CN109762281A - 一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料及制备方法，其特征是所述的复合材料由以下重量份的原料制成：聚四氟乙烯100，氟化石墨烯1～5，多壁碳纳米管1‑5，硅酸铝1～5组成。其制备方法是将复合粉末球磨混匀后加入模具中冷压成型，模压10～20MPa，保压10‑20分钟，然后脱模在四氟烧结炉中进行烧结，温度360～380℃。本发明具有低表面能、较高的机械强度、稳定的摩擦系数和超低的磨损率，能够降低超声电机摩擦界面长时间带压储存导致的无法启动以及黏着磨损，大大提高了超声电机储存稳定性和使用寿命。

Description

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料及制备 方法

技术领域

本发明属于聚合物复合材料领域，尤其是一种超旱情电机用耐磨材料技术，具体地说是一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料及制备方法。

背景技术

随着超声电机技术的不断发展以及应用领域的迅速扩大，对超声电机的启动可靠性、运行稳定性以及使用寿命的要求越来越高，传统的摩擦材料很难满足超声电机高性能化的发展需求。因此，针对特殊需求及应用，发展新型摩擦材料成为超声电机性能提升的有效途径。

聚四氟乙烯是一种具有低表面能、耐腐蚀、自润滑性能优异的高分子材料，但是纯的聚四氟乙烯性能单一，很难满足超声电机复杂的应用工况，尤其在航空航天领域，如果超声电机在地面长期储存后，发射后在空间环境中会有无法正常工作的现象。因为超声电机是一种利用逆压电效应将定子的微观振动通过摩擦作用，将能量传递到转子输出的一种新型电机，组装后定转子之间带有很大的压力，摩擦层长期受压后会发生蠕变或者冷焊，当需要工作时，超声电机接触界面无法启动，或者强行启动后造成摩擦界面撕裂，从而影响超声电机的性能和使用寿命。所以超声电机摩擦界面良好的抗蠕变性和长期储存后仍具有可靠的启动性显得尤为重要。

目前旋转型超声电机使用的摩擦材料主要存在以下问题：一是表面自由能较高，二是抗蠕变性能较差，三是使用寿命较短。目前，国内还没有摩擦材料能够完全解决以上三个问题并同时满足超声电机的使用需求。因此，寻求长寿命高可靠的耐磨材料是超声电机亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有超声电机用摩擦材料存在的表面自由能较高、抗蠕变性能较差、使用寿命较短的问题，发明一种具有表面能低、抗蠕变性能好、磨损率低的氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，同时提供其制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，该材料的组成和质量分数为：聚四氟乙烯100，氟化石墨烯1～5，多壁碳纳米管1-5，硅酸铝1～5。

优选地，所用聚四氟乙烯粒径为20～35μm，选用聚四氟乙烯做聚合物基体是因为其本身具有较低的表面能和良好的自润滑性能。

优选地，所述氟化石墨烯片径为0.4-5 μm，选用氟化石墨烯是因为其具有良好的力学性能和良好的抗粘附性能。

优选地，所述多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为10-50 μm，选用多壁碳纳米管是因为其具有良好的力学性能，是提高聚合物强度的理想增强材料。

优选地，所述硅酸铝粒径为6.5μm。选用硅酸铝作为改性剂是得益于其良好的耐磨性和较高的表面硬度。

本发明的技术方案之二是：

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

1）按重量份数将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝加入酒精中球磨4-8小时，然后进行烘干、粉碎以及过筛（200目）处理；酒精的加入量应浸没原料；

2）将步骤1混好的模料倒入模具中进行冷压成型，模压10～20MPa，保压10-20分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度360～380℃，保温至少2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片（0.2-0.3mm厚）、粘贴以及表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供超声电机使用。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明采用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯后，该复合材料具有更低的表面自由能，降低了超声电机传统摩擦界面的黏着现象，保证了超声电机在长期带压储存后的启动可靠性，同时避免了黏着撕裂造成摩擦界面损坏的可能；

