CN114316483B - 一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用，涉及摩擦材料技术领域。本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料包括以下质量份数的原料：聚四氟乙烯55～70份，对位聚苯10～20份，石英砂10～15份，玻璃粉5～10份，二硫化钼2～5份，纳米增摩填料3～5份；所述纳米增摩材料包括纳米氧化铝、纳米氮化铝和纳米云母粉中的一种或几种。本发明通过原料的选择以及用量的控制，使提供的聚四氟乙烯摩擦材料承载能力高，且摩擦系数高，耐磨性好、对金属对偶磨损小，能够有效地作为超声电机摩擦材料；并且制备方法简单，易于操作。

Description

一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及摩擦材料技术领域，特别涉及一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用。

背景技术

超声电机作为一种新型精密驱动电机，改变了利用电磁效应获得动力的传统概念，利用压电材料的逆压电效应，通过定子和转子之间的摩擦作用，把定子在超声频段产生的微振动转化为转子的旋转或者直线运动，从而输出功率，驱动负载。超声电机在先进制造、医疗、航空航天等领域具有举足轻重的作用，应用前景广阔。

超声电机核心材料主要包括压电材料和摩擦材料，目前国内压电材料的性能已经与国外同类产品性能相当，可以基本满足使用要求。但是高性能摩擦材料的空缺是超声电机行业进一步发展的瓶颈。由于超声电机通过摩擦界面输送动力，因而界面的摩擦特性对超声电机整体性能的发挥至关重要，摩擦材料的好坏将影响超声电机的输出特性(力矩、效率、噪声)和使用寿命。由于超声电机摩擦驱动界面的特殊性，要求摩擦材料的摩擦磨损特性必须满足：①适合的摩擦系数(0.20～0.40)；②强耐磨性，且不损伤摩擦副表面；而且，超声电机摩擦材料为薄层材料，使用过程中既需要材料具有一定的变形，但又不能发生屈服，因此要求其承载能力高。

聚四氟乙烯因具有耐高低温性、抗腐蚀性以及在大气及真空条件下摩擦系数稳定等特点，有望作为超声电机摩擦材料。但是聚四氟乙烯本身摩擦系数小，不耐磨，且易蠕变、承载能力低，难以满足超声电机复杂工况的使用要求。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用。本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料承载能力高，且摩擦系数高，耐磨性好、对金属对偶磨损小，能够有效地作为超声电机摩擦材料。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料，包括以下质量份数的原料：

所述纳米增摩材料包括纳米氧化铝、纳米氮化铝和纳米云母粉中的一种或几种。

优选地，所述聚四氟乙烯的粒径为50～100μm。

优选地，所述石英砂的粒径为38～48μm。

优选地，所述对位聚苯的粒径为25～38μm。

优选地，所述玻璃粉的粒径为1～3μm。

优选地，所述二硫化钼的粒径为10～15μm。

优选地，所述纳米增摩填料的粒径为30～50nm。

本发明提供了以上技术方案所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、对位聚苯、石英砂、玻璃粉、二硫化钼和纳米增摩填料混合，得到混合粉料；

将所述混合粉料进行加压成型，得到成型坯体；

将所述成型坯体进行烧结，得到所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

优选地，所述加压成型的压力为60～80MPa，时间为5～8min；所述烧结的温度为365～375℃，保温时间为90～150min。

本发明提供了以上技术方案所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料或以上技术方案所述制备方法制备得到的高承载聚四氟乙烯摩擦材料作为超声电机摩擦材料的应用。

本发明提供了一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料，包括以下质量份数的原料：聚四氟乙烯55～70份，对位聚苯10～20份，石英砂10～15份，玻璃粉5～10份，二硫化钼2～5份，纳米增摩填料3～5份；所述纳米增摩材料包括纳米氧化铝、纳米氮化铝和纳米云母粉中的一种或几种。在本发明中，所述对位聚苯与聚四氟乙烯有很好的互容性，可以增加聚四氟乙烯的承载和尺寸稳定性，降低材料磨损；所述石英砂可以显著提高聚四氟乙烯的摩擦系数和弹性模量，增加承载能力；所述玻璃粉可有效提高聚四氟乙烯的弹性模量，增加聚四氟乙烯的承载能力，并且能够在提高耐磨性的同时，降低对金属对偶的磨损；所述二硫化钼可以提高聚四氟乙烯表面光洁度，并降低聚四氟乙烯与超声电机定子的粘附，改善启动特性；所述纳米增摩填料硬度高，能有效提高聚四氟乙烯材料的摩擦系数，并降低波动性，且能够提高聚四氟乙烯的弹性模量，增加聚四氟乙烯的承载能力；本发明提供的摩擦材料中没有纤维及硬质金属颗粒的加入，对金属对偶磨损小。本发明通过原料的选择以及用量的控制，使提供的聚四氟乙烯摩擦材料承载能力高，且摩擦系数高，耐磨性好、对金属对偶磨损小，能够有效地作为超声电机摩擦材料。

