CN104893288A - 用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，属于电机材料制备领域。包括以下质量百分比的组分：聚酰亚胺60-80%、碳纤维10-20%、石墨10-20%。本发明孔隙分布均匀、摩擦系数稳定、磨损率极低，并具有良好的持续润滑能力，能够满足旋转型超声电机定转子摩擦的要求，额定转速大于80r/min，可以通过使接触面产生轻薄均匀润滑膜的方法完成旋转型超声电机的长期使用，大大延长超声电机的使用寿命。本发明还提供了用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料的制备方法。

Description

用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺复合材料及制备方法，具体讲是一种用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料及制备方法，属于电机材料制备领域。

背景技术

超声电机是20世纪80年代迅速发展并具有特殊应用的一种新型微电机，由于超声电机通过摩擦界面输送动力，因而界面的摩擦特性对超声电机的整体性能的发挥至关重要。目前超声电机摩擦驱动模式为定子与转子间的干摩擦，材料的磨损不可避免，由于磨损造成超声电机使用寿命缩短以及预压力发生变化，从而导致超声电机输出转速不稳定。因此，寻求长寿命高可靠的耐磨材料是超声电机急需解决的难题。

目前旋转型超声电机使用的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。

2003年08月07日，中国发明专利申请03132555.6，公开了一种聚四氟乙烯基超声马达的摩擦材料，包含纳米金刚石和聚四氟乙烯,该材料的自润滑性能够降低噪声,动静摩擦系数接近、热化学性质稳定、易加工等优点恰好满足了超声马达对摩擦材料的要求。2005年2月23日，中国发明专利CN 1583841A,公开了一种聚苯酯塑料合金超声马达的摩擦材料，采用聚四氟乙烯和聚苯酯,其具有堵转力矩大、转速高、噪声低、磨损小、硬度高、粘接性好的优点。2006年5月29日，中国发明专利申请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，由热固性树脂、固化剂、纳米耐磨粉、碳纤维、氧化铜、聚四氟乙烯、铜粉、丁腈橡胶、矿物质组成，具有优越的耐磨性、合适的硬度、优良的输出特性。但是，上述聚合物复合材料机械性能差且在干摩擦条件下磨损率高，无法保证超声电机长期稳定地运行，大大地缩短了了超声电机使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种耐磨性好，能持续润滑，能大大延长超声电机使用寿命的多孔含油聚酰亚胺复合材料及制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，包括以下质量百分比的组分：聚酰亚胺60-80％、碳纤维10-20％和石墨10-20％。

作为改进，还包括二氧化硅，所述二氧化硅的质量百分比为0-5％。

作为改进，所述聚酰亚胺为单醚酐型，平均粒径为75μm，其分子结构式为

聚酰亚胺作为一种自润滑高分子材料，具有耐高温、抗辐照、耐磨损等特性,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。单醚酐型聚酰亚胺的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高温、耐辐射,且具有优良的机械性能和摩擦学性能；采用聚酰亚胺模塑粉的粒径为75μm，因为该模塑粉性能稳定，非常适合模压成型。

作为改进，所述碳纤维的为短切碳纤维，直径7μm，长度20-50mm。选用碳纤维做增强材料是因为其力学性能良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树脂基体的相容性，提高分散均匀性。

作为改进，所述石墨的粒径为50-70μm。选用石墨做固体润滑剂是因其价格便宜和润滑性能突出，采用50～70μm粒径与聚酰亚胺模塑粉尺寸相近的鳞片石墨，为可以提高其与基体的兼容性，。

作为改进，所述二氧化硅为纳米颗粒，其粒径为20nm。选用二氧化硅作为改性剂是得益于其良好的耐磨性和较高的硬度；二氧化硅纳米颗粒粒径为20nm，其具有更加优异的增强增硬效果。

本发明还提供了上述用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)、按各组分质量百分比备料并混合均匀；

2)、将步骤1)混合后的物料冷压成型，压力10-20MPa；然后进行烧结，烧结温度为370℃-375℃，烧结1h后自然冷却；

3)、将步骤2)得到的复合材料置于115-125℃环境下，真空干燥2-3h后，浸入润滑油至少60h，得到聚酰亚胺多孔含油润滑材料。

本发明的有益效果在于：(1)、本发明多孔含油聚酰亚胺复合材料的孔隙分布均匀、摩擦系数稳定、磨损率极低，并具有良好的持续润滑能力，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匀润滑膜的方法满足旋转型超声电机的长期使用，大大延长超声电机的使用寿命；(2)、以短切碳纤维增强聚酰亚胺作为基体，采用石墨和二氧化硅协同改性提高材料自身的耐磨性，能够满足超声电机磨合期或多次启停时的使用要求，超声电机运行过程中能够持续形成润滑膜，该材料具有极低的磨损率，能够保证超声电机的稳定运行。(3)、本发明方法制备的多孔含油聚酰亚胺复合材料耐磨性好，多孔含油润滑材料因其在使用过程中依靠循环式持续供油而不需要另外添加润滑油，非常适合于供油困难与避免润滑油污染的场合，持续润滑能够大大降低超声电机定转子间的磨损。

附图说明

图1为本发明各实施案例中的摩擦系数变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明多孔含油聚酰亚胺复合材料主要用于旋转型超声电机，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；石墨的粒径为50-70μm，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20～50mm(短切碳纤维)，购自江苏南通碳纤维有限公司；二氧化硅颗粒的平均粒径为20nm，购自Sigma-Aldrich西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司；润滑油采用壳牌ATF MD3型润滑油。