(2)、本发明同时采用多臂碳纳米管和硅酸铝协同改性聚四氟乙烯后，树脂能够提高复合材料的机械强度、表面硬度和耐磨性，从而能够提高超声电机摩擦材料的抗蠕变性能，避免由于蠕变造成齿陷，从而无法启动的现象；材料机械性能提高后其耐磨性也得到提高。

附图说明

图1为本发明各实施案例中聚四氟乙烯复合材料的压缩强度变化图。

图2为本发明各实施案例中的表面自由能（与水接触时的接触角表示）变化图。

图3为本发明各实施案例中的平均摩擦系数变化曲线。

图4为本发明各实施案例中的磨损率变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明采用的聚合物基体聚四氟乙烯的平均粒径为20～35 μm，购自日本大金工业株式会社(上海分公司)；氟化石墨烯的片径为0.4-5 μm，购自南京先丰纳米材料科技有限公司；多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为10-50 μm，购自中国科学院成都有机化学有限公司；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。

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，各组分的重量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯1g、多壁碳纳米管1g、硅酸铝1g。

具体制备步骤：

1) 将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝粉末加入酒精中球磨4小时，然后在真空烘箱中隔夜（至少12小时）烘干，在采用高速粉碎机进行粉碎，然后过200目筛；球磨时酒精量应没过加入的原料表面（下同）；

2）将步骤1混好的模料加入模具中进行冷压成型，模压10MPa，保压10分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度360℃，保温2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片0.2mm厚，然后用环氧树脂胶粘贴到超声电机铝合金转子表面，将表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供组装使用。

本实施例制备所得聚四氟乙烯复合材料的压缩强度5%为14.3 MPa，接触角为118°，在250N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.173，磨损率约为3.6×10^-6mm³/N•m。

实施例2。

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，各组分的重量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯2g、多壁碳纳米管2g、硅酸铝2g。

具体制备步骤：

1) 将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝粉末加入酒精中球磨5小时，然后在真空烘箱中隔夜（至少12小时）烘干，再采用高速粉碎机进行粉碎，然后过200目筛；

2）将步骤1混好的模料加入模具中进行冷压成型，模压10MPa，保压10分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度365℃，保温2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片0.2mm厚，然后用环氧树脂胶粘贴到超声电机铝合金转子表面，将表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供组装使用。

本实施例制备所得聚四氟乙烯复合材料的压缩强度5%为14.9 MPa，接触角为120°，在250N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.169，磨损率约为2.1×10^-6mm³/N•m。

实施例3。

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，各组分的重量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯3g、多壁碳纳米管3g、硅酸铝3g。

具体制备步骤：

1) 将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝粉末加入酒精中球磨6小时，然后在真空烘箱中隔夜（至少12小时）烘干，在采用高速粉碎机进行粉碎，然后过200目筛；

2）将步骤1混好的模料加入模具中进行冷压成型，模压15MPa，保压15分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度370℃，保温2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片0.25mm厚，然后用环氧树脂胶粘贴到超声电机铝合金转子表面，将表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供组装使用。

本实施例制备所得聚四氟乙烯复合材料的压缩强度5%为15.7 MPa，接触角为123°，在250N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.164，磨损率约为1.4×10^-6mm³/N•m。

实施例4。

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，各组分的重量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯4g、多壁碳纳米管4g、硅酸铝4g。

具体制备步骤：

1) 将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝粉末加入酒精中球磨7小时，然后在真空烘箱中隔夜（至少12小时）烘干，在采用高速粉碎机进行粉碎，然后过200目筛；

2）将步骤1混好的模料加入模具中进行冷压成型，模压15MPa，保压15分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度375℃，保温2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片0.25mm厚，然后用环氧树脂胶粘贴到超声电机铝合金转子表面，将表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供组装使用。

本实施例制备所得聚四氟乙烯复合材料的压缩强度5%为16.2 MPa，接触角为125°，在250N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.161，磨损率约为0.8×10^-6mm³/N•m。

实施例5。

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，各组分的重量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯5g、多壁碳纳米管5g、硅酸铝5g。

具体制备步骤：

1) 将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝粉末加入酒精中球磨8小时，然后在真空烘箱中隔夜（至少12小时）烘干，在采用高速粉碎机进行粉碎，然后过200目筛；