实施例结果表明，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的摩擦系数≥0.33，体积磨损率≤6.5×10^-6mm³/N.m，压缩强度(5％形变)≥22MPa，压缩弹性模量≥1000MPa。

本发明还提供了所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，过程简单，易于操作，便于规模化生产。

具体实施方式

本发明提供了一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料，包括以下质量份数的原料：

所述纳米增摩材料包括纳米氧化铝、纳米氮化铝和纳米云母粉中的一种或几种。

若无特别说明，本发明所采用的原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

以质量份数计，本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料包括聚四氟乙烯55～70份，优选为57～70份，更优选为65～67份。本发明对所述聚四氟乙烯没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的聚四氟乙烯即可。在本发明中，所述聚四氟乙烯的粒径优选为50～100μm。

以聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料包括对位聚苯10～20份，优选为10～15份。本发明对所述对位聚苯没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的对位聚苯即可。在本发明中，所述对位聚苯的粒径优选为25～38μm。在本发明中，所述对位聚苯与聚四氟乙烯有很好的互容性，可以增加聚四氟乙烯的承载和尺寸稳定性，降低材料磨损。

以聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料包括石英砂10～15份，优选为10～13份。在本发明中，所述石英砂的粒径优选为38～48μm。在本发明中，所述石英砂可以显著提高聚四氟乙烯的摩擦系数和弹性模量，增加承载能力。

以聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料包括玻璃粉5～10份，优选为5～8份。在本发明中，所述玻璃粉的粒径优选为1～3μm。在本发明中，所述玻璃粉可有效提高聚四氟乙烯的弹性模量，增加聚四氟乙烯的承载能力，并且能够在提高耐磨性的同时，降低对金属对偶的磨损。

以聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料包括二硫化钼2～5份，优选为2～4份。在本发明中，所述二硫化钼的粒径优选为10～15μm。在本发明中，所述二硫化钼可以提高聚四氟乙烯表面光洁度，并降低聚四氟乙烯与超声电机定子的粘附，改善启动特性。

以聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料包括纳米增摩填料3～5份，具体可以为3份、4份或5份。在本发明中，所述纳米增摩材料包括纳米氧化铝、纳米氮化铝和纳米云母粉中的一种或几种；当所述纳米增摩材料为纳米氧化铝、纳米氮化铝和纳米云母粉中几种的混合物时，本发明对混合比例没有特别的要求，可以任意比例混合。在本发明中，所述纳米增摩填料的粒径优选为30～50nm。在本发明中，所述纳米增摩填料硬度高，能有效提高聚四氟乙烯材料的摩擦系数，并降低波动性，且能够聚四氟乙烯的弹性模量，增加聚四氟乙烯的承载能力。

本发明通过原料的选择以及用量的控制，使提供的聚四氟乙烯摩擦材料承载能力高，且摩擦系数高，耐磨性好、对金属对偶磨损小。

本发明提供了以上技术方案所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、对位聚苯、石英砂、玻璃粉、二硫化钼和纳米增摩填料混合，得到混合粉料；

将所述混合粉料进行加压成型，得到成型坯体；

将所述成型坯体进行烧结，得到所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

本发明将聚四氟乙烯、对位聚苯、石英砂、玻璃粉、二硫化钼和纳米增摩填料混合，得到混合粉料。本发明对所述混合的方式没有特别的要求，能够将各组分混合均匀即可；在本发明实施例中，是通过搅拌型混合机进行混合。

得到混合料后，本发明将所述混合料进行加压成型，得到成型坯体。在本发明中，所述加压成型的压力优选为60～80MPa，具体地可以为60MPa、70MPa或80MPa；所述加压成型的时间优选为5～8min，具体地可以为5min、6min、7min或8min。在本发明中，所述加压成型的操作方法优选为：将所述混合料装入圆形模具(包括套筒、套筒内的上压块和承压块)中并压实；然后采用垫片支起模具，露出模具底部承压块，施压使承压块部分突出，模具外套筒悬空；之后双向加压，在60～80MPa的压力下，压制5～8min成型后脱模，得到成型坯体。