实施例1

超声电机用多孔含油聚酰亚胺复合材料各组分的重量百分比如下：聚酰亚胺60％、短切碳纤维20％、石墨15％、二氧化硅5％。

具体制备步骤：

1、先将聚酰亚胺、短切碳纤维、石墨和二氧化硅充分混合均匀；

2、将混合均匀的物料倒入模具中冷压成型，压力20MPa；

3、将成型后的物料置于高温烘箱中升温至370℃，烧结1h，自然冷却脱模；

4、将得到的复合材料置于120℃环境下，真空干燥2h后，浸入润滑油60h使内部孔隙充分浸润，用棉布擦洗掉材料表面吸附的润滑油得到聚酰亚胺多孔含油润滑材料。

本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的孔隙率22％、含油率19％、在150N、300r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.05，磨损率为7.3×10^-8mm³/N·m。

实施例2

超声电机用多孔含油聚酰亚胺复合材料各组分的重量百分比如下：聚酰亚胺65％、短切碳纤维15％、石墨15％、二氧化硅5％。

具体制备步骤：

1、先将聚酰亚胺、短切碳纤维、石墨和二氧化硅充分混合均匀；

2、将混合均匀的物料倒入模具中冷压成型，压力16MPa；

3、将成型后的物料置于高温烘箱中升温至375℃，烧结1h，自然冷却脱模；

4、将得到的复合材料置于115℃环境下，真空干燥2.5h后，浸入润滑油65h使内部孔隙充分浸润，用棉布擦洗掉材料表面吸附的润滑油得到聚酰亚胺多孔含油润滑材料。

本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的孔隙率23％、含油率20％、摩擦系数为0.04、磨损率为6.1×10^-8mm³/N·m。

实施例3

超声电机用多孔含油聚酰亚胺复合材料各组分的重量百分比如下：聚酰亚胺70％、短切碳纤维10％、石墨20％；

具体制备步骤：

1、先将聚酰亚胺、短切碳纤维和石墨充分混合均匀；

2、将混合均匀的物料倒入模具中冷压成型，压力10MPa；

3、将成型后的物料置于高温烘箱中升温至375℃，烧结1h，自然冷却脱模；

4、将得到的复合材料置于120℃环境下，真空干燥2h后，浸入润滑油65h使内部孔隙充分浸润，用棉布擦洗掉材料表面吸附的润滑油得到聚酰亚胺多孔含油润滑材料。

本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的孔隙率26％、含油率22％、摩擦系数为0.02、磨损率为3.8×10^-8mm³/N·m。

实施例4

超声电机用多孔含油聚酰亚胺复合材料各组分的重量百分含量如下：聚酰亚胺80％、短切碳纤维10％、石墨10％；

具体制备步骤：

1、先将聚酰亚胺、短切碳纤维和石墨充分混合均匀；

2、将混合均匀的物料倒入模具中冷压成型，压力20MPa；

3、将成型后的物料置于高温烘箱中升温至374℃，烧结1h，自然冷却脱模；

4、将得到的复合材料置于120℃环境下，真空干燥2h后，浸入润滑油66h使内部孔隙充分浸润，用棉布擦洗掉材料表面吸附的润滑油得到聚酰亚胺多孔含油润滑材料。

本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的孔隙率30％，含油率25％，摩擦系数为0.01，磨损率为2.6×10^-8mm³/N·m。

实施例5

超声电机用多孔含油聚酰亚胺复合材料各组分的重量百分比如下：聚酰亚胺75％、短切碳纤维10％、石墨10％、二氧化硅5％。

具体制备步骤：

1、先将聚酰亚胺、短切碳纤维、石墨和二氧化硅充分混合均匀；

2、将混合均匀的物料倒入模具中冷压成型，压力20MPa；

3、将成型后的物料置于高温烘箱中升温至375℃，烧结1h，自然冷却脱模；

4、将得到的复合材料置于125℃环境下，真空干燥3h后，浸入润滑油65h使内部孔隙充分浸润，用棉布擦洗掉材料表面吸附的润滑油得到聚酰亚胺多孔含油润滑材料。

本实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的孔隙率28％、含油率23％、摩擦系数为0.03、磨损率为3.3×10-8mm3/N·m。

如图1所示，各图1实施例制备所得聚酰亚胺复合材料的摩擦系数变化图。图中曲线序号1至5分别对应实施例1至5所得聚酰亚胺复合材料的摩擦系数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，其特征在于包括以下质量百分比的组分：聚酰亚胺60-80％、碳纤维10-20％、石墨10-20％。

2.根据权利要求1用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，其特征在于：还包括二氧化硅，所述二氧化硅的质量百分比为0-5％。

3.根据权利要求2所述的用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，其特征在于：所述聚酰亚胺为单醚酐型，平均粒径为75μm，其分子结构式为

4.根据权利要求3所述的用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，其特征在于：所述碳纤维的为短切碳纤维，直径7μm，长度20-50mm。

5.根据权利要求4所述的用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，其特征在于：所述石墨的粒径为50-70μm。

6.根据权利要求5所述的用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料，其特征在于：所述二氧化硅为纳米颗粒，其粒径为20nm。

7.权利要求1到6任一项所述用于超声电机的多孔含油聚酰亚胺复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、按各组分质量百分比备料并混合均匀；

2)、将步骤1)混合后的物料冷压成型，压力10-20MPa；然后进行烧结，烧结温度为370℃-375℃，烧结1h后自然冷却；

3)、将步骤2)得到的复合材料置于115-125℃环境下，真空干燥2-3h后，浸入润滑油至少60h，得到聚酰亚胺多孔含油润滑材料。