CN106240087A - 一种金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属基复合材料及其制备方法，该金属基复合材料由上到下依次由塑料工作层、中间结合层以及金属基体组成；所述塑料工作层材料的各成分质量百分含量为：聚苯酯30～50％，聚酰胺20～40％，聚四氟乙烯20～40％，碳纤维8～15％，铜粉3～7％，二硫化钼5％；所述中间结合层材料的各成分质量百分含量为：环氧树脂40～60％，聚氨酯30～50％，氧化铝粉10～20％，硅烷偶联剂10～20％。金属基体的材料为45#钢、铝合金或铜合金中的一种。本发明金属基复合材料生产效率比较高，可以实现自动化控制，提高了效率，降低了成本，可以适用于工作温度高、粉尘大、载荷重等特殊工况下机械设备部件的自润滑。

Description

一种金属基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体而言，涉及到一种金属基复合材料及其制备方法。
背景技术
当前，随着汽车工业、制药机械、食品机械以及国防军工等行业的快速发展，对各类轴套、滑道、滑板以及摩擦部件的要求越来越高。通常零部件润滑采用润滑油进行润滑，但是在水利、食品、制药等特种行业需要无油润滑，但是目前市场上的自润滑材料存在表面摩擦力大、耐磨能力差、结合强度差等缺点，因此对具有减振、摩擦系数低、耐磨、自润滑、高结合强度的材料尤为渴望。
发明内容
本发明的第一个目的是克服上述现有技术的问题，提供一种以混合塑料与金属牢固结合、机械强度高、耐磨性能好、摩擦系数低、耐冲击性好的金属基复合材料。
本发明的第二个目的是提供该金属基复合材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明的技术方案是：一种金属基复合材料，所述的金属基复合材料由上到下依次由塑料工作层、中间结合层以及金属基体组成；所述塑料工作层材料的各成分质量百分含量为：聚苯酯30～50％，聚酰胺20～40％，聚四氟乙烯20～40％，碳纤维8～15％，铜粉3～7％，二硫化钼5％；所述中间结合层材料的各成分质量百分含量为：环氧树脂40～60％，聚氨酯30～50％，氧化铝粉10～20％，硅烷偶联剂10～20％。
进一步的，所述金属基体的材料为45#钢或铝合金或铜合金。
进一步的，所述聚苯酯粒度为20μm，密度为1.83g/cm3；聚酰胺的粒度为30μm，密度为1.2g/cm3；聚四氟乙烯的粒度为10μm，密度为2.15g/cm3；铜粉的粒度为5μm，密度为3.52g/cm3；碳纤维的粒度为30～40μm；二硫化钼的粒度为30～50μm。
进一步的，所述的中间结合层厚度在0.3～0.5mm。
金属基复合材料的制备方法如下：
a)对金属基体进行超声波清洗，时间为15～20min，超声波清洗结束将金属基体放入真空烘干机中进行第一次烘干，烘干结束进行喷砂处理，喷砂粒径为20～80目石英砂，喷砂压力为0.8MPa，喷砂时间为5～10s，喷砂结束对金属基体用去离子水清洗3～5次，水洗结束将金属基体放入浓硫酸与水的混合液中浸泡5～10min，然后对金属基体用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体放入真空烘干机中第二次烘干；
b)按质量百分含量的配比，将中间结合层材料混合均匀，将步骤a)处理过的金属基体放入热压烧结炉的模具中，再将混合好的中间结合层材料放入模具中合模，在10min内将模具温度升高到80℃对模具与中间结合层2材料进行预热，采用30～50Mpa的压力进行加压，然后卸载压力，再对热压烧结炉继续加热，并重新加压；
c)按质量百分含量的配比，将塑料工作层材料放入烘干机中进行烘干，烘干结束将塑料工作层(3)材料混合均匀；
d)将步骤c)处理过的塑料工作层材料放入步骤b)中的热压烧结炉的模具中，在5min内将模具温度升高到80℃对模具与复合材料进行预热，预热结束采用50～60Mpa的压力对复合材料进行预压，然后卸载压力，再继续加热并重新加压，预压结束进行排气处理，在10min内将温度升至240℃，压力达到6～7Mpa，且塑料材料进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续两次，每次持续时间为5秒，排气后继续加热，重新加载压力，排气结束进行交联固化处理，在30min内将温度升高到240℃、压力升高到6～7Mpa，并保温60min，复合材料在此期间发生交联反应，最后卸掉压力，将复合材料成型件随炉冷却至70℃脱模，从而得到金属基复合材料。
进一步的，步骤a)第一次烘干中，烘干机的温度设置为80℃，时间为0.5小时。