2）将步骤1混好的模料加入模具中进行冷压成型，模压20MPa，保压20分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度380℃，保温2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片0.3mm厚，然后用环氧树脂胶粘贴到超声电机铝合金转子表面，将表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供组装使用。

本实施例制备所得聚四氟乙烯复合材料的压缩强度5%为16.9 MPa，接触角为128°，在250N、200r/min条件下与磷青铜定子配副的摩擦系数为0.158，磨损率约为0.3×10^-6mm³/N•m。

图1为本发明实施案例一至五中聚四氟乙烯复合材料的压缩强度变化图，图2为本发明各实施案例中的表面自由能（与水接触时的接触角表示）变化图，图3为本发明各实施案例中的平均摩擦系数变化曲线，图4为本发明各实施案例中的磨损率变化图。图中序号1至5分别对应实施例1至5。

实施例6。

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，各组分的重量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯5g、多壁碳纳米管3g、硅酸铝2g。

具体制备步骤：

1) 将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝粉末加入酒精中球磨6小时，然后在真空烘箱中隔夜（至少12小时）烘干，在采用高速粉碎机进行粉碎，然后过200目筛；

2）将步骤1混好的模料加入模具中进行冷压成型，模压15MPa，保压15分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度370℃，保温2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片0.25mm厚，然后用环氧树脂胶粘贴到超声电机铝合金转子表面，将表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供组装使用。

本实施例制备所得聚四氟乙烯复合材料的压缩强度5%为15.9 MPa，接触角为125°，在250N、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0.9×10^{- 6}mm³/N•m。

实施例7。

一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，各组分的重量份数如下：聚四氟乙烯100g、氟化石墨烯3g、多壁碳纳米管4g、硅酸铝3g。

具体制备步骤：

1) 将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝粉末加入酒精中球磨6小时，然后在真空烘箱中隔夜（至少12小时）烘干，在采用高速粉碎机进行粉碎，然后过200目筛；

2）将步骤1混好的模料加入模具中进行冷压成型，模压15MPa，保压15分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度370℃，保温2小时后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片0.25mm厚，然后用环氧树脂胶粘贴到超声电机铝合金转子表面，将表面研磨至表面粗糙度小于0.1μm后处供组装使用。

本实施例制备所得聚四氟乙烯复合材料的压缩强度5%为16 MPa，接触角为124°，在250N、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1.5×10^-6mm³/N•m。

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。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，其特征在于，该材料由以下重量份的原料制成：聚四氟乙烯100，氟化石墨烯1～5，多壁碳纳米管1-5，硅酸铝1～5。

2.根据权利要求1所述的超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的聚四氟乙烯的粒径为20～35μm，所述聚四氟乙烯具有较低的表面能和良好的自润滑性能。

3.根据权利要求1所述的超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的氟化石墨烯的片径为0.4-5 μm，所述氟化石墨烯具有良好的力学性能和良好的抗粘附性能。

4.根据权利要求1所述的超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的多壁碳纳米管的直径为8-15nm，长度为10-50 μm，所述多壁碳纳米管具有良好的力学性能，是提高聚合物强度的理想增强材料。

5.根据权利要求1所述的超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述的硅酸铝的粒径为6.5μm，所述硅酸铝具有良好的耐磨性和较高的表面硬度。

6.一种权利要求1所述的超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料的制备方法，其特征是它包括如下步骤：

1）按照设计的重量份将聚四氟乙烯、氟化石墨烯、多壁碳纳米管、硅酸铝加入酒精中球磨4-8小时，然后进行烘干、粉碎以及过筛处理；

2）将步骤1混好的模料倒入模具中进行冷压成型，模压10～20MPa，保压10-20分钟；脱模后在四氟烧结炉中进行烧结，温度360～380℃，保温后随炉冷却；

3）将步骤2制成的聚四氟乙烯复合材料进行切片、粘贴以及表面研磨处理供超声电机使用。

7.根据权利要求6所述的超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述切片的厚度为0.2-0.3mm厚。

8.根据权利要求6所述的超声电机用氟化石墨烯改性聚四氟乙烯复合材料，其特征是所述表面研磨的表面粗糙度小于0.1μm。