CN108610583A - 一种全工况高耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种全工况高耐磨复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全工况高耐磨复合材料及其制备方法，按照重量百分数包括：3‑20wt％的微米级硬质陶瓷粒子、3‑20wt％的短碳纤维，余量为聚四氟乙烯；其中微米级硬质陶瓷粒子粒径区间为0.1‑5微米，短碳纤维过400目筛；聚四氟乙烯为平均粒径为10‑30微米的PTFE粉末；制备方法为按重量百分数称取微米级硬质陶瓷粒子、短碳纤维和PTFE粉末，进行机械搅拌；搅拌后的混合物均匀铺入模具中，在室温下进行冷压成型获得预制件；将预制件放入马弗炉中进行烧结，最终得到的全工况高耐磨复合材料具有极高的减振降噪性能，极强的耐磨性，极强的耐腐蚀性，较低的摩擦系数并且强度良好。

Description

一种全工况高耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种全工况高耐磨复合材料及其制备方法，具体的说，是涉及一种具有低的摩擦系数，高耐磨性，耐腐蚀，减振降噪性能优的PTFE基复合材料及其制备方法。
背景技术
聚四氟乙烯作为基体，具有优异的耐化学腐蚀性能，相对较低的摩擦系数，但是其耐磨性相对较差，机械性能、耐蠕变性能较差，特别是抗磨损性能差、表面能低和粘结性差等因素致使单纯的聚四氟乙烯材料不利于制成耐磨的轴承件，这些缺陷在一定程度上限制了该材料的广泛应用，因此，深入研究PTFE的性质，开发新型的PTFE基复合材料已成为PTFE的主要研究和发展方向。
为了能够充分利用聚四氟乙烯的良好性能，发挥其耐腐蚀的性质，选择以硬质陶瓷粒子或者短碳纤维进行填充，以便于使得聚四氟乙烯具备填充物的特有性质，弥补聚四氟乙烯本身较差的机械性、耐磨性、耐蠕变性以及抗磨损性能。
硬质陶瓷粒子包括碳化硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、氮化硼等，硬质陶瓷粒子具有良好的耐磨性、润滑性以及其他机械性能。碳化硅制成的高硬度材料具有耐热震、体积小、质量轻而强度高等优点，碳化硅的化学性能很稳定耐磨性好，硬度很大，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时可以抗氧化。氮化硅是一种超硬材料，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂，具有较高的机械强度。二氧化硅化学性质比较稳定，不溶于水也不跟水反应，不与一般的酸发生反应，氧化硅的性质不活泼，它不与除氟、氟化氢以外的卤素、卤化氢以及硫酸、硝酸、高氯酸作用。在橡胶中添加二氧化硅，可提高橡胶的耐磨度，可降低轮胎滚动阻力的同时可改善轮胎的耐磨性和抗湿滑性，使用二氧化硅的胶料拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等均有提高。氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主要原料，以刚玉为主晶相的陶瓷材料，因其具有机械强度高，硬度大，高频介电损耗小，高温绝缘电阻高，耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能等优势。氮化硼热稳定性和耐磨性好，同时化学稳定性很强，因此也是陶瓷材料的主要原料之一。单一填充陶瓷粒子的PTFE基复合材料，虽然附加了陶瓷粒子的耐磨性，同时提升了复合材料的硬度，使得复合材料具备了硬质陶瓷粒子的润滑性，提升了机械强度，但是单一填充硬质陶瓷粒子使得所得复合材料的硬脆性提高，使得所得新型PTFE基复合材料不便于工作有冲击的环境下。
短碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，也可以作为聚四氟乙烯复合材料的填充物的一种，其比重小，沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，作为恶劣工况的轴承的材料则体现出了其优越性。另外，短碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。单一填充短碳纤维时，所得复合材料具备短碳纤维的耐低温性，短碳纤维即使在液氮环境下也不会脆化，这一点弥补了硬质陶瓷粒子的不足，作为恶劣工况的轴承的材料则体现出了其优越性，但是却缺少硬质陶瓷粒子的耐磨性、润滑性等优越性能。
发明内容
