CN110901096A - 一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压制备方法及热压成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压制备方法及热压成型模具，热压成型模具包括下模板、多层模板、导向柱、螺母、压套、排针和上模板，首先将多层模板的多个薄板依次通过导向机构放置在下模板上，在放置薄板过程中，每放置一层薄板，在该层薄板上的排针上缠绕一层纤维，使得纤维在型腔内定向分布，并在该层薄板中间的型腔内填充高分子胚料，在最后一层纤维上压上最顶层的薄板。之后在排针处剪断纤维，并使用锁紧机构锁紧多层模板；之后盖上压套和上模板，将上述装填好物料的热压成型模具通过热压成型得到纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材。本发明制作方法简单、操作方便、成本低、纤维定向效果好、应用前景广阔。

Description

一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压制备方法 及热压成型模具

技术领域

本发明属于纤维增强复合材料领域，涉及一种热压成型制作工艺，具体涉及一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压制备方法及热压成型模具。

背景技术

船舶尾轴承是船舶动力推进系统的关键支撑部分，其工作可靠性严重影响着整船的可靠性和安全性。与传统油润滑轴承不同，水润滑轴承采用水作为润滑剂，不需要使用润滑油，可以有效降低船舶航行的成本，也可以有效防止润滑油泄露造成的水域污染。然而，水的粘度只有油的1/8，难以形成稳定的润滑液膜，这就对水润滑轴承的摩擦性能提出了很高的要求，目前高分子材料是制作水润滑轴承的主流材料，但是通常高分子材料制作的轴承机械强度不能满足需求，耐磨性能也较差，而添加纤维是一种有效提高材料机械强度的方法。

纤维在纵向上具有非常优秀的抗拉、抗压性能。然而纤维的机械性能在轴向上远远低于纵向。纤维使用普通的方法混入基材中，纤维是随机分布的，难以起到非常明显的作用，甚至可能因纤维与基体之间结合不紧密反而导致材料的机械性能发生下降。而定向布置纤维可以极大的提升材料在某一特定方向上的抗拉性能、抗压性能以及抗剪性能，进一步有效提高材料的机械性能以及耐磨性。此外，定向布置纤维可以有效降低纤维的使用量，从而节约材料的制作成本。热压是高分子材料成型的常用技术，在热压的过程中实现纤维的定向布置具有成型效果好、基材与纤维间结合力高等优势。

目前关于定向纤维的专利很少，通过热压定向布置纤维的相关专利几乎没有。在CN201610343371中公开了一种静电纺丝定向纳米纤维膜及其制备方法和用途，这种方法可以制成孔径均匀、排列整齐的纤维膜，但是不能使所有纤维的方向相同。在CN201811156519中公开了一种磁场和电场耦合诱导定向纤维增强水泥基材料的成型模具及其使用方法，这种方法可以使带磁纤维在水泥中的方向趋势大致相同，但是方向不能完全一致，并且不适用于高分子材料。

发明内容

本发明创造的目的在于：提供一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压制备方法及热压成型模具，解决在现有技术下纤维增强基材制备过程中纤维无法定向分布的问题。

为实现上述目的，本发明创造采取的技术方案为：

一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：包括下模板、多层模板、导向机构、排针和上模板，所述排针至少有两排，成对的安装在下模板上，用于对纤维的定向布置，所述多层模板由多个薄板依次层叠并通过导向机构放置在下模板上，所述多层模板中部开设有贯穿上下的型腔，所述纤维通过排针定向布置在型腔区域，并且每布置一层后通过一个薄板压紧，所述上模板底部设有位置和截面形状与型腔对应的压头。

进一步地，所述导向机构为固定于下模板上的多个导向柱，所述导向柱上端设有螺纹，所述多层模板上设有与相应导向柱对应的导向孔，多层模板安装在导向柱上后通过螺母进行锁定。

进一步地，所述下模板中部设有凸台，所述排针和导向柱固定安装在下模板的凸台上,所述多层板也置于凸台上。

进一步地，所述上模板和下模板之间设有用于承压并防止胚料在加热过程中溢出的压套，所述压套四周设有与多层模板外部形状匹配的外围板和与多层模板中部型腔匹配的内围板。

进一步地，所述导向柱有两个，分布在凸台的一个方向对边上，所述排针也有两个，分布在凸台另一个方向的对边上，所述多层板上设有与排针对应的避让槽。

进一步地，所述避让槽内侧与相应的排针内侧贴近，起到辅助定位作用，避让槽外侧与相应排针外侧预留便于剪断纤维的操作空间。

进一步地，所述排针的单根针尺寸和相邻针之间的间距相匹配，便于纤维均匀布置，并且该间距不大于0.4mm。

进一步地，所述多层模板的单层薄板厚度不大于2mm。

一种利用上述任意一项热压成型模具进行纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将多层模板的多个薄板依次通过导向机构放置在下模板上，在放置薄板过程中，每放置一层薄板，在该层薄板上的排针上缠绕一层纤维，使得纤维在型腔内定向分布，并在该层薄板中间的型腔内填充高分子胚料，在最后一层纤维上压上最顶层的薄板。

