CN112760973B - 一种金属粒子协同改性碳纤维织物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属粒子协同改性碳纤维织物的制备方法，属于摩擦材料技术领域。本发明以银粉和镍粉作为改性填料，其中银粉具有易流动性和良好的延展性，镍粉具有好的耐腐蚀性、硬度和延展性，能够提高碳纤维织物的界面承载能力，镍粉和银粉共同作用，二者具有协同改性效果，能够在碳纤维织物表面形成“滚珠效应”，增加碳纤维织物的自润滑效果，降低碳纤维织物的摩擦系数；同时，银粉和镍粉具有良好的导热性能，解决摩擦热的散热问题。实施例结果表明，本发明制备得到的金属粒子协同改性碳纤维织物摩擦系数在0.121～0.135之间，磨痕宽度在232～312μm之间。

Description

一种金属粒子协同改性碳纤维织物及其制备方法
技术领域
本发明涉及摩擦材料技术领域，特别涉及一种金属粒子协同改性碳纤维织物及其制备方法。
背景技术
碳纤维织物复合材料因其具有独特的自润滑特性而被广泛应用于轴承、密封圈等摩擦部件。但是，随着使用工况的复杂化和苛刻化，摩擦界面产生的摩擦热对材料性能的影响占比越来越高。摩擦热的积累会加速树脂的性能衰减，降低材料的整体性能。当前，通过添加功能填料提高纤维织物复合材料的摩擦学性能是最有效的改性手段之一并得到了广泛的认可。
目前，现有技术多使用聚四氟乙烯等作为润滑填料来降低碳纤维织物的磨损率，但是聚四氟乙烯并不能有效地解决摩擦热的散热问题；现有的导热填料有有氧化铝、氧化镁、碳化硅等，但是加入这些填料后往往会使得碳纤维织物的自润滑性能下降。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种金属粒子协同改性碳纤维织物及其制备方法。本发明所得金属粒子协同改性碳纤维织物具有良好的导热能力和摩擦性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种金属粒子协同改性碳纤维织物的制备方法，包括以下步骤：
(1)将银粉、镍粉、酚醛树脂、润滑填料和极性有机溶剂超声混合，得到涂覆液；
(2)将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到金属粒子协同改性碳纤维织物。
优选的，所述银粉的粒径为30～50nm，镍粉的粒径为400～600nm。
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；
所述极性有机溶剂为乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或几种。
优选的，所述润滑填料、银粉、镍粉、酚醛树脂和极性有机溶剂的质量比为(0.14～0.2):(0.01～0.03):(0.01～0.03):(2～4):(4～8)。
优选的，所述超声混合的功率为450～550W，时间为25～35min。
优选的，所述碳纤维织物的纤维规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为120～130g/m2；所述碳纤维织物的厚度为0.2～0.22mm。
优选的，所述浸渍的时间为10～20min；所述干燥的温度为70～80℃，时间为30～60min。
本发明提供了上述制备方法制备得到的金属粒子协同改性碳纤维织物，包括碳纤维织物以及负载于所述碳纤维织物的碳纤维表面的银粉、镍粉、润滑填料和酚醛树脂。
优选的，所述金属粒子协同改性碳纤维织物中银粉的质量为碳纤维织物质量的0.2～0.6％，镍粉的质量为碳纤维织物质量的0.2～0.6％。
优选的，所述润滑材料的质量为碳纤维织物质量的29～38％，酚醛树脂的质量为碳纤维织物质量的10～22％。
本发明提供了一种金属粒子协同改性碳纤维织物的制备方法，包括以下步骤：(1)将银粉、镍粉、酚醛树脂、润滑填料和极性有机溶剂超声混合，得到涂覆液；(2)将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到金属粒子协同改性碳纤维织物。本发明以银粉和镍粉作为改性填料，其中银粉具有易流动性和良好的延展性，能够提高碳纤维织物的耐磨性能；镍粉具有好的耐腐蚀性、硬度和延展性，能够提高碳纤维织物的界面承载能力；镍粉和银粉共同作用，在碳纤维织物表面形成“滚珠效应”，起到协同改性效果，增加碳纤维织物的自润滑效果，降低碳纤维织物的摩擦系数；同时，银粉和镍粉具有良好的导热性能，能够解决摩擦热的散热问题。实施例结果表明，本发明制备得到的金属粒子协同改性的碳纤维织物摩擦系数在0.121～0.135之间，磨痕宽度在232～312μm之间。
附图说明
图1是实施例1中银粉的SEM图；
图2是实施例1中镍粉的SEM图；