本发明为解决复合材料耐磨性，减振降噪以及强度等多方面的问题，克服单一填充PTFE材料耐磨损性差，硬度低，耐蠕变性和导热性能差的特点，将特定配比的微米级硬质陶瓷粒子和短碳纤维填充在耐腐蚀性极强的PTFE材料中，并根据PTFE材料的成型特点，选用压制、烧结的方式将其与填充的微米级硬质陶瓷粒子和短碳纤维黏合在一起；这种利用硬质陶瓷粒子与短碳纤维特定配比填充PTFE基制得新型复合材料，同时具备了硬质陶瓷粒子的高硬度、耐磨性以及润滑性和短碳纤维的比重小的特点和耐低温性能，提升了复合材料的综合性能，有效地降低了摩擦系数和磨损率，提高了材料强度。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种全工况高耐磨复合材料，按照重量百分数由以下原料制成：
3-20wt％的微米级硬质陶瓷粒子、3-20wt％的短碳纤维，余量为聚四氟乙烯；
所述微米级硬质陶瓷粒子粒径区间为0.1-5微米，所述短碳纤维过400目筛；
所述聚四氟乙烯采用平均粒径为10-30微米的PTFE粉末。
优选地，所述微米级硬质陶瓷粒子为微米级碳化硅粒子、微米级氮化硅粒子、微米级二氧化硅粒子、微米级氮化硼粒子或微米级氧化铝粒子。
优选地，所述微米级硬质陶瓷粒子的重量百分数为5wt％，所述短碳纤维的重量百分数为15wt％。
一种所述全工况高耐磨复合材料的制备方法，该方法按照如下步骤进行：
(1)按重量百分数称取所述微米级硬质陶瓷粒子、所述短碳纤维和所述PTFE粉末，混合后进行机械搅拌；
(2)将步骤(1)搅拌后的混合物均匀铺入模具中，在室温下进行冷压成型获得预制件；
(3)将预制件放入马弗炉中进行烧结，得到所述全工况高耐磨复合材料。
优选地，步骤(1)中的所述微米级硬质陶瓷粒子为微米级碳化硅粒子、微米级氮化硅粒子、微米级二氧化硅粒子、微米级氮化硼粒子或微米级氧化铝粒子。
优选地，步骤(1)中的所述微米级硬质陶瓷粒子的重量百分数为5wt％，所述短碳纤维的重量百分数为15wt％。
优选地，步骤(2)中冷压成型的压力为25±5Mpa，保压时间为40±10min，保压温度为室温。
优选地，步骤(3)中所述烧结程序为：自30℃升温至327℃，升温速率为100℃/h；在327℃保温30min；自327℃升温至380℃，升温速率为60℃/h；在380℃保温1h；自380℃降温至327℃，升温速率为60℃/h；在327℃保温30min；自327℃降温至150℃，降温速率为100℃/h；到达150℃后空冷至室温。
本发明的有益效果是：
本发明制备得到的复合材料充分利用了硬质陶瓷粒子的良好硬度性能，以硬质陶瓷粒子在对磨面磨屑中的支撑作用，在所形成致密的转移膜中起到润滑效果，同时，条状短碳纤维在聚四氟乙烯的包裹下将整个复合材料的微观结构紧密联系在一起，使得基体更加稳定，有利于滞留硬质陶瓷粒子或限制硬质陶瓷粒子的移动。短碳纤维有碳材料的固有本征特性，本身具有良好的润滑效果，但是其耐冲击性差，所以在摩擦过程中的磨损很大，而硬质陶瓷粒子在其中恰恰提高了整个聚合物的强度，减小对聚四氟乙烯中起重要粘接作用的短碳纤维的磨损速度。短碳纤维与硬质陶瓷粒子协同作用的效果受配比因素影响很大，当硬质陶瓷粒子所占重量比例过大时，聚合物硬脆性明显提高，整体结构的强度明显下降；当短碳纤维所占比重过大时，整体的耐磨性会严重下降。而实验发现：本发明所给出配比，即3-20wt％的微米级硬质陶瓷粒子与3-20wt％的短碳纤维配比填充聚四氟乙烯所得到的新型全工况高耐磨复合材料协同作用效果更加显著，性能更优。另外，微米级硬质陶瓷粒子的粒径在整个复合材料的制备过程中也有着重要的影响。在硬质陶瓷粒子粒径过大的情况下，其存在导致各原料之间的粘接效果明显变差；反之，硬质陶瓷粒子粒径过小时，其存在的作用很小，无法发挥其本身的性能。实验发现：微米级硬质陶瓷粒子粒径区间在0.1-5微米时，其作用可以发挥到最大。同时，此粒径区间的硬质陶瓷粒子与400目筛的短炭纤维、平均粒径为10-30微米的PTFE粉末配比所得复合材料的性能更优。如此协同下，本发明将硬质陶瓷粒子和短碳纤维的优势发挥到最大。
由于硬质陶瓷粒子与短碳纤维的协同作用，使得制备得到的全工况高耐磨复合材料具有极高的减振降噪性能和极强的耐磨性。以全工况高耐磨复合材料，利用粒径区间为0.1-5微米的微米级硬质陶瓷粒子及过400目筛的短碳纤维进行填充，短碳纤维在聚四氟乙烯中的支撑粘接作用为硬质陶瓷粒子起到润滑作用的过程中提供了坚实的结构基础，有效的降低了摩擦系数的同时又保证了聚合物的整体结构的完整性，本发明的全工况高耐磨复合材料的填充物配比为碳化硅的重量百分数为5wt％，短碳纤维的重量百分数为15wt％，余量为聚四氟乙烯时，有效地降低摩擦系数，减少了零件之间的受力，有着更好的润滑效果和更小的磨损量，摩擦系数的减小有效地减弱了声波的传递和磨屑的产生，保证了制备得到的全工况高耐磨复合材料具有极高的减振降噪性能和极强的耐磨性；
在填充物与聚四氟乙烯的相互促进下，制备得到的全工况高耐磨复合材料具有极强的耐腐蚀性和良好的强度。特定配比和特定尺寸的硬质陶瓷粒子与短碳纤维相互配合，可以类比钢筋混凝土的内部结构，短碳纤维好似钢筋，而陶瓷粒子可以类比为大颗粒石子，聚四氟乙烯恰恰起到石灰的作用，可见新型的复合材料中，聚四氟乙烯以短碳纤维的粘接作用为纽带紧紧地包裹住硬质陶瓷粒子，使得所有原料联系紧密，成了一个密不可分的整体结构。而恰恰是这样的紧密结构使得复合材料具备了良好的强度，也是因为这样的紧密结构使得聚四氟乙烯将所有填充物紧紧包裹而不易脱离，提高了其耐腐蚀性，各组分相互协调使得整体性能提升。
