CN115260676B - 一种聚四氟乙烯基复合材料及其制备方法和作为高速密封材料的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机材料技术领域,具体涉及一种聚四氟乙烯基复合材料及其制备方法和作为高速密封材料的应用。本发明提供了一种聚四氟乙烯基复合材料,包括以下质量份数的组分:聚四氟乙烯75~95份、无机润滑填料5~15份和Py‑PB‑COF纤维1~5份;所述无机润滑填料为二维材料。本发明提供的聚四氟乙烯基复合材料以Py‑PB‑COF纤维充当复合材料的骨架,与二维结构的无机润滑填料共同改性聚四氟乙烯,在上述质量份数范围内,能够通式赋予复合材料优异的机械强度、耐磨性和密封性能,用于承受摩擦和密封过程中各种压力、剪切力和冲击等作用力,有效避免复合材料发生破坏,在高速密封领域具有极大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无机材料技术领域,具体涉及一种聚四氟乙烯基复合材料及其制备方法和作为高速密封材料的应用。
背景技术
近年来,随着航空发动机更新换代,以军用航空发动机为例,正从四代机向着具备更大推重比以及高度的灵活性,并满足超音速巡航能力的五代机方向发展。相应地,对航空发动机的密封性能也提出更高要求。由于在正常工作条件下,速度越快材料越容易软化,材料变软导致材料容易变形,最终导致密封泄露。同时,高速工况也容易引起材料温度升高引起材料软化,材料的承载能力下降,导致耐磨性下降,磨损增大。因此,设计制备适用于五代机高速条件下的密封耐磨材料迫在眉睫。
聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、耐高温、抗各种有机溶剂的特点。因此,常被用作密封材料。但是,纯聚四氟乙烯机械性能和耐磨性差,导致其密封特性无法满足工程应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚四氟乙烯基复合材料及其制备方法和作为高速密封材料的应用,本发明提供的聚四氟乙烯基复合材料具有优异的机械强度、耐磨性能和密封性能,能够作为高速密封材料应用。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明提供了一种聚四氟乙烯基复合材料,包括以下质量份数的组分:
聚四氟乙烯75~95份、无机润滑填料5~15份和Py-PB-COF纤维1~5份;所述无机润滑填料为二维材料。
优选的,所述Py-PB-COF纤维的比表面为800~1000m2/g,孔径为1.5~2nm。
优选的,所述无机润滑填料包括石墨烯、二硫化钼、银纳米片和氮化硼中的一种或多种。
优选的,所述石墨烯的片径为5~10μm,厚度为0.5~1.2nm;所述二硫化钼的片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm;所述银纳米片的片径为300~600nm,厚度为25~30nm;所述氮化硼的片径为1~3μm,厚度为80~100nm。
本发明提供了上述技术方案所述的聚四氟乙烯基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
将聚四氟乙烯、无机润滑填料和Py-PB-COF纤维混合,得到混合料;
将所述混合料冷压,得到毛坯;
将所述毛坯烧结,得到所述聚四氟乙烯基复合材料。
优选的,所述冷压的压力为60MPa,所述冷压的保压时间为30min。
优选的,所述烧结的温度为375℃,所述烧结的保温时间为90~150min。
优选的,由室温升温至所述烧结的温度的升温速率为10℃/min。
优选的,所述聚四氟乙烯的粒径为70~80μm。
本发明提供了上述技术方案所述的聚四氟乙烯基复合材料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的聚四氟乙烯基复合材料作为高速密封材料的应用。
本发明提供了一种聚四氟乙烯基复合材料,包括以下质量份数的组分:聚四氟乙烯75~95份、无机润滑填料5~15份和Py-PB-COF纤维1~5份;所述无机润滑填料为二维材料。本发明提供的聚四氟乙烯基复合材料以Py-PB-COF纤维中充当复合材料的骨架,与二维的无机润滑填料共同改性聚四氟乙烯,在上述质量份数范围内,本申请提供的聚四氟乙烯基复合材料在高速条件下发生软化时,由于Py-PB-COF具有优异的承载能力,从而提升聚四氟乙烯复合材料整体承载能力,赋予复合材料优异的机械强度、耐磨性和密封性能,用于承受摩擦和密封过程中各种压力、剪切力和冲击等作用力,有效避免复合材料发生破坏,在高速密封领域具有极大的应用前景。由实施例的测试结果表明,本发明提供的聚四氟乙烯基复合材料的抗拉强度为20.2~27.4MPa,摩擦系数为0.001~0.0025,磨痕宽度为2.2~3.7mm,密封泄漏量为1.1~3.4mL。
本发明提供了上述技术方案所述的聚四氟乙烯基复合材料的制备方法,包括以下步骤:将聚四氟乙烯、无机润滑填料和Py-PB-COF纤维混合,得到混合料;将所述混合料冷压,得到毛坯;将所述毛坯烧结,得到所述聚四氟乙烯基复合材料。本发明提供的制备方法将聚四氟乙烯、无机润滑填料和Py-PB-COF纤维依次进行混合、冷压和烧结,实现了Py-PB-COF纤维和二维的无机润滑填料共同对聚四氟乙烯进行改性,赋予复合材料优秀的机械强度、耐磨性和密封性能,制备方法简单,适宜工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例使用的Py-PB-COF纤维的电镜照片。
具体实施方式
本发明提供了一种聚四氟乙烯基复合材料,包括以下质量份数的组分:
聚四氟乙烯75~95份、无机润滑填料5~15份和Py-PB-COF纤维1~5份;所述无机润滑填料为二维材料。
在本发明中,若无特殊说明,所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
以质量份数计,本发明提供的聚四氟乙烯基复合材料包括75~95份的聚四氟乙烯,优选为78~92份,更进一步优选为80~89份。
