CN110626018A - 一种纳米石墨烯钢基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米石墨烯钢基自润滑复合材料及其制备方法，涉及材料领域，纳米钢基自润滑复合材料由上到下依次由纳米工作层以及钢基体组成；所述纳米工作层材料的各成分质量百分含量为：纳米石墨烯20～30％，聚四氟乙烯50～60％，聚乙烯10～20％，聚对羟基苯甲酸酯10％；本发明解决了当前钢基自润滑复合材料结合强度低、摩擦磨损性能高、使用寿命短等缺点，提供了一种以钢基与混合纳米材料牢固结合、摩擦磨损性能高、机械强度高、耐磨性能好、耐冲击性好的纳米钢基复合材料。

Description

一种纳米石墨烯钢基自润滑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，涉及到一种纳米石墨烯钢基自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
随着时代的快速发展，全世界对于高效、节能以及环保的高科技产品的需求日益增长。传统机器零部件的润滑通过采用润滑油、润滑脂的方法来减少摩擦磨损，但是对于食品、环保、水利等特殊工况条件下，机器零部件的运行都要求处于少油甚至无油的工作环境下，因此需要开发出更好的产品，使机器零部件可以在多工况下运行，并可以减小机器零部件运行时振动、跳动等引起的环境噪音。当前钢基自润滑复合材料由于结合强度低、摩擦系数高、使用寿命短等缺点，所以急需一种更有效的技术，该技术需要有低的摩擦磨损系数、高的结合强度、使用寿命长、简化的生产工艺、低的成本。
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，提供一种以钢基与混合纳米材料牢固结合、摩擦系数低、机械强度高、耐磨性能好、耐冲击性好的纳米钢基复合材料。
本发明的第二个目的是提供该纳米钢基自润滑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：一种纳米钢基自润滑复合材料，纳米钢基自润滑复合材料由上到下依次由纳米工作层以及钢基体组成；所述纳米工作层材料的各成分质量百分含量为：纳米石墨烯20～30％，聚四氟乙烯50～60％，聚乙烯10～20％，聚对羟基苯甲酸酯10％；
进一步的，所述纳米石墨烯的粒径为20nm，聚四氟乙烯的粒度为10μm，聚乙烯的粒度为30～40μm，聚对羟基苯甲酸酯的粒度为30～50μm。
进一步的，所述的钢基体经过纳米处理。
所述纳米钢基自润滑复合材料的制备方法如下：
对钢基进行超声波清洗，时间为40～60min，然后将钢基放入浓硫酸与水的混合液中浸泡20～30min，其中浓硫酸与水比重为1:1，再将钢基放入质量百分比浓度为5％-10％的强碱水溶液中碱洗，浸泡时间为20～30min，所述强碱水溶液为氢氧化钠溶液，然后对钢基用去离子水清洗5次，将钢基放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为90℃，时间为60min，烘干后对钢基体进行高能喷丸纳米处理，喷丸直径为0.5mm，喷丸速度为60m/s，喷丸时间为30～60min；
按质量百分含量的配比，纳米石墨烯20～30％，聚四氟乙烯50～60％，聚乙烯10～20％，聚对羟基苯甲酸酯10％，将纳米工作层材料放入烘干机中进行烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为2小时，烘干结束将纳米工作层的材料混合均匀；
将处理过的纳米工作层材料与钢基放入压制烧结炉中，在10min内将模具温度升高到90℃对模具与纳米工作层材料进行预热，预热结束采用70～80Mpa的压力对纳米钢基自润滑复合材料进行预压，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5min内将温度升至300℃，压力达到7～8Mpa，且纳米工作层进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续三次，每次持续时间为15秒，排气后继续加热，重新加载压力，在40min内将温度升高到300℃、压力升高到7～8Mpa，并保温90min，最后卸掉压力，将纳米钢基自润滑复合材料成型件随炉冷却至80℃脱模。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明解决了当前钢基自润滑复合材料结合强度低、摩擦磨损性能高、使用寿命短等缺点，本发明提供一种以钢基与混合纳米材料牢固结合、摩擦磨损性能高、机械强度高、耐磨性能好、耐冲击性好的纳米钢基复合材料。