附图说明
图1是实施例1所制得全工况高耐磨复合材料(5％SiC+15wt％CF)在海水条件下与双相不锈钢对磨时的摩擦系数曲线图；
图2是实施例16所制得全工况高耐磨复合材料(5wt％BN+15wt％CF)在海水条件下与双相不锈钢对磨之后的扫描电子显微镜下所得到的图像。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述：
以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：
制备一种全工况高耐磨复合材料，步骤如下：
步骤一、称取微米级硬质陶瓷粒子碳化硅，短碳纤维以及PTFE材料，其中填充物配比为碳化硅的重量百分数为5wt％，短碳纤维的重量百分数为15wt％，余量为聚四氟乙烯。微米级硬质陶瓷粒子碳化硅粒径区间为0.1-0.4微米，短碳纤维过400目筛，聚四氟乙烯采用平均粒径为10-30微米的PTFE粉末。搅拌混合时称取碳化硅质量为7.5g，短碳纤维质量为22.5g，PTFE质量为120g。
步骤二、将步骤一称取的微米级硬质陶瓷粒子，短碳纤维和PTFE粉末混合，进行机械搅拌。
步骤三、将步骤二搅拌后的混合物均匀铺入模具中，在室温下进行冷压成型获得圆盘形预制件。其中，冷压成型的压力为25±5Mpa，保压时间为40±10min，保压温度为室温。
步骤四、将预制件放入马弗炉中进行烧结，得到全工况高耐磨复合材料。烧结程序：自30℃升温至327℃，升温速率为100℃/h；在327℃保温30min；自327℃升温至380℃，升温速率为60℃/h；在380℃保温1h；自380℃降温至327℃，升温速率为60℃/h；在327℃保温30min；自327℃降温至150℃，降温速率为100℃/h；到达150℃后空冷至室温。
实施例2：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅的重量百分数为10wt％，短碳纤维的重量百分数为10wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合时称取碳化硅质量为15g，短碳纤维质量为15g，PTFE质量为120g。
实施例3：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅的重量百分数为15wt％，短碳纤维的重量百分数为5wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合时称取碳化硅质量为22.5g，短碳纤维质量为7.5g，PTFE质量为120g。
实施例4：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅的重量百分数为3wt％，短碳纤维的重量百分数为3wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合时称取碳化硅质量为4.5g，短碳纤维质量为4.5g，PTFE质量为141g。
实施例5：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅的重量百分数为20wt％，短碳纤维的重量百分数为20wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合时称取碳化硅质量为30g，短碳纤维质量为30g，PTFE质量为90g。
实施例6：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成成分不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅改为氮化硅，微米级硬质陶瓷粒子氮化硅粒径区间为0.1-0.4微米，组成成分重量比例不变。短碳纤维过400目筛，聚四氟乙烯采用平均粒径为10-30微米的PTFE粉末。搅拌混合称取氮化硅质量为7.5g，短碳纤维质量为22.5g，PTFE质量为120g。
实施例7：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例6的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硅的重量百分数为10wt％，短碳纤维的重量百分数为10wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硅质量为15g，短碳纤维质量为15g，PTFE质量为120g。