图3是实施例1碳纤维织物的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种金属粒子协同改性碳纤维织物的制备方法，包括以下步骤：
(1)将银粉、镍粉、酚醛树脂、润滑填料和极性有机溶剂超声混合，得到涂覆液；
(2)将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到金属粒子协同改性碳纤维织物。
本发明将银粉、镍粉、酚醛树脂、润滑填料和极性有机溶剂超声混合，得到涂覆液。在本发明中，所述银粉的粒径优选为30～50nm，更优选为35～45nm。本发明对所述银粉的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的银粉即可。作为本发明的一个具体实施例，所述银粉为德科岛金公司生产的银粉。在本发明中，所述镍粉的粒径优选为400～600nm，更优选为450～550nm；本发明对所述镍粉的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的镍粉即可。作为本发明的一个具体实施例，所述镍粉为德科岛金公司生产的镍粉。
在本发明中，银粉具有易流动性和良好的延展性，镍粉具有好的耐腐蚀性、硬度和延展性，能够提高碳纤维织物的界面承载能力，镍粉和银粉共同作用，二者具有协同改性效果，能够在碳纤维织物表面形成“滚珠效应”，增加碳纤维织物的自润滑效果，降低碳纤维织物的摩擦系数；同时，银粉和镍粉具有良好的导热性能，解决摩擦热的散热问题。
本发明对所述酚醛树脂没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的酚醛树脂即可。作为本发明的一个具体实施例，所述酚醛树脂为上海新光化工有限公司生产的铁锚牌204酚醛树脂。本发明通过所述酚醛树脂，能够将银粉、镍粉牢固粘接在碳纤维表面。
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；所述润滑填料的粒径优选为400～500nm，更优选为420～480nm。在本发明中，所述润滑填料能够延长复合材料使用寿命。
在本发明中，所述极性有机溶剂优选为乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或几种，更优选为乙酸乙酯。
在本发明中，所述润滑填料、银粉、镍粉、酚醛树脂和极性有机溶剂的质量比优选为(0.14～0.2)：(0.01～0.03)：(0.01～0.03)：(2～4)：(4～8)，更优选为(0.16～0.18)：(0.015～0.025)：(0.015～0.025)：(2.5～3.5)：(5～7)，进一步优选为0.017:0.02:0.02:3:6。
在本发明中，所述超声混合的功率优选为450～550W，更优选为500W，时间优选为25～35min，更优选为30min。
得到所述涂覆液后，本发明将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到金属粒子协同改性碳纤维织物。在本发明中，所述碳纤维织物的纤维规格优选为1K，经向密度优选为10根/10mm，纬向密度优选为10根/10mm，单位面积质量优选为120～130g/m2，更优选为150g/m2；所述碳纤维织物的厚度优选为0.2～0.22mm，更优选为0.21mm。本发明对所述碳纤维织物的来源没有特殊的要求，使用本领域常规市售的碳纤维织物即可。
在本发明中，所述浸渍的时间优选为10～20min，更优选为12～18min，进一步优选为15min；所述浸渍的温度优选为室温。在本发明中，所述干燥的温度优选为70～80℃，更优选为75℃；所述干燥的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。
在本发明中，所述金属粒子协同改性碳纤维织物相比碳纤维织物优选增重40～60％，更优选增重45～55％，进一步优选为50％。当复合材料的增重不能达到40～60％时，本发明优选重复进行上述浸渍和干燥的操作，直至增重达到要求即可。
本发明提供了上述制备方法制备得到的金属粒子协同改性碳纤维织物，包括碳纤维织物以及负载于碳纤维表面的银粉、镍粉、润滑材料和酚醛树脂。在本发明中，所述金属粒子协同改性碳纤维织物中银粉的质量优选为碳纤维织物质量的0.2～0.6％，更优选为0.3～0.5％；镍粉的质量优选为碳纤维织物质量的0.2～0.6％，更优选为0.3～0.5％。所述润滑材料的质量优选为碳纤维织物质量的29～38％，更优选为30～35％；所述酚醛树脂的质量优选为碳纤维织物质量的10～22％，更优选为15～20％。
在本发明中，所述金属粒子协同改性碳纤维织物的使用方法优选包括以下步骤：
