优越；碳纤维的纤维直径7μm，长度20～50mm，该尺寸的碳纤维能够提高其与基体的相容性，提高分散均匀性。

选用聚四氟乙烯和石墨做固体润滑剂是因为其价格便宜和润滑性能突出，选用三氧化二铝做为改性剂是得益于其良好的耐热性和较高的硬度。

为了提高与基体的兼容性，选用与聚酰亚胺模塑粉尺寸相近的鳞片石墨，粒径为50～70μm。选用的聚四氟乙烯粒径为20～35μm ，能够与聚酰亚胺模塑粉均匀分散；选用的三氧化二铝为纳米颗粒，粒径为20～50 nm，具有更加优异的增强增硬效果。

旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1）将成比例的聚酰亚胺模塑粉、碳纤维、聚四氟乙烯、石墨和三氧化二铝混合均匀；

2）将混好的模料倒入模具中热压成型，模压温度360～380℃，压力10～20MPa,自然冷却。制备得到的产品的主要性能指标如下：

1.     表面硬度（邵A）：≥80

2.     常温下拉伸强度：≥150MPa

3.     大气下摩擦系数：0.18～0.25

4.     大气下体积磨损率：≤5.0×10^-7mm³/N·m

5.     使用寿命根据磨合期质量损失推算：≥10000 h (磨合40小时质量损失小于1.8mg，总重0.5g的旋转型超声电机转子摩擦材料的使用寿命大于10000h)

采用短切碳纤维即碳纤维的纤维直径7μm，长度20～50mm增强聚酰亚胺，采用三氧化二铝改性，同时采用聚四氟乙烯和石墨改善复合材料的摩擦学性能，保证材料具有良好的机械性能和摩擦学性能。该材料容易加工成薄片而在旋转型超声电机中使用，提高了超声电机的输出特性，延长了材料的使用寿命。

有益效果

本发明提供了一种旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法，所制备的旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料的机械强度高、摩擦系数稳定、磨损率低等特点，具有良好的机械性能和润滑性能，能够满足旋转型超声电机转子摩擦材料的要求，额定转速大于80r/min。可以通过使接触面产生轻薄均一转移膜的方法完成旋转型超声电机的磨合，提高摩擦界面的稳定性，延长摩擦材料的使用寿命。

具体实施方式

以下实施例中选用的聚酰亚胺平均粒径为75μm，购自上海合成树脂研究所；石墨的平均粒径为60μm，购自山西煤炭化学研究所；碳纤维的直径为7μm，长度范围为20～50 mm（短切碳纤维），购自江苏南通碳纤维有限公司；聚四氟乙烯的平均粒径为30μm，购自日本大金工业株式会社；三氧化二铝颗粒的平均粒径为35 nm，购自Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司。

实施例１

旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，各组分的重量百分含量如下：聚酰亚胺 50%，短切碳纤维 20%，聚四氟乙烯 15%，石墨 5%，三氧化二铝 10%；

先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯球磨混合均匀，然后加入短切碳纤维、石墨、三氧化二铝，充分混合均匀；

将混合均匀的模料倒入模具中热压成型，模压温度375℃，压力15MPa,自然冷却; 所制备的聚酰亚胺复合材料的摩擦系数为0.21，磨损率为4.6×10^-7mm³/N·m，使用寿命大于10800 h。

实施例2

旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，各组分的重量百分含量如下：聚酰亚胺 60%，短切碳纤维 15%，聚四氟乙烯 10%，石墨 10%，三氧化二铝 5%；

先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯球磨混合均匀，然后加入短切碳纤维、石墨、三氧化二铝，充分混合均匀；

将混合均匀的模料倒入模具中热压成型，模压温度370℃，压力14MPa,自然冷却; 所制备的聚酰亚胺复合材料的摩擦系数为0.23，磨损率为4.8×10^-7mm³/N·m。使用寿命大于10400 h。

实施例3

旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，各组分的重量百分含量如下：聚酰亚胺 70%，短切碳纤维 20%，聚四氟乙烯5%，石墨 5%；

先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯球磨混合均匀，然后加入短切碳纤维、石墨，充分混合均匀；

将混合均匀的模料倒入模具中热压成型，模压温度373℃，压力15MPa,自然冷却; 所制备的聚酰亚胺复合材料的摩擦系数为0.25，磨损率为5.0×10^-7mm³/N·m。使用寿命大于10000 h。

实施例4

旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，各组分的重量百分含量如下：聚酰亚胺 60%，短切碳纤维 10%，聚四氟乙烯 10%，石墨 15%，三氧化二铝 5%；

先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯球磨混合均匀，然后加入短切碳纤维、石墨、三氧化二铝，充分混合均匀；

将混合均匀的模料倒入模具中热压成型，模压温度380℃，压力16MPa,自然冷却; 所制备的聚酰亚胺复合材料的摩擦系数为0.18，磨损率为4.4×10^-7mm³/N·m,使用寿命大于11000 h。

Claims (7)

1.一种旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于各组分的重量百分含量如下：

聚酰亚胺  50～70 % ，碳纤维  10～20%，聚四氟乙烯  5～15 %，石墨 5～15 %，三氧化二铝 0～10 %。

2.如权利要求1所述的旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述聚酰亚胺粒径为 60～85μm。

3.如权利要求1所述的旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述石墨粒径为50～70μm。

4.如权利要求1所述的旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述碳纤维的纤维直径7μm，长度20～50mm。

5.如权利要求1所述的旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述聚四氟乙烯的粒径为20～35μm。

6.如权利要求1所述的旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述三氧化二铝粒径为20～50 nm。

7.如权利要求1所述旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料的制备方法，该方法依次包括如下步骤：

1）将成比例的聚酰亚胺和聚四氟乙烯混合均匀，然后加入碳纤维、石墨和三氧化二铝，充分混合均匀；

2）将步骤1）混好的模料倒入模具中，热压成型，模压温度360～380℃，压力10～20MPa,自然冷却。