得到成型坯体后，本发明将所述成型坯体进行烧结，得到所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料。在本发明中，所述烧结的温度优选为365～375℃，更优选为365～370℃；所述烧结的保温时间优选为90～150min，具体地可以为90min、100min、120min或150min；由室温升温至所述烧结的温度的升温速率优选为90～120℃/h。在本发明中，所述烧结优选在烧结炉中进行；所述烧结后优选自然冷却至室温。在本发明中，所述烧结是使聚四氟乙烯微粒熔结成整体的过程；在烧结过程中，对位聚苯高分子链段与聚四氟乙烯链段缠连在一起，石英砂、玻璃粉、二硫化钼和纳米增摩填料这些无机填料作为刚性粒子填充在聚合物复合材料内部。

本发明提供的所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法过程简单，易于操作，便于规模化生产。

本发明提供了以上技术方案所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料或以上技术方案所述制备方法制备得到的高承载聚四氟乙烯摩擦材料作为超声电机摩擦材料的应用。本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料承载能力高，且摩擦系数高，耐磨性好、对金属对偶磨损小，能够有效地作为超声电机摩擦材料。本发明将所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料根据不同型号超声电机摩擦材料的尺寸要求，机械加工成薄层摩擦材料(厚度一般为0.15～0.20mm)；然后将所述薄层摩擦材料粘结在超声电机的转子表面即可使用。

下面结合实施例对本发明提供的高承载聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

各实施例中，聚四氟乙烯的粒径为50～100μm，石英砂的粒径为38～48μm，对位聚苯的粒径为25～38μm，玻璃粉的粒径为1～3μm，二硫化钼的粒径为10～15μm，纳米增摩填料(纳米氧化铝、纳米氮化铝、纳米云母粉)的粒径为30～50nm。

实施例1

称取聚四氟乙烯67g、对位聚苯10g、石英砂10g、纳米氧化铝5g、玻璃粉5g、二硫化钼3g，在搅拌型混合机中混合均匀，得到混合粉料；

将混合粉料装入模具，在80MPa的压力下压制5min，脱模后得到成型坯体；

将成型坯体放入烧结炉中烧结，由室温按照90℃/h的升温速率升温至370℃，在370℃保温90min，烧结结束后自然冷却至室温，得到高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

对制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料进行性能检测，包括摩擦系数、体积磨损率、压缩强度和压缩弹性模量的测试，其中，摩擦系数和体积磨损率按照GB/T3960-2016测试，载荷为200N，金属对偶(GCr15轴承钢)的转速为0.43m/s，摩擦时间为120min；压缩强度和弹性模量参照GB/T 1041-2008测试，测试速率1mm/min，压缩强度取形变5％时的压缩强度，压缩弹性模量为应力差(形变区间为0.0005至0.0025)与对应的应变差的比值，形变为0.25％。

经测试，本实施例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.34、体积磨损率6.1×10^-6mm³/N.m、压缩强度23.5MPa、压缩弹性模量1120MPa。

实施例2

称取聚四氟乙烯60g、对位聚苯10g、石英砂15g、纳米云母粉5g、玻璃粉5g、二硫化钼5g，在搅拌型混合机中混合均匀，得到混合粉料；

将混合粉料装入模具，在70MPa的压力下压制7min，脱模后得到成型坯体；

将成型坯体放入烧结炉中烧结，由室温按照100℃/h的升温速率升温至365℃，在365℃保温150min，烧结结束后自然冷却至室温，得到高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

按照实施例1的方法进行性能测试，本实施例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.38、体积磨损率6.3×10^-6mm³/N.m、压缩强度25.0MPa、压缩弹性模量1330MPa。

实施例3

称取聚四氟乙烯70g、对位聚苯10g、石英砂10g、纳米氮化铝3g、玻璃粉5g、二硫化钼2g，在搅拌型混合机中混合均匀，得到混合粉料；

将混合粉料装入模具，在60MPa的压力下压制5min，脱模后得到成型坯体；

将成型坯体放入烧结炉中烧结，由室温按照110℃/h的升温速率升温至370℃，在370℃保温100min，烧结结束后自然冷却至室温，得到高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

按照实施例1的方法进行性能测试，本实施例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.34、体积磨损率6.5×10^-6mm³/N.m、压缩强度22.6MPa、压缩弹性模量1000MPa。