步骤2、多层模具布置结束后，在排针处剪断纤维，并使用锁紧机构锁紧多层模板；

步骤3、上模板的压头对准型腔，盖上上模板；

步骤4、将上述装填好物料的热压成型模具放入热压机，通过热压成型即可得到纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材。

进一步地，所述热压温度为150℃-600℃。

本发明有益效果：

本发明提供的纤维定向分布增强的高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，在热压的基础上通过排针绕丝和逐层加料的方法在高分子基材中定向布置长纤维，其中纤维的取向可保证基本一致。可以大幅提高高分子基材的屈服和抗拉强度以及承载能力，并且节约纤维的使用量从而降低成本。与此同时，布置合适密度的特定纤维，如玻璃纤维、羊毛纤维、剑麻纤维，还可以降低水润滑条件下轴承的摩擦系数，在水润滑轴承领域有很大的应用前景。该模具制作方法简单、操作方便、成本低、纤维定向程度高、易于推广并且应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例中热压成型模具的局部剖视图。

图2为本发明实施例中热压成型模具去掉上模板和压套后示意图。

图3为图2中局部放大示意图A。

图4为本发明实施例中下模板示意图。

图5为本发明实施例中压套示意图。

图6为本发明实施例中上模板示意图。

图7为本发明实施例中排针示意图。

1-下模板，2-多层模板，3-导向柱，4-排针，5-垫片，6-螺母，7-压套，8-上模板，9-凸台，10-型腔，11-外围板，12-内围板，13-避让槽，14-压头。

具体实施方式

下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明创造保护的范围。

如图1所示，一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，包括下模板1、多层模板2、导向柱3、排针4、垫片5、螺母6、压套7和上模板8。多层模板2由多个结构大小一样的薄板组成，将多个薄板堆叠在下模板1上，所述多层模板2中部开设有贯穿上下的型腔10，用于多层布置纤维和胚料，所述纤维通过排针4定向布置在型腔10区域，并且每布置一层后通过一个薄板压紧，所述上模板8底部设有位置和截面形状与型腔10对应的压头14。导向柱3和下模板1为一个整体通过铸造及精加工成型供多层模板2定位，所述导向柱3上端设有螺纹，所述多层模板2上设有与相应导向柱3对应的定位孔，排针4焊接于下模板1的两侧实现纤维的定向布置，排针4的每一根绕丝针都具有相同的半径且间距相同。螺母6与垫片5用于导向柱3上锁紧多层模板2。压套7放置在下模板1与多层模板2上，压套7并没有固定，在热压过程中防止多层模板2被压溃同时起到储存胚料的作用。

作为一种具体的实施例，便于热压成型后取出基材，所述下模板1中部设有凸台9，所述排针4、导向柱3和多层板均安装在下模板1的凸台9上。

作为一种具体的实施例，所述压套7四周设有与多层模板2外部形状匹配的外围板11和与多层模板2中部型腔10匹配的内围板12，压套7既能起到对上模板8压头14导向作用，又能防止多层模板2被压溃同时储存胚料，需要说明的是本发明技术方案中，压套7并非必须部件，当没有压套7时，需要采用高强度材料制备多层模板2，当有压套时，可以采用普通材料制备多层模板2，这样可以大大降低制作成本。

作为一种具体的实施例，所述导向柱3有两个，分布在凸台9的一个方向对边上，所述排针4也有两个，分布在凸台9另一个方向的对边上，所述多层板上设有与排针4对应的避让槽13。所述避让槽13内侧与相应的排针4内侧贴近，起到辅助定位作用，避让槽13外侧与相应排针4外侧预留便于剪断纤维的操作空间。

作为一种具体的实施例，所述排针4的单根针尺寸和相邻针之间的间距相匹配，便于纤维均匀布置，单根针尺寸和相邻针之间的间距根据定向纤维密度需要合理设置，一般该间距不大于0.4mm，所述多层模板2的单层薄板厚度不大于2mm。

需要说明的是本发明实施例中型腔10截面为方形，实际上不限，可以为圆形或者多边形或者任意其他需要的形状。

本发明制备的基材可以进行再加工，制备轴承，或者根据适合直接热压零件形状直接制成成品。需要说明的是，本发明实施例中，导向柱3不仅仅起到导向作用，还和螺母6、垫片5共同锁紧多层模板2，起到锁紧机构的作用，实际上锁紧机构不限于该种方式，比如还可以采用夹持机构进行锁定，等等，为公知常识，本发明不再赘述。