在本发明的具体实施例中,所述聚四氟乙烯基复合材料具体包括80份、81份、82份、83份、84份、85份、87份或89份的聚四氟乙烯。
以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准,本发明提供的聚四氟乙烯复合材料包括5~15份无机润滑材料,具体优选为5份、10份或15份。
在本发明中,所述无机润滑材料为二维材料。
在本发明中,所述无机润滑填料优选包括石墨烯、二硫化钼、银纳米片和氮化硼中的一种或多种。
作为本发明的一个具体实施例,所述无机润滑材料为石墨烯、二硫化钼和银纳米片,所述石墨烯、二硫化钼和银纳米片的质量比优选为1:1:1。
作为本发明的一个具体实施例,所述无机润滑材料为氮化硼和二硫化钼,所述氮化硼和二硫化钼的质量比优选为1:1。
作为本发明的一个具体实施例,所述无机润滑材料为氮化硼。
在本发明中,所述石墨烯的片径优选为5~10μm,更优选为5.5~9.5μm;厚度优选为0.5~1.2nm,更优选为0.6~1nm。
在本发明中,所述二硫化钼的片径优选为0.8~1.2μm,更优选为0.9~1.1μm;厚度优选为15~30nm,更优选为16~28nm。
在本发明中,所述银纳米片的片径优选为300~600nm,更优选为350~550nm;厚度优选为25~30nm,更优选为26~28nm。
在本发明中,所述氮化硼的片径优选为1~3μm,更优选为1.5~2.5μm;厚度优选为80~100nm,更优选为85~95nm。
以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准,本发明提供的聚四氟乙烯复合材料包括1~5份Py-PB-COF纤维,具体优选为1份、2份、3份、4份或5份。
在本发明中,所述Py-PB-COF纤维的比表面优选为800~1000m2/g,更优选为900m2/g;孔径优选为1.5~2nm,更优选为1nm。
本发明提供了上述技术方案所述的聚四氟乙烯基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
将聚四氟乙烯、无机润滑填料和Py-PB-COF纤维混合,得到混合料;
将所述混合料冷压,得到毛坯;
将所述毛坯烧结,得到所述聚四氟乙烯基复合材料。
本发明将聚四氟乙烯、无机润滑填料和Py-PB-COF纤维混合,得到混合料。
在本发明中,所述聚四氟乙烯的粒径为70~80μm。
在本发明中,所述聚四氟乙烯购于日本大金氟化有限公司。
在本发明中,所述无机润滑填料优选包括石墨烯、二硫化钼、银纳米片和氮化硼中的一种或多种。
在本发明中,所述氧化石墨烯、二硫化钼或氮化硼购于杭州纳猫科技有限公司;所述银纳米片购于北京德科岛金科技有限公司。
在本发明中,所述Py-PB-COF纤维购于江苏先丰纳米材料科技有限公司。
在本发明中,所述混合优选在高速搅拌机(FW177)中进行。
在本发明中,所述混合优选为机械混合。
在本发明中,所述混合的总时间优选为2min;所述混合时,每间隔30s,本发明优选散热1h。
得到混合料后,本发明将所述混合料冷压,得到毛坯。
在本发明中,进行所述冷压之前,本发明优选将所述混合料进行干燥。在本发明中,所述干燥的温度优选为120℃,所述干燥的保温温度优选为2h。
在本发明中,所述冷压的压力优选为60MPa。
在本发明中,所述冷压的保压时间优选为30min。
在本发明中,所述冷压之前,本发明优选将所述混合料填装入模具中。本发明优选通过所述冷压的同时进行成型,脱模得到成型毛坯。
本发明对所述模具的材质和形状没有特殊要求,根据所述聚四氟乙烯复合材料的实际需求选择即可。
得到毛坯后,本发明将所述毛坯烧结,得到所述聚四氟乙烯基复合材料。
在本本发明中,所述烧结优选在聚四氟乙烯烧结炉内进行。
在本发明中,所述烧结的温度优选为375℃。
在本发明中,所述烧结的保温时间优选为90~150min,更优选为95~145min。
在本发明中,由室温升温至所述烧结的温度的升温速率优选为10℃/min。
在本发明中,所述烧结完成后,本发明优选将所述聚四氟乙烯基复合材料自然冷却至室温即可。
本发明提供了上述技术方案所述的聚四氟乙烯基复合材料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的聚四氟乙烯基复合材料作为高速密封材料的应用。
在本发明中,所述聚四氟乙烯基复合材料具体优选为航空发动机的密封材料。
为了进一步说明本发明,下面结合附图和实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
称取聚四氟乙烯84g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(石墨烯5g、二硫化钼5g、银纳米线5g)、Py-PB-COF 1g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温100min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例2
称取聚四氟乙烯83g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(石墨烯5g、二硫化钼5g、银纳米线5g)、Py-PB-COF 2g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温100min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例3
称取聚四氟乙烯82g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(石墨烯5g、二硫化钼5g、银纳米线5g,石墨烯片径为5~10μm,厚度为0.5~1.2nm;二硫化钼片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm;银纳米片片径为300~600nm,厚度为25~30nm)、Py-PB-COF 3g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温100min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例4
