CN112759890B - 一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料及其制备方法和应用，属于超声电机技术领域。本发明首次将芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物用作超声电机摩擦材料，起到承载作用；而且所用片层纳米二氧化锰承载能力好，将其负载于织物表面，能够进一步提高复合材料的承载能力；片层纳米二氧化锰与芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物两者结合，从而提高复合材料的摩擦学性能；本发明将润滑填料与片层纳米二氧化锰结合使用，能够在降低摩擦系数的同时极大地提高材料的耐磨性，所得复合材料的摩擦系数为0.254～0.326；磨损率为0.0018～0.0043g/h，为超声电机摩擦材料的设计提供了指导。

Description

一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及超声电机技术领域，尤其涉及一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
超声电机把驱动电路产生的超声波信号施加在压电器件上，使定子在超声频段内产生微幅振动。在定子与转子的摩擦作用下，定子的微幅振动转换为转子的宏观旋转或直线运动。超声电机是结合振动和波动学、摩擦学、机械设计、电子电力、材料科学和控制科学等多学科发展起来的。
定子与转子通过接触界面摩擦将定子的微幅振动转换成转子的宏观运动。其中，摩擦材料具有举足轻重的作用。通常的摩擦材料都是由块体材料加工成薄片制得，其摩擦性能有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料及其制备方法和应用，所述方法制备的二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料具有优异的摩擦学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂混合，进行分散，得到浸渍液；
将织物浸渍于所述浸渍液中，将所得浸渍后织物进行固化成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料；
所述织物为芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物。
优选的，所述片层纳米二氧化锰的粒径为300～500nm。
优选的，所述润滑填料为聚四氟乙烯、石墨、石墨烯和二硫化钼中的一种或几种，所述润滑填料的粒径为400～500nm。
优选的，所述酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂的质量比为(2～4):(0.01～0.08):(0.18～0.22):(4～8)。
优选的，所述织物的厚度为0.20～0.22mm；所述织物的幅宽为25cm。
优选的，将织物浸渍于所述浸渍液中的方式为多次重复浸渍，直至所述织物增重50～60％。
优选的，所述固化成型的压力为0.1～0.3MPa，温度为120～150℃，时间为2～5h；升温至所述固化成型的温度的升温速率为5～10℃/min。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
优选的，所述二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的摩擦系数为0.254～0.326；磨损率为0.0018～0.0043g/h。
本发明提供了上述技术方案所述二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料在超声电机中的应用。
本发明提供了一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：将酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂混合，进行分散，得到浸渍液；将织物浸渍于所述浸渍液中，将所得浸渍后织物进行固化成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料；所述织物为芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物。
本发明首次将芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物用作超声电机摩擦材料，起到承载作用；而且所用片层纳米二氧化锰承载能力好，将其负载于织物表面，能够进一步提高复合材料的承载能力；片层二氧化锰被浸渍于织物表面，在摩擦的过程中，在切应力的作用下，片层二氧化锰发生层间滑移，能够降低摩擦系数，片层纳米二氧化锰与芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物两者结合，从而提高复合材料的摩擦学性能。此外，本发明将润滑填料与片层纳米二氧化锰结合使用，能够在降低摩擦系数的同时极大地提高材料的耐磨性，使其可作为超声电机的摩擦材料。
本发明将片层纳米二氧化锰引入到超声电机摩擦材料，其与芳纶纤维和玻璃纤维混编织物的配合，能够极大程度的改善摩擦材料的摩擦磨损行为，所得复合材料的摩擦系数为0.254～0.326；磨损率为0.0018～0.0043g/h，为超声电机摩擦材料的设计提供了指导。
附图说明
图1为本发明所用片层纳米二氧化锰的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂混合，进行分散，得到浸渍液；
将织物浸渍于所述浸渍液中，将所得浸渍后织物进行固化成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料；
所述织物为芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂混合，进行分散，得到浸渍液。本发明对所述酚醛树脂的来源没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可；在本发明的实施例中，具体为上海新光化工有限公司生产的铁锚牌204酚醛树脂胶。
