CN105820567B - 一种石墨烯改性聚酰亚胺复合材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种石墨烯改性聚酰亚胺复合材料及其应用，该复合材料是通过将聚酰亚胺、聚四氟乙烯、芳纶纤维、石墨烯和硅酸铝混合后热压烧结成型，最后脱模获得；该符合材料具有摩擦系数稳定和磨损率低的特点，可加工成薄片在旋转型超声电机中使用，能够提高超声电机的速度稳定性和使用寿命。

Description

一种石墨烯改性聚酰亚胺复合材料及其应用
技术领域
本发明涉及聚合物复合材料领域，特别是一种石墨烯改性聚酰亚胺复合材料及其应用。
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，其基于功能陶瓷的超声波频率的振动实现驱动，与传统电机相比，具有低速大力矩输出、功率密度高、起停控制性好、定位精确、无电磁干等优点，在航空航天、精密仪器等领域具有广泛的应用前景。
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整体性能的发挥至关重要，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，而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，将导致超声电机输出转速不稳定。目前旋转型超声电机使用的摩擦材料为聚四氟乙烯复合材料, 该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，且聚四氟乙烯为典型的具有冷流性的塑料，受载时容易出现蠕变现象。目前，国内还没有摩擦材料能完全解决以上两个问题并同时满足超声电机的使用需求。
聚酰亚胺是一种绝缘性能好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损且抗压的一种高分子材料，然而纯的聚酰亚胺性能单一，很难满足复杂环境和苛刻条件下的使用要求，但聚酰亚胺可设计性能强，可以通过纤维增强，石墨烯改性，固体润滑剂改性以及无机氧化物填充赋予其特殊的性能。
申请人于2014年公开一种旋转型超声电机用聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法，申请号为201410127927.1，但是该专利获得材料的耐磨性还不足以满足超声电机多功能化的使用要求，运动转换效率低，能耗高，特殊环境下（高低温交变、辐照环境条件下）磨损寿命还不能完全保证。
发明内容
针对上述超声电机现有技术存在的上述不足，本发明提供一种具有摩擦性能稳定且耐磨性良好的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料本发明是这样实现的：
一种石墨烯改性聚酰亚胺复合材料，该材料是通过如下方法获得的：
A）以体积百分数计，首先将60～70%的聚酰亚胺和10～20%的聚四氟乙烯按照湿法混合，然后加入10～20%的芳纶纤维、0～3的石墨烯和0～4%的硅酸铝，混合均匀后于120℃烘干，粉碎，过200目筛，获得模料；
B）将模料加入模具中进行热压烧结成型，模压温度360～380℃，压力10～20MPa，自然冷却脱模，即获得所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料；
进一步，本发明所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料中聚酰亚胺平均粒径为75μm。
进一步，本发明所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料中芳纶纤维直径为7μm，长度为20-50μm。
进一步，本发明所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料中聚四氟乙烯粒径为20～35μm。
进一步，本发明所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料中石墨烯横向尺寸分布范围为0.1-10μm，厚度为1nm。
进一步，本发明所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料中硅酸铝粒径为6.5μm.
进一步，本发明所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料在制备超声电机转子中的应用。
本发明采用聚酰亚胺为平均为粒径75μm的模压粉，性能稳定，适合无机颗粒填充和模压；直径7μm，长度20～50μm，的芳纶纤维纤维具有较好的力学性能良好和摩擦学性能，做为增强材料能够提高其与树脂基体的相容性，同时提高分散均匀性；固体润滑剂聚四氟乙烯则具有良好的自润滑性能和较低的表面能；石墨烯则具有良好的韧性及突出的耐磨性能；而改性剂硅酸铝则良好的耐磨性和较高的表面硬度。由上述原料制备的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料摩擦系数稳定、磨损率低，能够满足旋转型超声电机转子摩擦材料的要求，可将超声电机的使用寿命提高一倍以上，同时该材料以芳纶纤维增强聚酰亚胺树脂基体，采用石墨烯和硅酸铝协同改性提高材料自身的机械性能和耐磨性，能够满足超声电机磨合期或多次启停时的使用要求；此外聚酰亚胺材料抗压性能良好，在室温下压缩模量高达1.5GPa，具有良好的抗压耐蠕变性能，作为转子摩擦材料避免了超声电机因储存过久发生的齿陷问题。
附图说明
图1为本发明各实施例获得的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料摩擦系数变化曲线示意图。
图2为本发明各实施例获得的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料磨损率变化示意图。
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。
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；聚四氟乙烯的平均粒径为30μm，购自日本大金工业株式会社(上海分公司)；