称取聚四氟乙烯81g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(石墨烯5g、二硫化钼5g、银纳米线5g,石墨烯片径为5~10μm,厚度为0.5~1.2nm;二硫化钼片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm;银纳米片片径为300~600nm,厚度为25~30nm)、Py-PB-COF 4g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温100min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例5
称取聚四氟乙烯80g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(石墨烯5g、二硫化钼5g、银纳米线5g,石墨烯片径为5~10μm,厚度为0.5~1.2nm;二硫化钼片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm;银纳米片片径为300~600nm,厚度为25~30nm)、Py-PB-COF 5g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温100min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例6
称取聚四氟乙烯89g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼5g、二硫化钼5g,氮化硼片径为1~3μm,厚度为80~100nm,二硫化钼片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm)、Py-PB-COF 1g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温120min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例7
称取聚四氟乙烯87g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼5g、二硫化钼5g,氮化硼片径为1~3μm,厚度为80~100nm,二硫化钼片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm)、Py-PB-COF 3g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温120min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例8
称取聚四氟乙烯85g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼5g、二硫化钼5g,氮化硼片径为1~3μm,厚度为80~100nm,二硫化钼片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm)、Py-PB-COF 5g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温120min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
实施例9
称取聚四氟乙烯80g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼15g,氮化硼片径为1~3μm,厚度为80~100nm)、Py-PB-COF 5g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),将混合好的材料在120℃条件下干燥2h,冷却至室温,待用。将上述混合材料均匀填装到磨具中,在60MPa压强条件下冷压预成型,保压30min,脱模形成毛坯。将毛坯放入烧结炉中烧结,由室温逐步升温至375℃,升温速率为10℃/min,并在375℃保温150min,烧结结束后自由降温至室温,得到聚四氟乙烯复合材料。
对比例1
称取聚四氟乙烯85g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼15g),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。其余步骤与实施例9相同。
对比例2
称取聚四氟乙烯79g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼15g,氮化硼片径为1~3μm,厚度为80~100nm)、Py-PB-COF 6g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。其余步骤与实施例9相同。
对比例3
称取聚四氟乙烯70g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼25g,氮化硼片径为1~3μm,厚度为80~100nm)、Py-PB-COF 5g(比表面积~900m2/g,孔径~1.7nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。其余步骤与实施例9相同。
对比例4
称取聚四氟乙烯70g(粒径为75μm)、二维结构润滑填料(氮化硼30g,氮化硼片径为1~3μm,厚度为80~100nm),加入高速搅拌机(FW177)中机械混料2min(每隔30s散热1h)。其余步骤与实施例9相同。
测试例
测试条件:
拉伸强度:按照GB/T 1040.2-2006规定进行,试样标距(50.0±0.5)mm,使用万能试验机测试,拉伸速率50mm/min,测试3个试样,并计算其平均值。