在本发明中，所述片层纳米二氧化锰的粒径优选为300～500nm，更优选为350～450nm；本发明对所述片层纳米二氧化锰的来源没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可；在本发明的实施例中，所述片层纳米二氧化锰具体来源于杭州纳猫科技有限公司。本发明所用片层纳米二氧化锰的SEM图如图1所示，由图1可知，片层纳米二氧化锰呈现为片层结构，承载能力好，且在摩擦的过程中，在切应力的作用下，片层二氧化锰发生层间滑移，能够降低摩擦系数，提高复合材料的摩擦学性能。
在本发明中，所述润滑填料优选为聚四氟乙烯、石墨、石墨烯和二硫化钼中的一种或几种；当所述润滑填料优选为上述中的几种时，本发明对不同种类润滑填料的配比没有特殊的限定，任意配比均可。在本发明中，所述润滑填料的粒径优选为400～500nm。本发明利用润滑填料能够降低复合材料的摩擦系数，同时协同片层纳米二氧化锰保证复合材料的摩擦系数在超声电机摩擦材料范围内。
在本发明中，所述有机溶剂优选为乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或几种；当所述有机溶剂为上述中的几种时，本发明对不同种类有机溶剂的配比没有特殊的限定，任意配比均可。
在本发明中，所述酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂的质量比优选为(2～4):(0.01～0.08):(0.18～0.22):(4～8)，更优选为(2.5～3.5):(0.03～0.06):(0.19～0.21):(5～6)。本发明对所述混合的过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的过程能够将原料混合均匀即可。本发明利用酚醛树脂作为粘结剂，利用有机溶剂分散酚醛树脂和片层纳米二氧化锰。
在本发明中，所述分散优选在超声条件下进行，所述超声的功率优选为500W，所述分散的时间优选为25～35min，更优选为30min。本发明通过超声条件下的分散得到混合均匀的浸渍液。
得到浸渍液后，本发明将织物浸渍于所述浸渍液中，将所得浸渍后织物进行固化成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
在本发明中，所述织物为芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物；所述织物的厚度优选为0.20～0.22mm；所述织物的幅宽优选为25cm。本发明对所述织物的来源没有特殊的限定，选用本领域熟知的满足上述规格的市售商品即可；在本发明的实施例中，所述织物来源于中富碳纤维制品有限公司。本发明所用芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物起到承载作用；而且所用片层纳米二氧化锰承载能力好，将其负载于织物表面能够进一步提高复合材料的承载能力。
在本发明中，将织物浸渍于所述浸渍液中的方式优选为多次重复浸渍，直至所述织物增重50～60％，更优选增重至52～58％，进一步优选增重至55％。在所述多次重复浸渍过程中，每完成一次浸渍，本发明优选将浸渍后的织物进行干燥30～60min，再进行下一次浸渍，直至达到目标增重。在本发明中，每次浸渍的时间优选为10～20min，更优选为15min。在本发明中，所述干燥优选在鼓风烘箱中进行；所述干燥的温度优选为70～80℃，更优选为75℃。本发明对所述浸渍的具体过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的方式将织物充分浸润即可。
完成所述浸渍后，本发明优选将所得干燥后的织物进行固化成型。在本发明中，所述固化成型的压力优选为0.1～0.3MPa，更优选为0.15～0.25MPa，温度优选为120～150℃，更优选为130～140℃，时间优选为2～5h，更优选为3～4h；自室温升温至所述固化成型的温度的升温速率优选为5～10℃/min，更优选为6～8℃/min。本发明对所述固化成型的设备没有特殊的限定，选用本领域熟知的设备即可。
为了便于测试所述二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的性能，在本发明的实施例中，将所得浸渍后织物进行固化成型之前，本发明优选先使用酚醛树脂将浸渍后的织物贴于金属表面，施加压力，自室温升温至固化成型的温度，将所得浸渍后织物进行固化成型。在本发明中，所述金属优选为钛合金、铝合金、304钢或轴承钢；本发明对所述金属的具体规格和来源没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可。在所述固化成型过程中，酚醛发生固化，将织物与金属粘在一起。
在本发明中，完成所述固化成型后，无需进行后处理，即可得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。在所述二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料中，浸渍液中的成分均匀分布于织物表面，即片层纳米二氧化锰和润滑填料均匀分布于织物表面。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。本发明制备的二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的摩擦系数为0.254～0.326；磨损率为0.0018～0.0043g/h，具有优异的摩擦学性能且使用寿命长。
本发明提供了上述技术方案所述二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料在超声电机中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊的限定，按照本领域熟知的方法应用即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中，酚醛树脂具体为上海新光化工有限公司生产的铁锚牌204酚醛树脂胶；片层纳米二氧化锰来源于杭州纳猫科技有限公司，片层纳米二氧化锰的粒径为300～500nm；所述织物来源于中富碳纤维制品有限公司，所述织物为芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物；所述织物的幅宽为25cm。
实施例1
将酚醛树脂、丙酮、片层纳米二氧化锰和聚四氟乙烯分别按质量4g、8g、0.8g和2.2g混合，进行超声(500W)分散35min，得到浸渍液；将织物(织物的厚度为0.20～0.22mm)浸渍于所述浸渍液中20min，然后移至80℃鼓风烘箱中干燥60min，多次重复浸渍-干燥的步骤，直至织物增重60％，将所得干燥后织物用酚醛树脂贴于钛合金表面，并施加0.3MPa的压力，以10℃/min的速度从室温升至150℃，固化5h后成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