实施例中石墨烯的横向尺寸分布范围为0.1-10μm，厚度为1nm，购自南京吉仓纳米科技有限公司；
芳纶纤维的直径为7μm，长度范围为20～50mm，购自江苏南通芳纶纤维有限公司；
硅酸铝颗粒的平均粒径为6.5μm，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
实施例1
本实施例中制备的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料各组分的体积百分比如下：聚酰亚胺60%、芳纶纤维20%、聚四氟乙烯15%、石墨烯1%、硅酸铝4%。
具体制备步骤：
1、先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯在酒精中球磨混合均匀，然后加入芳纶纤维、石墨烯、硅酸铝，充分混合均匀，然后进行120℃烘干、粉碎以及过筛处理；过200目筛。
2、将混好的模料倒入模具中进行热压烧结成型，模压温度375℃，压力15MPa，自然冷却脱模，即获得所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料。
实施例2
本实施例制备的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料各组分的体积百分比如下：聚酰亚胺65%、芳纶纤维15%、聚四氟乙烯15%、石墨烯2%、硅酸铝3%。
具体制备步骤：
1、先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯在酒精中球磨混合均匀，然后加入芳纶纤维、石墨烯、硅酸铝，充分混合均匀，然后进行120℃烘干、粉碎以及过筛处理；过200目筛。；
2、将混好的模料倒入模具中进行热压烧结成型，模压温度360℃，压力20MPa，自然冷却脱模；即获得所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料。
实施例3
本实施例制备的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料各组分的体积百分比如下：聚酰亚胺65%、芳纶纤维10%、聚四氟乙烯20%、石墨烯3%、硅酸铝2%。
具体制备步骤：
1、先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯在酒精中球磨混合均匀，然后加入芳纶纤维、石墨烯、硅酸铝，充分混合均匀，然后进行120℃烘干、粉碎以及过筛处理；过200目筛。；
2、将混好的模料倒入模具中进行热压烧结成型，模压温度380℃，压力10MPa，自然冷却脱模；即获得所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料。
实施例4
本实施例制备的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料各组分的体积百分比如下：聚酰亚胺70%、芳纶纤维15%、聚四氟乙烯10%、石墨烯4%、硅酸铝1%。
具体制备步骤：
1、先将聚酰亚胺和聚四氟乙烯在酒精中球磨混合均匀，然后加入芳纶纤维、石墨烯、硅酸铝，充分混合均匀，然后进行120℃烘干、粉碎以及过筛处理；过200目筛。；
2、将混好的模料倒入模具中进行热压烧结成型，模压温度370℃，压力20MPa，自然冷却脱模；即获得所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料。
将实施例1-4获得的石墨烯改性聚酰亚胺复合材料依次编号1-4，分别进行切片加工制成0.3mm厚的摩擦片，然后分别粘贴至超声电机铝合金转子表面，再用金相砂纸打磨至粗糙度小于0.1微米供电机使用。
将上述方法获得的转子用于旋转型超声电机（TRUM60A，江苏丰科超声电机科技有限公司），检测摩擦系数与磨损率，检测结果分别如图1（图中序号1至4分别对应实施例1至4所得聚酰亚胺复合材料的平均摩擦系数）、图2（图中序号1至4分别对应实施例1至4所得聚酰亚胺复合材料的磨损率）所示，可见，1号材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.16，磨损率约为4.3×10-8mm3/N•m；2号材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.19，磨损率约为3.1×10-8mm3/N•m；3号材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.15，磨损率约为5.6×10-8mm3/N•m；4号材料在100N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.21，磨损率约为6.8×10-8mm3/N•m。
由上述检测结果可见，由本发明方法获得的石墨烯改性聚酰亚胺摩擦系数稳定、磨损率低，能够满足旋转型超声电机转子摩擦材料的要求。
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 (2)

1.一种石墨烯改性聚酰亚胺复合材料，其特在于，该材料是通过如下方法获得的：
A）以体积百分数计，首先将60～70%的聚酰亚胺和10～20%的聚四氟乙烯按照湿法混合，然后加入10～20%的芳纶纤维、0～3%的石墨烯和0～4%的硅酸铝，混合均匀后于120℃烘干，粉碎，过200目筛，获得模料；其中石墨烯和硅酸铝的用量都不为0；
B）将模料加入模具中进行热压烧结成型，模压温度360～380℃，压力10～20MPa，自然冷却脱模，即获得所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料；
所述聚酰亚胺平均粒径为75μm；
所述芳纶纤维直径为7μm，长度为20-50μm；
所述聚四氟乙烯粒径为20～35μm；
所述石墨烯横向尺寸分布范围为0.1-10μm，厚度为1nm；
所述硅酸铝粒径为6.5μm。
2.如权利要求1所述石墨烯改性聚酰亚胺复合材料在制备超声电机转子中的应用。
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