实施例8：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例6的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硅的重量百分数为15wt％，短碳纤维的重量百分数为5wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硅质量为22.5g，短碳纤维质量为7.5g，PTFE质量为120g。
实施例9：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例6的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硅的重量百分数为3wt％，短碳纤维的重量百分数为3wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硅质量为4.5g，短碳纤维质量为4.5g，PTFE质量为141g。
实施例10：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例6的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硅的重量百分数为20wt％，短碳纤维的重量百分数为20wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硅质量为30g，短碳纤维质量为30g，PTFE质量为90g。
实施例11：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成成分不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅改为二氧化硅，微米级硬质陶瓷粒子二氧化硅粒径区间为0.4-2微米，组成成分重量比例不变。短碳纤维过400目筛，聚四氟乙烯采用平均粒径为10-30微米的PTFE粉末。搅拌混合称取二氧化硅质量为7.5g，短碳纤维质量为22.5g，PTFE质量为120g。
实施例12：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例11的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子二氧化硅的重量百分数为10wt％，短碳纤维的重量百分数为10wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取二氧化硅质量为15g，短碳纤维质量为15g，PTFE质量为120g。
实施例13：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例11的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子二氧化硅的重量百分数为15wt％，短碳纤维的重量百分数为5wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取二氧化硅质量为22.5g，短碳纤维质量为7.5g，PTFE质量为120g。
实施例14：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例11的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子二氧化硅的重量百分数为3wt％，短碳纤维的重量百分数为3wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取二氧化硅质量为4.5g，短碳纤维质量为4.5g，PTFE质量为141g。
实施例15：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例11的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子二氧化硅的重量百分数为20wt％，短碳纤维的重量百分数为20wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取二氧化硅质量为30g，短碳纤维质量为30g，PTFE质量为90g。
实施例16：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成成分不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅改为氮化硼，微米级硬质陶瓷粒子氮化硼粒径区间为2-5微米，组成成分重量比例不变。短碳纤维过400目筛，聚四氟乙烯采用平均粒径为10-30微米的PTFE粉末。搅拌混合称取氮化硼质量为7.5g，短碳纤维质量为22.5g，PTFE质量为120g。
实施例17：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例16的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硼的重量百分数为10wt％，短碳纤维的重量百分数为10wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硼质量为15g，短碳纤维质量为15g，PTFE质量为120g。