下面以长纤维增强TPU粉末制作基材为例进行说明。

具体实施例如下：准备好TPU粉末和长纤维，本实施例中采用TPU粉末，但本成型模具的适用范围并不局限于TPU也可以使用其他高分子材料的粉末或颗粒。将下模板1置于平坦处，将多层板的第一个薄板安装在导向柱3上，用TPU粉末填满该薄板中间的型腔10区域，将长纤维的一头绕在钢针上，使用钢针将长纤维依次绕过排针4形成一层定向纤维，在绕过所有排针4后通过导向柱3放置第二层薄板，用TPU粉末填满第二层薄板中部的型腔10区域，重复上述过程直到完成所有多层模板2的放置，然后在排针4处剪断纤维。

在所有多层模板2安装好后，在导向柱3放上垫片5并拧紧螺母6，盖上压套7并且在压套7中间与型腔10对应的区域适量的TPU粉末，防止型腔10区域内TPU粉末量不足，保证在热压后基材具有足够的密度但又不至于在热压过程中挤裂模具。将安装好的热压成型模具放入热压机的平台上，并将上模板8固定在热压机活动压板上，保证上模板8的压头14与多层模板2的型腔10相对应。

启动热压机，温度设定在150℃-600℃，等待若干分钟直到TPU粉末完全融化。将热压机的活动压板压下持续2分钟左右，抬起活动压板，关闭热压机，将热压成型模具和试样静置到室温后取下压套7，松开螺母6取下垫片5，将多层模板2和基材一起取下，然后顶出基材，之后加热分离多层模板2，下次备用。

本实施例中，排针4的直径和间距均为0.2mm，多层模板2中每一块的厚度为0.5mm，技术人员应根据所需要的纤维密度调整排针4的直径和间距以及多层模板2的厚度。说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：包括下模板、多层模板、导向机构、排针和上模板，所述排针至少有两排，成对的安装在下模板上，用于对纤维的定向布置，所述多层模板由多个薄板依次层叠并通过导向机构放置在下模板上，所述多层模板中部开设有贯穿上下的型腔，所述纤维通过排针定向布置在型腔区域，并且每布置一层后通过一个薄板压紧，所述上模板底部设有位置和截面形状与型腔对应的压头。

2.如权利要求1所述一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：所述导向机构为固定于下模板上的多个导向柱，所述导向柱上端设有螺纹，所述多层模板上设有与相应导向柱对应的导向孔，多层模板安装在导向柱上后通过螺母进行锁定。

3.如权利要求2所述一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：所述下模板中部设有凸台，所述排针和导向柱固定安装在下模板的凸台上,所述多层板也置于凸台上。

4.如权利要求3所述一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：所述上模板和下模板之间设有用于承压并防止胚料在加热过程中溢出的压套，所述压套四周设有与多层模板外部形状匹配的外围板和与多层模板中部型腔匹配的内围板。

5.如权利要求3所述一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：所述导向柱有两个，分布在凸台的一个方向对边上，所述排针也有两个，分布在凸台另一个方向的对边上，所述多层板上设有与排针对应的避让槽。

6.如权利要求5所述一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：所述避让槽内侧与相应的排针内侧贴近，起到辅助定位作用，避让槽外侧与相应排针外侧预留便于剪断纤维的操作空间。

7.如权利要求1-6任意一项所述一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：所述排针的单根针尺寸和相邻针之间的间距相匹配，便于纤维均匀布置，并且该间距不大于0.4mm。

8.如权利要求1-6任意一项所述一种纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材的热压成型模具，其特征在于：所述多层模板的单层薄板厚度不大于2mm。

9.一种利用权利要求1-6任意一项热压成型模具进行纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将多层模板的多个薄板依次通过导向机构放置在下模板上，在放置薄板过程中，每放置一层薄板，在该层薄板上的排针上缠绕一层纤维，使得纤维在型腔内定向分布，并在该层薄板中间的型腔内填充高分子胚料，在最后一层纤维上压上最顶层的薄板；

步骤2、多层模具布置结束后，在排针处剪断纤维，并使用锁紧机构锁紧多层模板；

步骤3、将上模板的压头对准型腔，盖上上模板；

步骤4、将上述装填好物料的热压成型模具放入热压机，通过热压成型即可得到纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材。

10.如权利要求9所述纤维定向分布增强高分子水润滑轴承基材热压成型方法，其特征在于：所述热压温度为150℃-600℃。

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