进一步的，步骤a)第二次烘干中，烘干机的温度设置为80℃，时间为1小时。
进一步的，步骤a)中，浓硫酸与水比重为1:1。
进一步的，步骤c)中，设定烘干机的温度设置为70℃，时间为2.5～4小时。
本发明具有以下有益效果：
本发明增加中间结合层作为过渡，利用中间结合层与金属基体、塑料工作层强大的结合力，使金属基体、中间结合层、塑料工作层牢牢结合；本发明金属基复合材料生产效率比较高，可以实现自动化控制，提高了效率，降低了成本。本发明所述的金属基复合材料，可以适用于工作温度高、粉尘大、载荷重等特殊工况下机械设备部件的自润滑；本发明金属基复合材料生产工艺简单，各部位结合牢固，便于加工，特别有利于需要自润滑的精密部件的加工。另外，本发明金属基复合材料生产周期短，有利于降低生产成本，提高生产效率。
附图说明
图1是本发明的金属基复合材料组成结构示意图。
附图标记说明如下：1-塑料工作层；2-中间结合层；3-金属基体。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，金属基复合材料由外向里由塑料工作层1、中间结合层2和金属基体3组成。其中塑料工作层1材料的各成分质量百分含量为：聚苯酯30～50％，聚酰胺20～40％，聚四氟乙烯20～40％，碳纤维8～15％，铜粉3～7％，二硫化钼5％；中间结合层2材料的各成分质量百分含量为：环氧树脂40～60％，聚氨酯30～50％，氧化铝粉10～20％，硅烷偶联剂10～20％；金属基体3的材料为45#钢、铝合金或铜合金中的一种。
本发明所用的聚苯酯粒度为20μm，密度为1.83g/cm3；聚酰胺的粒度为30μm，密度为1.2g/cm3；聚四氟乙烯的粒度为10μm，密度为2.15g/cm3；铜粉的粒度为5μm，密度为3.52g/cm3；碳纤维的粒度为30～40μm；二硫化钼的粒度为30～50μm。
以下通过3个实施例具体说明本发明：
实施例1：
本实施例的金属基复合材料的成分及制备步骤如下：
a)金属基体3的材料为45#钢，首先对金属基体3进行超声波清洗，时间为15min，超声波清洗结束将金属基体3放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为0.5小时，烘干结束进行喷砂处理，喷砂粒径为20目石英砂，喷砂压力为0.8MPa，喷砂时间为5s，喷砂结束对金属基体3用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体3放入浓硫酸与水的混合液中浸泡5min，其中浓硫酸与水比重为1:1，然后对金属基体3用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体3放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为1小时；
b)中间结合层2材料的各成分质量百分含量为：环氧树脂40％，聚氨酯30％，氧化铝粉10％，硅烷偶联剂20％，按质量百分含量的配比，将中间结合层2材料混合均匀，将步骤a)处理过的金属基体3放入热压烧结炉的模具中，再将混合好的中间结合层2材料放入模具中合模，在10min内将模具温度升高到80℃对模具与中间结合层2材料进行预热，采用30Mpa的压力进行加压，然后卸载压力，再对热压烧结炉继续加热，并重新加压，中间结合层2厚度为0.3mm；
c)塑料工作层1材料的各成分质量百分含量为：聚苯酯30％，聚酰胺20％，聚四氟乙烯30％，碳纤维8％，铜粉7％，二硫化钼5％，按质量百分含量的配比，将塑料工作层1材料放入烘干机中进行烘干，烘干机的温度设置为70℃，时间为4小时，烘干结束将塑料工作层1材料混合均匀；
d)将步骤c)处理过的塑料工作层1材料放入b)中的热压烧结炉的模具中，在5min内将模具温度升高到80℃对模具与复合材料进行预热，预热结束采用50Mpa的压力对复合材料进行预压，然后卸载压力，再继续加热并重新加压，预压结束进行排气处理，在10min内将温度升至240℃，压力达到6Mpa，且塑料材料进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续两次，每次持续时间为5秒，排气后继续加热，重新加载压力，排气结束进行交联固化处理，在30min内将温度升高到240℃、压力升高到6Mpa，并保温60min，复合材料在此期间发生交联反应，最后卸掉压力，将复合材料成型件随炉冷却至70℃脱模。
经上述工艺制备的金属基复合材料使用温度为-50～240℃，摩擦系数为0.14～0.19，结合强度为8.16MPa。
实施例2:
本实施例的金属基复合材料的成分及制备步骤如下：
a)金属基体3的材料为45#钢，首先对金属基体3进行超声波清洗，时间为17min，超声波清洗结束将金属基体3放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为0.5小时，烘干结束进行喷砂处理，喷砂粒径为50目石英砂，喷砂压力为0.8MPa，喷砂时间为7s，喷砂结束对金属基体3用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体3放入浓硫酸与水的混合液中浸泡8min，其中浓硫酸与水比重为1:1，然后对金属基体3用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体3放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为1小时；
b)中间结合层2材料的各成分质量百分含量为：环氧树脂45％，聚氨酯35％，氧化铝粉10％，硅烷偶联剂10％，按质量百分含量的配比，将中间结合层2材料混合均匀，将步骤a)处理过的金属基体3放入热压烧结炉的模具中，再将混合好的中间结合层2材料放入模具中合模，在10min内将模具温度升高到80℃对模具与中间结合层2材料进行预热，采用40Mpa的压力进行加压，然后卸载压力，再对热压烧结炉继续加热，并重新加压，中间结合层2厚度为0.4mm；
c)塑料工作层1材料的各成分质量百分含量为：聚苯酯35％，聚酰胺25％，聚四氟乙烯20％，碳纤维10％，铜粉5％，二硫化钼5％，按质量百分含量的配比，将塑料工作层1材料放入烘干机中进行烘干，烘干机的温度设置为70℃，时间为4小时，烘干结束将塑料工作层1材料混合均匀；
d)将步骤c)处理过的塑料工作层1材料放入b)中的热压烧结炉的模具中，在5min内将模具温度升高到80℃对模具与复合材料进行预热，预热结束采用55Mpa的压力对复合材料进行预压，然后卸载压力，再继续加热并重新加压，预压结束进行排气处理，在10min内将温度升至240℃，压力达到6.5Mpa，且塑料材料进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续两次，每次持续时间为5秒，排气后继续加热，重新加载压力，排气结束进行交联固化处理，在30min内将温度升高到240℃、压力升高到6.5Mpa，并保温60min，复合材料在此期间发生交联反应，最后卸掉压力，将复合材料成型件随炉冷却至70℃脱模。
经上述工艺制备的金属基复合材料使用温度为-50～240℃，摩擦系数为0.11～0.17，结合强度为8.53MPa。
实施例3:
本实施例的金属基复合材料的成分及制备步骤如下：
a)金属基体3的材料为45#钢，首先对金属基体3进行超声波清洗，时间为20min，超声波清洗结束将金属基体3放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为0.5小时，烘干结束进行喷砂处理，喷砂粒径为80目石英砂，喷砂压力为0.8MPa，喷砂时间为10s，喷砂结束对金属基体3用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体3放入浓硫酸与水的混合液中浸泡10min，其中浓硫酸与水比重为1:1，然后对金属基体3用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体3放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为1小时；
b)中间结合层2材料的各成分质量百分含量为：环氧树脂50％，聚氨酯30％，氧化铝粉10％，硅烷偶联剂10％，按质量百分含量的配比，将中间结合层2材料混合均匀，将步骤a)处理过的金属基体3放入热压烧结炉的模具中，再将混合好的中间结合层2材料放入模具中合模，在10min内将模具温度升高到80℃对模具与中间结合层2材料进行预热，采用50Mpa的压力进行加压，然后卸载压力，再对热压烧结炉继续加热，并重新加压，中间结合层2厚度为0.5mm；
c)塑料工作层1材料的各成分质量百分含量为：聚苯酯44％，聚酰胺20％，聚四氟乙烯20％，碳纤维8％，铜粉3％，二硫化钼5％，按质量百分含量的配比，将塑料工作层1材料放入烘干机中进行烘干，烘干机的温度设置为70℃，时间为4小时，烘干结束将塑料工作层1材料混合均匀；