实施例2
将酚醛树脂、乙酸乙酯、片层纳米二氧化锰和石墨分别按质量20g、40g、0.1g和1.8g混合，进行超声(500W)分散25min，得到浸渍液；将织物(织物的厚度为0.20～0.22mm)浸渍于所述浸渍液中10min，然后移至70℃鼓风烘箱中干燥30min，多次重复浸渍-干燥的步骤，直至织物增重50％，将所得干燥后织物用酚醛树脂贴于铝合金表面，并施加0.1MPa的压力，以5℃/min的速度从室温升至120℃，固化2h后成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
实施例3
将酚醛树脂、乙醇、片层纳米二氧化锰和二硫化钼分别按质量30g、60g、0.4g和2.0g混合，进行超声(500W)分散30min，得到浸渍液；将织物(织物的厚度为0.20～0.22mm)浸渍于所述浸渍液中15min，然后移至75℃鼓风烘箱中干燥45min，多次重复浸渍-干燥的步骤，直至织物增重55％，将所得干燥后织物用酚醛树脂贴于304钢表面，并施加0.2MPa的压力，以7℃/min的速度从室温升至140℃，固化3h后成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
实施例4
将酚醛树脂、乙酸乙酯与乙醇混合溶剂(质量比为1:1)、片层纳米二氧化锰和聚四氟乙烯-石墨烯混合填料(质量比为1:1)分别按质量20g、60g、0.8g和2.2g混合，进行超声(500W)分散28min，得到浸渍液；将织物(织物的厚度为0.20～0.22mm)浸渍于所述浸渍液中17min，然后移至72℃鼓风烘箱中干燥50min，多次重复浸渍-干燥的步骤，直至织物增重50％，将所得干燥后织物用酚醛树脂贴于轴承钢表面，并施加0.1MPa的压力，以10℃/min的速度从室温升至130℃，固化4h后成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
实施例5
将酚醛树脂、乙酸乙酯与丙酮混合溶剂(质量比为1:1)、片层纳米二氧化锰和聚四氟乙烯-二硫化钼混合填料(质量比为1:1)分别按质量25g、65g、0.3g和2.1g混合，进行超声(500W)分散30min，得到浸渍液；将织物(织物的厚度为0.20～0.22mm)浸渍于所述浸渍液中15min，然后移至70℃鼓风烘箱中干燥60min，多次重复浸渍-干燥的步骤，直至织物增重60％，将所得干燥后织物用酚醛树脂贴于轴承钢表面，并施加0.2MPa的压力，以8℃/min的速度从室温升至135℃，固化5h后成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
对比例1
将酚醛树脂、乙酸乙酯与丙酮混合溶剂(质量比为1:1)和润滑填料(聚四氟乙烯和二硫化钼等质量混合)按质量25g、65g和2.4g在500W超声中分散30min，得到浸渍液，其余步骤与实施例5完全相同。
对比例2
将酚醛树脂、乙酸乙酯与丙酮混合溶剂(质量比为1:1)按质量27.4g和65g在500W超声中分散30min，得到浸渍液，其余步骤与实施例5完全相同。
性能测试
1)测试条件为：将实施例1～5和对比例1～2制备的织物自润滑复合材料与磷青铜对磨，试验加载力100N，转速200rpm，运行时间10h，测定其摩擦系数和磨损率，其中摩擦系数和磨损率为3～5次测试的平均值，具体结果见表1。
表1实施例1～5和对比例1～2制备的复合材料的摩擦系数和磨损率
Figure BDA0002882345950000071
Figure BDA0002882345950000081
超声电机用织物复合材料的选择依据是高的摩擦系数(一般在0.2～0.4之间)和低的磨损率。由表1中对比例1和对比例2对比可知，润滑填料能够降低复合材料的摩擦系数，但是降低后的摩擦系数太低(小于0.2)会导致超声电机输出特性下降，本发明通过加入片层纳米MnO2，与润滑填料共同作用，能够得到具有较低摩擦系数和优异耐磨性的复合材料。
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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂混合，进行分散，得到浸渍液；
将织物浸渍于所述浸渍液中，将所得浸渍后织物进行固化成型，得到二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料；
所述织物为芳纶纤维和玻璃纤维混编的织物；
所述酚醛树脂、片层纳米二氧化锰、润滑填料和有机溶剂的质量比为(2~4):(0.01~0.08):(0.18~0.22):(4~8)；
所述织物的厚度为0.20~0.22mm；所述织物的幅宽为25 cm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述片层纳米二氧化锰的粒径为300~500nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述润滑填料为聚四氟乙烯、石墨、石墨烯和二硫化钼中的一种或几种，所述润滑填料的粒径为400~500nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将织物浸渍于所述浸渍液中的方式为多次重复浸渍，直至所述织物增重50~60%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固化成型的压力为0.1~0.3MPa，温度为120~150℃，时间为2~5h；升温至所述固化成型的温度的升温速率为5~10℃/min。
6.权利要求1~5任一项所述制备方法制备得到的二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料。
7.根据权利要求6所述的二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料，其特征在于，所述二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料的摩擦系数为0.254~0.326；磨损率为0.0018~0.0043g/h。
8.权利要求6或7所述二氧化锰改性超声电机用纤维织物复合材料在超声电机中的应用。
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