使用粘接剂将金属粒子协同改性碳纤维织物粘贴于金属件表面，在施加压力的条件下进行固化。
在本发明中，所述粘接剂优选为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚醚酮树脂中的一种或几种。本发明对所述粘接剂的用量没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的用量即可。在本发明中，所述金属件的材质优选为钛合金、304钢、铝合金或轴承钢。
在本发明中，所述施加的压力优选为0.1～0.3MPa，更优选为0.2MPa。在本发明中，所述固化的温度优选为120～150℃，更优选为130～140℃；升温至所述固化温度的升温速率优选为5～10℃/min，更优选为6～8℃/min。在本发明中，所述固化的时间优选为2～5h，更优选为3～4h；本发明从升温至所述固化温度后开始计算固化时间。
在本发明中，在固化的过程中，金属粒子协同改性碳纤维织物中的酚醛树脂与粘接剂发生交联，能够提高金属粒子协同改性碳纤维织物在金属件表面的粘接强度。
下面结合实施例对本发明提供的金属粒子协同改性碳纤维织物及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将粒径为400nm的二硫化钼、粒径为30nm的银粉、粒径为400nm的镍粉、酚醛树脂、乙酸乙酯与乙醇等质量混合成的有机溶剂按质量18g、0.3g、0.3g、40g、80g混合，在450W超声条件下分散35min，得到涂覆液；
(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为125g/m2的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中10min，然后移至80℃鼓风烘箱中干燥60min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重60％，得到金属粒子协同改性碳纤维织物，其中银的负载量为纤维布质量的0.6％，镍的负载量为纤维布质量的0.6％；
(3)用酚醛树脂将上述干燥后的改性碳纤维织物贴于钛合金体表面，并施加0.2MPa的压力，以10℃/min的速度从室温升至150℃，固化5h后成型，记为1#样品。
其中银粉的SEM图如图1所示，镍粉的SEM图如图2所示，未负载填料的碳纤维织物的SEM图如图3所示。
实施例2
(1)将粒径为500nm的二硫化钼和石墨烯等质量混合成的润滑填料、粒径为40nm的银粉、粒径为500nm的镍粉、酚醛树脂、丙酮按质量14g、0.1g、0.1g、20g、40g混合，在550W超声条件下分散30min，得到涂覆液；
(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为120g/m2的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中15min，然后移至70℃鼓风烘箱中干燥30min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重40％，得到金属粒子协同改性碳纤维织物，其中银的负载量为纤维布质量的0.2％，镍的负载量为纤维布质量的0.2％；
(3)用酚醛树脂将上述干燥后的改性碳纤维织物贴于304钢表面，并施加0.1MPa的压力，以5℃/min的速度从室温升至140℃，固化2h后成型，记为2#样品。
实施例3
(1)将粒径为450nm的石墨和石墨烯等质量混合成的润滑填料、粒径为50nm的银粉、粒径为600nm的镍粉、酚醛树脂、乙醇按质量20g、0.2g、0.2g、40g、60g混合，在500W超声条件下分散28min得到涂覆液；
(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为130g/m2的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中12min，然后移至75℃鼓风烘箱中干燥40min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重50％，得到金属粒子协同改性碳纤维织物，其中银的负载量为纤维布质量的0.3％，镍的负载量为纤维布质量的0.3％；
(3)用酚醛树脂将上述干燥后的改性碳纤维织物贴于铝合金表面，并施加0.2MPa的压力，以7℃/min的速度从室温升至130℃，固化4h后成型，记为3#样品。
实施例4
(1)将粒径为500nm的聚四氟乙烯，石墨和石墨烯等质量混合成的润滑填料、粒径为50nm的银粉、粒径为400nm的镍粉、酚醛树脂、乙酸乙酯与丙酮等质量混合成的有机溶剂按质量16g、0.1g、0.2g、30g、50g混合，在450W超声条件下分散32min，得到涂覆液；