实施例18：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例16的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硼的重量百分数为15wt％，短碳纤维的重量百分数为5wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硼质量为22.5g，短碳纤维质量为7.5g，PTFE质量为120g。
实施例19：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例16的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硼的重量百分数为3wt％，短碳纤维的重量百分数为3wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硼质量为4.5g，短碳纤维质量为4.5g，PTFE质量为141g。
实施例20：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例16的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氮化硼的重量百分数为20wt％，短碳纤维的重量百分数为20wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氮化硼质量为30g，短碳纤维质量为30g，PTFE质量为90g。
实施例21：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例1的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成成分不同，即微米级硬质陶瓷粒子碳化硅改为氧化铝，微米级硬质陶瓷粒子氧化铝粒径区间为2-5微米，组成成分重量比例不变。短碳纤维过400目筛，聚四氟乙烯采用平均粒径为10-30微米的PTFE粉末。搅拌混合称取氧化铝质量为7.5g，短碳纤维质量为22.5g，PTFE质量为120g。
实施例22：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例21的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氧化铝的重量百分数为10wt％，短碳纤维的重量百分数为10wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氧化铝质量为15g，短碳纤维质量为15g，PTFE质量为120g。
实施例23：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例21的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氧化铝的重量百分数为15wt％，短碳纤维的重量百分数为5wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氧化铝质量为22.5g，短碳纤维质量为7.5g，PTFE质量为120g。
实施例24：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例21的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氧化铝的重量百分数为3wt％，短碳纤维的重量百分数为3wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氧化铝质量为4.5g，短碳纤维质量为4.5g，PTFE质量为141g。
实施例25：制备一种全工况高耐磨复合材料，与实施例21的制备步骤基本相同，不同仅在于：步骤一中原料组成比例不同，即微米级硬质陶瓷粒子氧化铝的重量百分数为20wt％，短碳纤维的重量百分数为20wt％，余量为聚四氟乙烯。搅拌混合称取氧化铝质量为30g，短碳纤维质量为30g，PTFE质量为90g。
本发明在实验过程中，将所获取全工况高耐磨复合材料同双相不锈钢分别在干条件、水润滑以及海水润滑下利用立式磨擦机进行相对摩擦，实验比压为2MPa，速度为0.25m/s，实验时间为1h。摩擦数据统计结果如表1：
表1
对硬质陶瓷粒子氮化硼与短碳纤维配比所得的全工况高耐磨复合材料实验数据进行分析，具体情况如表2：
表2
所获得全工况高耐磨复合材料与单一硬质陶瓷粒子填充所获得的复合物对比结果如表3：
表3