摩擦系数和磨痕宽度:采用高速环块摩擦磨损试验机测试,所研究的航空发动机附件机匣、滑油腔等部位唇密封典型结构的密封对偶件材料为16Cr3NiWMoVNbE(HRC≥50,GB/T 12444-2006)。试环转速3000r/min,时间4h,载荷200N,温度为室温,润滑介质为美孚飞马Ⅱ号滑油,每组试样测试3个,并计算其平均摩擦系数和磨痕宽度。
密封试验:介质为美孚飞马Ⅱ号滑油、单个周期为24h包括室温(14h、20000rpm)、150℃(6h、20000rpm)、停机冷却4h、共10个周期。表1为实施例和对比例结果。
表1实施例和对比例结果
序号 | 拉伸强度/MPa | 摩擦系数 | 磨痕宽度(mm) | 密封泄漏量(mL) |
实施例1 | 20.2 | 0.0025 | 3.7 | 3.4 |
实施例2 | 21.3 | 0.0021 | 3.4 | 3.1 |
实施例3 | 22.5 | 0.0018 | 3.2 | 2.6 |
实施例4 | 23.9 | 0.0016 | 3.0 | 2.4 |
实施例5 | 25.1 | 0.0014 | 2.6 | 2.0 |
实施例6 | 23.2 | 0.0015 | 2.8 | 2.3 |
实施例7 | 25.6 | 0.0013 | 2.5 | 1.9 |
实施例8 | 27.4 | 0.0010 | 2.2 | 1.1 |
实施例9 | 23.4 | 0.0016 | 3.1 | 2.8 |
对比例1 | 20.1 | 0.0021 | 3.5 | 3.4 |
对比例2 | 22.4 | 0.0020 | 3.4 | 3.3 |
对比例3 | 18.2 | 0.0031 | 4.1 | 4.4 |
对比例4 | 15.3 | 0.0042 | 4.9 | 5.0 |
结果分析:
由实施例1~5可以发现,Py-PB-COF的含量越高,复合材料机械性能、摩擦学性能和密封特性越好。
由对比例1和实施例9对比可知,当聚四氟乙烯和润滑填料的含量在规定的范围内时,无Py-PB-COF添加,复合材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性下降。
由对比例2和实施例9对比可知,当聚四氟乙烯和润滑填料的含量在规定的范围内时,Py-PB-COF不在规定范围内,复合材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性下降。主要因为Py-PB-COF发生了团聚。
由对比例3和实施例9对比可知,当聚四氟乙烯和润滑填料的含量不在规定的范围内时,有Py-PB-COF添加,复合材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性也会相应下降。
由对比例4和实施例9对比可知,在聚四氟乙烯和润滑填料的含量在规定的范围外时,并且无Py-PB-COF添加,复合材料的机械性能、摩擦学性能和密封特性下降极大。
综上可知,纤维状的Py-PB-COF在复合材料增强改性中充当骨架材料,赋予复合材料足够的机械强度、耐磨性和密封特性。而且,合适质量份数范围的Py-PB-COF填料对复合材料的摩擦学性能、力学性能和密封特性具有增强作用,并且合适质量份数含量的聚四氟乙烯和二维结构增强填料同样影响材料的整体性能。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述,但它仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例,还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例,这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种聚四氟乙烯基复合材料,其特征在于,包括以下质量份数的组分:
聚四氟乙烯75~81份或者85~95份、无机润滑填料10~15份和Py-PB-COF 1~5份;所述无机润滑填料为石墨烯、二硫化钼和银纳米片,所述石墨烯、二硫化钼和银纳米片的质量比为1:1:1;或者所述无机润滑填料为氮化硼和二硫化钼,所述氮化硼和二硫化钼的质量比为1:1;或者所述无机润滑填料为氮化硼;所述Py-PB-COF购于江苏先丰纳米材料科技有限公司。
2.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯基复合材料,其特征在于,所述石墨烯的片径为5~10μm,厚度为0.5~1.2nm;
所述二硫化钼的片径为0.8~1.2μm,厚度为15~30nm;
所述银纳米片的片径为300~600nm,厚度为25~30nm;
所述氮化硼的片径为1~3μm,厚度为80~100nm。
3.权利要求1或2所述的聚四氟乙烯基复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将聚四氟乙烯、无机润滑填料和Py-PB-COF混合,得到混合料;
将所述混合料冷压,得到毛坯;
将所述毛坯烧结,得到所述聚四氟乙烯基复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述烧结的温度为375℃,所述烧结的保温时间为90~150min。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述冷压的压力为60MPa;所述冷压的保压时间为30min。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,由室温升温至所述烧结的温度的升温速率为10℃/min。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述聚四氟乙烯的粒径为70~80μm。
8.权利要求1或2所述的聚四氟乙烯基复合材料或权利要求3~7任一项所述的制备方法制备得到的聚四氟乙烯基复合材料作为高速密封材料的应用。
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