2.聚四氟乙烯几乎不溶于任何溶剂，具有很强抗各种有机溶剂以及抗酸抗碱的能力，它还具有耐高温，摩擦系数低，较小的弹性模量以及较大的线膨胀系数的特点，所以添加聚四氟乙烯可以有效的降低钢基自润滑复合材料的摩擦磨损性能，而聚乙烯和聚对羟基苯甲酸酯材料的添加可以弥补聚四氟乙烯与金属不粘性的缺点，使其与金属基体有良好的结合。
3.纳米工作层材料的各成分质量百分含量配比，含量最大的为聚四氟乙烯等材料，摩擦系数低，为基体材料，其它材料为配方，比如聚乙烯和聚对羟基苯甲酸酯，加入到纳米工作层，不仅能够提升聚四氟乙烯材料自身的摩擦磨损性及解决不粘性，而且作为固体润滑剂，根据转移膜形成机理分析，二者可以提升复合材料最终的摩擦磨损性能；聚对羟基苯甲酸酯是一种摩擦系数极低的自润滑材料，摩擦系数可达到0.005，甚至比用润滑油、脂润滑时的还低。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明做进一步描述：
实施例1:
对钢基进行超声波清洗，时间为40min，然后将钢基放入浓硫酸与水的混合液中浸泡20min，其中浓硫酸与水比重为1:1，再将钢基放入质量百分比浓度为5％的强碱水溶液中碱洗，浸泡时间为20min，所述强碱水溶液为氢氧化钠溶液，然后对钢基用去离子水清洗5次，将钢基放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为90℃，时间为60min，烘干后对钢基体进行高能喷丸纳米处理，喷丸直径为0.5mm，喷丸速度为60m/s，喷丸时间为30min；
按质量百分含量的配比，纳米石墨烯20％，聚四氟乙烯50％，聚乙烯20％，聚对羟基苯甲酸酯10％，将纳米工作层材料放入烘干机中进行烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为2小时，烘干结束将纳米工作层的材料混合均匀；
将处理过的纳米工作层材料与钢基放入压制烧结炉中，在10min内将模具温度升高到90℃对模具与纳米工作层材料进行预热，预热结束采用70Mpa的压力对纳米钢基自润滑复合材料进行预压，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5min内将温度升至300℃，压力达到7Mpa，且纳米工作层进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续三次，每次持续时间为15秒，排气后继续加热，重新加载压力，在40min内将温度升高到300℃、压力升高到7Mpa，并保温90min，最后卸掉压力，将纳米钢基自润滑复合材料成型件随炉冷却至80℃脱模。
实施例2:
对钢基进行超声波清洗，时间为60min，然后将钢基放入浓硫酸与水的混合液中浸泡30min，其中浓硫酸与水比重为1:1，再将钢基放入质量百分比浓度为10％的强碱水溶液中碱洗，浸泡时间为30min，所述强碱水溶液为氢氧化钠溶液，然后对钢基用去离子水清洗5次，将钢基放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为90℃，时间为60min，烘干后对钢基体进行高能喷丸纳米处理，喷丸直径为0.5mm，喷丸速度为60m/s，喷丸时间为60min；
按质量百分含量的配比，纳米石墨烯30％，聚四氟乙烯50％，聚乙烯10％，聚对羟基苯甲酸酯10％，将纳米工作层材料放入烘干机中进行烘干，烘干机的温度设置为80℃，时间为2小时，烘干结束将纳米工作层的材料混合均匀；
将处理过的纳米工作层材料与钢基放入压制烧结炉中，在10min内将模具温度升高到90℃对模具与纳米工作层材料进行预热，预热结束采用80Mpa的压力对纳米钢基自润滑复合材料进行预压，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5min内将温度升至300℃，压力达到8Mpa，且纳米工作层进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作要连续三次，每次持续时间为15秒，排气后继续加热，重新加载压力，在40min内将温度升高到300℃、压力升高到8Mpa，并保温90min，最后卸掉压力，将纳米钢基自润滑复合材料成型件随炉冷却至80℃脱模。