实验数据阐述本发明所获取全工况高耐磨在不同材料配比以及不同环境的条件下的磨损率，可见在硬质陶瓷粒子与短碳纤维进行配比时所获得的全工况高耐磨复合材料相比于单一的硬质陶瓷粒子进行填充时具有更小的磨损率，协同作用体现的更明显。而在诸多配比中，全工况高耐磨复合材料的填充物配比为微米级硬质陶瓷粒子的重量百分数为5wt％，短碳纤维的重量百分数为15wt％，余量为聚四氟乙烯时，检验可得到磨损率极小的全工况高耐磨复合材料，该材料具有极强的耐磨性以及抗氧化性，相比于PTFE基体填充单一硬质陶瓷粒子(短碳纤维)会有更优的效果。
图1是全工况高耐磨复合材料的在海水条件下与双相不锈钢对磨时的摩擦系数曲线，该复合材料来源于实施例1中填充物配比为碳化硅的重量百分数为5wt％，短碳纤维的重量百分数为15wt％，余量为聚四氟乙烯。可见，本发明所获取全工况高耐磨复合材料在摩擦实验过程中，以硬质陶瓷粒子在对磨面磨屑中的支撑作用，在形成的致密的转移膜中起到润滑的效果，短碳纤维在聚四氟乙烯中的支撑粘接作用为硬质陶瓷粒子起到润滑作用的过程中提供了坚实的结构基础。因为整个实验过程中其较低且平稳的摩擦系数，保证了对磨表面的光滑程度，减少零件之间的摩擦阻力，有效地减弱了机械振动的产生，同时考虑到本发明所获取为全工况高耐磨复合材料，相对于金属材料有力的削弱了噪声的传递，具有良好的减震降噪的性能。
图2是实施例16中所获取全工况高耐磨复合材料(5wt％BN+15wt％CF)经与双相不锈钢在海水条件下对磨之后的扫描电子显微镜下所得到的图像，图示微米级硬质陶瓷粒子以及短碳纤维镶嵌于PTFE基体之中，一方面，使得混合原料充分的粘结在一起，降低了摩擦过程中的磨损率，另一方面有效地发挥了PTFE基体于复合材料之中的耐腐蚀效果，利用PTFE的特殊性质，将所获取全工况高耐磨复合材料表面能够有效降低发生化学反应及腐蚀的可能。
全工况高耐磨复合材料中硬质陶瓷粒子以及短碳纤维填料的加入阻碍了PTFE材料大分子呈带状结构从基体抽出，减弱了粘着磨损的发生趋势，提高了复合材料的耐磨性能。同时，由于填料的作用，复合材料的强度逐渐增大，磨损过程中复合材料不易发生塑性变形，由此可以保证所获取全工况高耐磨复合材料的强度。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全工况高耐磨复合材料，其特征在于，按照重量百分数由以下原料制成：
3-20wt％的微米级硬质陶瓷粒子、3-20wt％的短碳纤维，余量为聚四氟乙烯；
所述微米级硬质陶瓷粒子粒径区间为0.1-5微米，所述短碳纤维过400目筛；
所述聚四氟乙烯采用平均粒径为10-30微米的PTFE粉末。
2.根据权利要求1所述的一种全工况高耐磨复合材料，其特征在于，所述微米级硬质陶瓷粒子为微米级碳化硅粒子、微米级氮化硅粒子、微米级二氧化硅粒子、微米级氮化硼粒子或微米级氧化铝粒子。
3.根据权利要求1所述的一种全工况高耐磨复合材料，其特征在于，所述微米级硬质陶瓷粒子的重量百分数为5wt％，所述短碳纤维的重量百分数为15wt％。
4.一种如权利要求1所述全工况高耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，该方法按照如下步骤进行：
(1)按重量百分数称取所述微米级硬质陶瓷粒子、所述短碳纤维和所述PTFE粉末，混合后进行机械搅拌；
(2)将步骤(1)搅拌后的混合物均匀铺入模具中，在室温下进行冷压成型获得预制件；
(3)将预制件放入马弗炉中进行烧结，得到所述全工况高耐磨复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种全工况高耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的所述微米级硬质陶瓷粒子为微米级碳化硅粒子、微米级氮化硅粒子、微米级二氧化硅粒子、微米级氮化硼粒子或微米级氧化铝粒子。
6.根据权利要求4所述的一种全工况高耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的所述微米级硬质陶瓷粒子的重量百分数为5wt％，所述短碳纤维的重量百分数为15wt％。
7.根据权利要求4所述的一种全工况高耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中冷压成型的压力为25±5Mpa，保压时间为40±10min，保压温度为室温。
8.根据权利要求4所述的一种全工况高耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结程序为：自30℃升温至327℃，升温速率为100℃/h；在327℃保温30min；自327℃升温至380℃，升温速率为60℃/h；在380℃保温1h；自380℃降温至327℃，升温速率为60℃/h；在327℃保温30min；自327℃降温至150℃，降温速率为100℃/h；到达150℃后空冷至室温。
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