d)将步骤c)处理过的塑料工作层1材料放入b)中的热压烧结炉的模具中，在5min内将模具温度升高到80℃对模具与复合材料进行预热，预热结束采用60Mpa的压力对复合材料进行预压，然后卸载压力，再继续加热并重新加压，预压结束进行排气处理，在10min内将温度升至240℃，压力达到7Mpa，且塑料材料进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续两次，每次持续时间为5秒，排气后继续加热，重新加载压力，排气结束进行交联固化处理，在30min内将温度升高到240℃、压力升高到7Mpa，并保温60min，复合材料在此期间发生交联反应，最后卸掉压力，将复合材料成型件随炉冷却至70℃脱模。
经上述工艺制备的金属基复合材料使用温度为-50～240℃，摩擦系数为0.13～0.18，结合强度为8.29MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属基复合材料，其特征在于，所述的金属基复合材料由上到下依次包括塑料工作层(1)、中间结合层(2)以及金属基体(3)；所述塑料工作层(1)材料的各成分质量百分含量为：聚苯酯30～50％，聚酰胺20～40％，聚四氟乙烯20～40％，碳纤维8～15％，铜粉3～7％，二硫化钼5％；所述中间结合层(2)材料的各成分质量百分含量为：环氧树脂40～60％，聚氨酯30～50％，氧化铝粉10～20％，硅烷偶联剂10～20％。
2.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体(1)的材料为45#钢或铝合金或铜合金。
3.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述聚苯酯粒度为20μm，密度为1.83g/cm3；聚酰胺的粒度为30μm，密度为1.2g/cm3；聚四氟乙烯的粒度为10μm，密度为2.15g/cm3；铜粉的粒度为5μm，密度为3.52g/cm3；碳纤维的粒度为30～40μm；二硫化钼的粒度为30～50μm。
4.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料，其特征在于，所述的中间结合层(2)厚度在0.3～0.5mm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
a)对金属基体(1)进行超声波清洗，时间为15～20min，超声波清洗结束将金属基体(1)放入真空烘干机中进行第一次烘干，烘干结束进行喷砂处理，喷砂粒径为20～80目石英砂，喷砂压力为0.8MPa，喷砂时间为5～10s，喷砂结束对金属基体(1)用去离子水清洗3～5次，水洗结束将金属基体(1)放入浓硫酸与水的混合液中浸泡5～10min，然后对金属基体(1)用去离子水清洗5次，水洗结束将金属基体(1)放入真空烘干机中第二次烘干；
b)按质量百分含量的配比，将中间结合层(2)材料混合均匀，将步骤a)处理过的金属基体(1)放入热压烧结炉的模具中，再将混合好的中间结合层(2)材料放入模具中合模，在10min内将模具温度升高到80℃对模具与中间结合层2材料进行预热，采用30～50Mpa的压力进行加压，然后卸载压力，再对热压烧结炉继续加热，并重新加压；
c)按质量百分含量的配比，将塑料工作层(3)材料放入烘干机中进行烘干，烘干结束将塑料工作层(3)材料混合均匀；
d)将步骤c)处理过的塑料工作层(3)材料放入步骤b)中的热压烧结炉的模具中，在5min内将模具温度升高到80℃对模具与复合材料进行预热，预热结束采用50～60Mpa的压力对复合材料进行预压，然后卸载压力，再继续加热并重新加压，预压结束进行排气处理，在10min内将温度升至240℃，压力达到6～7Mpa，且塑料材料进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续两次，每次持续时间为5秒，排气后继续加热，重新加载压力，排气结束进行交联固化处理，在30min内将温度升高到240℃、压力升高到6～7Mpa，并保温60min，复合材料在此期间发生交联反应，最后卸掉压力，将复合材料成型件随炉冷却至70℃脱模，从而得到金属基复合材料。
6.根据权利要求5所述的金属基复合材料的制备方法，步骤a)第一次烘干中，烘干机的温度设置为80℃，时间为0.5小时。
7.根据权利要求5所述的金属基复合材料的制备方法，步骤a)第二次烘干中，烘干机的温度设置为80℃，时间为1小时。
8.根据权利要求5所述的金属基复合材料的制备方法，步骤a)中，浓硫酸与水比重为1:1。
9.根据权利要求5所述的金属基复合材料的制备方法，步骤c)中，设定烘干机的温度设置为70℃，时间为2.5～4小时。
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