实施例4

称取聚四氟乙烯65g、对位聚苯10g、石英砂10g、纳米云母粉5g、玻璃粉5g、二硫化钼5g，在搅拌型混合机中混合均匀，得到混合粉料；

将混合粉料装入模具，在70MPa的压力下压制6min，脱模后得到成型坯体；

将成型坯体放入烧结炉中烧结，由室温按照120℃/h的升温速率升温至368℃，在368℃保温120min，烧结结束后自然冷却至室温，得到高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

按照实施例1的方法进行性能测试，本实施例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.33、体积磨损率6.2×10^-6mm³/N.m、压缩强度22.1MPa、压缩弹性模量1080MPa。

实施例5

称取聚四氟乙烯57g、对位聚苯15g、石英砂10g、纳米云母粉3g、纳米氮化铝2g、玻璃粉10g、二硫化钼3g，在搅拌型混合机中混合均匀，得到混合粉料；

将混合粉料装入模具，在70MPa的压力下压制6min，脱模后得到成型坯体；

将成型坯体放入烧结炉中烧结，由室温按照110℃/h的升温速率升温至370℃，在370℃保温120min，烧结结束后自然冷却至室温，得到高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

按照实施例1的方法进行性能测试，本实施例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.36、体积磨损率6.0×10^-6mm³/N.m、压缩强度26.4MPa、压缩弹性模量1380MPa。

对比例1

与实施例2对比：

原料为聚四氟乙烯75g、对位聚苯10g、纳米云母粉5g、玻璃粉5g、二硫化钼5g，不添加石英砂，制备方法与实施例2相同。

本对比例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.27、体积磨损率5.5×10^-6mm³/N.m、压缩强度18.9MPa、压缩弹性模量845MPa。

通过比较实施例2与对比例1，可以看出，填充石英砂可提高聚四氟乙烯摩擦材料的摩擦系数和压缩强度、压缩弹性模量。

对比例2

与实施例2对比：

原料为聚四氟乙烯65g、对位聚苯10g、石英砂15g、玻璃粉5g、二硫化钼5g，不填充纳米云母粉，制备方法与实施例2相同。

本对比例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.30、体积磨损率5.9×10^-6mm³/N.m、压缩强度22.7MPa、压缩弹性模量920MPa。

通过比较实施例2与对比例2，可以看出，填充纳米云母粉可以显著提高聚四氟乙烯的压缩弹性模量。

对比例3

与实施例2对比：

原料为聚四氟乙烯70g、石英砂15g、纳米云母粉5g、玻璃粉5g、二硫化钼5g，不填充对位聚苯，制备方法与实施例2相同。

本对比例所得聚四氟乙烯摩擦材料的各性能数据分别为：摩擦系数0.32、体积磨损率7.2×10^-6mm³/N.m、压缩强度17.5MPa、压缩弹性模量780MPa。

通过对比实施例2与对比例3，可以看出，填充对位聚苯可以显著提高材料的压缩强度、降低材料体积磨损率。

由以上实施例可以看出，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料具有较高的压缩强度和压缩弹性模量，承载能力高，且摩擦系数高，耐磨性好，能够有效地作为超声电机摩擦材料。

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 (9)

1.一种高承载聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，由以下质量份数的原料制备而成：

所述纳米增摩材料包括纳米氧化铝、纳米氮化铝和纳米云母粉中的一种或几种；所述纳米增摩填料的粒径为30～50nm。

2.根据权利要求1所述的高承载聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯的粒径为50～100μm。

3.根据权利要求1所述的高承载聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述对位聚苯的粒径为25～38μm。

4.根据权利要求1所述的高承载聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述石英砂的粒径为38～48μm。

5.根据权利要求1所述的高承载聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述玻璃粉的粒径为1～3μm。

6.根据权利要求1所述的高承载聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，所述二硫化钼的粒径为10～15μm。

7.权利要求1～6任意一项所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、对位聚苯、石英砂、玻璃粉、二硫化钼和纳米增摩填料混合，得到混合粉料；

将所述混合粉料进行加压成型，得到成型坯体；

将所述成型坯体进行烧结，得到所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述加压成型的压力为60～80MPa，时间为5～8min；所述烧结的温度为365～375℃，保温时间为90～150min。

9.权利要求1～6任意一项所述高承载聚四氟乙烯摩擦材料或权利要求7～8任意一项所述制备方法制备得到的高承载聚四氟乙烯摩擦材料作为超声电机摩擦材料的应用。