将样品1到样品2与市售产品进行结合强度、摩擦磨损性能、中值疲劳寿命对比实验，对比数据如下。
样品值/市售值 样品1 样品2
结合强度 1.68倍 1.93倍
摩擦磨损性能 1.25倍 1.36倍
中值疲劳寿命 5.69倍 6.94倍
从数据可知，采用本发明的纳米复合材料与目前市售产品相比，结合强度、摩擦磨损性能、中值疲劳寿命大大提高。同时，本发明的制备方法简单易行，成本低廉，适合大规模生产与应用。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳米石墨烯钢基自润滑复合材料，其特征在于，纳米钢基自润滑复合材料从上到下依次由纳米工作层和钢基体组成；所述纳米工作层材料的各成分质量百分含量为：纳米石墨烯20～30％，聚四氟乙烯50～60％，聚乙烯10～20％，聚对羟基苯甲酸酯10％。
2.根据权利要求1所述的纳米石墨烯钢基自润滑复合材料，其特征在于，所述纳米石墨烯的粒径为20nm，聚四氟乙烯的粒度为10μm，聚乙烯的粒度为30～40μm；聚对羟基苯甲酸酯的粒度为30～50μm，所述钢基体经过纳米处理。
3.根据权利要求1至2任一项所述的纳米石墨烯钢基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对钢基进行超声波清洗，然后将钢基放入浓硫酸与水的混合液中浸泡20～30min，其中浓硫酸与水比重为1:1，再将钢基放入质量百分比浓度为5％-10％的强碱水溶液中碱洗，浸泡时间为20～30min，所述强碱水溶液为氢氧化钠溶液，然后对钢基用去离子水清洗5次，将钢基放入真空烘干机中烘干，烘干机的温度设置为90℃，时间为60min，烘干后对钢基体进行高能喷丸纳米处理；
按质量百分含量的配比，纳米石墨烯20～30％，聚四氟乙烯50～60％，聚乙烯10～20％，聚对羟基苯甲酸酯10％，将纳米工作层材料放入烘干机中进行烘干，烘干结束将纳米工作层的材料混合均匀；
将处理过的纳米工作层材料与钢基放入压制烧结炉中，在10min～15min内将模具温度升高到90℃对模具与纳米工作层材料进行预热，预热结束后采用70～80Mpa的压力对纳米钢基自润滑复合材料进行预压，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5min内将温度升至300℃，压力达到7～8Mpa，且纳米工作层进入熔融状态之前进行卸压排气，排气动作连续三次，每次持续时间为15秒，排气后继续加热，重新加载压力，在40min内将温度升高到300℃、压力升高到7～8Mpa，并保温90min，卸掉压力，将纳米钢基自润滑复合材料成型件随炉冷却至80℃脱模。
4.根据权利要求3所述的纳米石墨烯钢基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，对钢基进行超声波清洗，时间为40～60min。
5.根据权利要求3所述的纳米石墨烯钢基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，喷丸直径为0.5mm，喷丸速度为60m/s，喷丸时间为30～60min。
6.根据权利要求3所述的纳米石墨烯钢基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，纳米工作层质量百分含量的配比：纳米石墨烯20％，聚四氟乙烯50％，聚乙烯20％，聚对羟基苯甲酸酯10％。
7.根据权利要求3所述的纳米石墨烯钢基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，纳米工作层质量百分含量的配比：纳米石墨烯30％，聚四氟乙烯50％，聚乙烯10％，聚对羟基苯甲酸酯10％。
8.根据权利要求3所述的纳米石墨烯钢基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，烘干机的温度设置为80℃，时间为2小时。
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