(2)将规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为125g/m2的碳纤维织物浸渍于上述涂覆液之中18min，然后移至70℃鼓风烘箱中干燥50min，重复该浸渍过程至混纺纤维布增重50％，得到金属粒子协同改性碳纤维织物，其中银的负载量为纤维布质量的0.2％，镍的负载量为纤维布质量的0.4％；
(3)用酚醛树脂将上述干燥后的改性碳纤维织物贴于轴承钢表面，并施加0.3MPa的压力，以8℃/min的速度从室温升至120℃，固化3h后成型，记为4#样品。
对比例1
将酚醛树脂、乙醇按质量比60.4g：60g在500W超声条件下分散28min，得到涂覆液。其余操作与实施例3完全相同，得到5#样品。
对比例2
将粒径为450nm的石墨和石墨烯等质量混合成的润滑填料、酚醛树脂和乙醇按照质量20.4g、40g、60g混合，在500W超声条件下分散28min，得到涂覆液。其余操作与实施例3完全相同，得到6#样品。
对比例3
将粒径为450nm的石墨和石墨烯等质量混合成的润滑填料、粒径为50nm的银粉、酚醛树脂和乙醇按照质量20.2g、0.2g、40g、60g混合，在500W超声条件下分散28min，得到涂覆液。其余操作与实施例3完全相同，得到7#样品。
对比例4
将粒径为450nm的石墨和石墨烯等质量混合成的润滑填料、粒径为600nm的镍粉、酚醛树脂和乙醇按照质量20.2g、0.2g、40g、60g混合在500W超声条件下分散28min，得到涂覆液。其余操作与实施例3完全相同，得到8#样品。
性能测试
分别测试实施例1～4和对比例1～4所得样品的摩擦系数和磨痕宽度，将所得结果列于表1中。其中摩擦系数通过CSM摩擦机按照公式μ＝F/N测得，其中μ为摩擦系数，F为摩擦力，N为正压力。磨痕宽度由扫描电子显微镜测得。
将实施例1～4和对比例1～4所得样品贴有改性碳纤维织物的一侧与直径为3mm的钢球对磨，试验加载力5N，转速5cm/s，运行时间1h，摩擦系数和磨痕宽度为5次测试的平均值。
表1实施例1～4和对比例1～4所得样品的摩擦性能和导热性能
Figure BDA0002882337420000081
从实施例和对比例可以看出，银粉和镍粉具有协同作用，能够提高碳纤维织物的摩擦学性能。
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)

1.一种金属粒子协同改性碳纤维织物的制备方法，包括以下步骤：
(1)将银粉、镍粉、酚醛树脂、润滑填料和极性有机溶剂超声混合，得到涂覆液；所述银粉的粒径为30～50nm，镍粉的粒径为400～600nm；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；
所述润滑填料、银粉、镍粉、酚醛树脂和极性有机溶剂的质量比为(0.14～0.2):(0.01～0.03):(0.01～0.03):(2～4):(4～8)；
(2)将碳纤维织物浸渍于所述涂覆液中，将得到的浸渍碳纤维织物干燥，得到金属粒子协同改性碳纤维织物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述极性有机溶剂为乙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超声混合的功率为450～550W，时间为25～35min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维织物的纤维规格为1K，经向密度为10根/10mm，纬向密度为10根/10mm，单位面积质量为120～130g/m2；所述碳纤维织物的厚度为0.2～0.22mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的时间为10～20min；所述干燥的温度为70～80℃，时间为30～60min。
6.权利要求1～5任意一项所述制备方法制备得到的金属粒子协同改性碳纤维织物，包括碳纤维织物以及负载于所述碳纤维织物的碳纤维表面的银粉、镍粉、润滑填料和酚醛树脂。
7.根据权利要求6所述的金属粒子协同改性碳纤维织物，其特征在于，所述金属粒子协同改性碳纤维织物中银粉的质量为碳纤维织物质量的0.2～0.6％，镍粉的质量为碳纤维织物质量的0.2～0.6％。
8.根据权利要求6所述的金属粒子协同改性碳纤维织物，其特征在于，所述润滑填料的质量为碳纤维织物质量的29～38％，酚醛树脂的质量为碳纤维织物质量的10～22％。
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