CN117106305A - 一种高强度高耐磨树脂基复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强度高耐磨树脂基复合材料及其制备方法和用途，属于复合材料技术领域。本发明高强度高耐磨树脂基复合材料由以下重量份数的原料制备所得：树脂基体10‑200份，固体润滑剂5‑60份，碳化硅1‑40份，碳纤维5‑80份。本发明提供树脂基复合材料具有优异的耐磨性能和力学强度，同时表现出良好的导热性能和较高的表面硬度，可应用于航空航天及交通运输装备、机械部件、电子器件及家用设备等领域，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高强度高耐磨树脂基复合材料及其制备方法和用途。
背景技术
一直以来，因长时摩擦引起的材料磨损、能源损耗和产品失效等一系列问题对社会、经济的发展产生了巨大影响，因此高耐磨自润滑复合材料的研制与应用始终是材料科学与控制工程等领域的前沿课题。在过去几十年里，随着工程应用领域对制件轻量化及高性能化的要求，聚合物基复合材料凭借其独特的性能在许多工程领域，尤其是低摩擦耐磨领域得到了广泛应用。
聚苯硫醚(PPS)是分子链中含有对亚苯基硫醚重复结构单元的聚合物，作为一种综合性能优良的热塑性特种工程塑料，具有优异的热稳定性、化学稳定性、阻燃特性、物理机械性能和电性能等，被认为是第六大特种工程塑料。此外，PPS树脂具有非常低的熔体粘度和极佳的熔体流动性，经注塑成型制备的产品具有优异的尺寸稳定性，同时与一些金属、玻璃材料有非常强的粘结作用。凭借这些诸多优良特性，PPS及其复合材料在电子、医疗、航空航天和交通运输装备等领域具有广泛的应用，但由于PPS自身具有较高的摩擦系数(0.45-0.57)和比磨损率(3.55×10-3mm3/Nm)，导致其在减磨耐磨领域的应用受到限制。
随着社会经济的发展，工程应用领域对PPS复合材料的耐磨性能和机械强度提出了更高要求，然而，目前改性的PPS复合材料大多不能同时实现优良的耐磨性能和机械强度。例如，公开号为CN114907695A的专利申请公开了一种复合聚苯硫醚材料及其制备方法，该申请采用接枝改性的聚四氟乙烯等固体润滑剂对聚苯硫醚进行改性，但仍未明显改善复合材料的摩擦磨损性能。公开号CN104212170A的专利申请公开了一种高导热耐磨聚苯硫醚复合材料及其制备方法，该发明通过填充高含量的导热填料来提高聚苯硫醚的耐磨性能和散热效果，但其对耐磨性能改善效果不稳定且力学性能不理想。因此，开发一种兼具优异机械强度和耐磨性能的聚合物基复合材料具有重要的科学价值和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度高耐磨树脂基复合材料及其制备方法和用途。本发明采用经辐照改性的聚四氟乙烯粉为固体润滑填料和短切碳纤维为增强改性填料，利用碳化硅纳米粒子对PPS树脂基复合材料表面硬度、导热性能和承载能力的协效改善效果，使PPS基复合材料在保持优异力学强度和散热能力的同时，促进在对偶件表面连续、完善转移膜的形成，进而大幅提升复合材料的减摩耐磨性能。
本发明具体提供了一种高强度高耐磨树脂基复合材料，它由以下重量份数的原料制备所得：树脂基体10-200份，固体润滑剂5-60份，碳化硅1-40份，碳纤维5-80份。
进一步地，它由以下重量份数的原料制备所得：树脂基体20-80份，固体润滑剂10-40份，碳化硅5-30份，碳纤维10-60份。
进一步地，它由以下重量份数的原料制备所得：树脂基体45.5份，固体润滑剂19.5份，碳化硅15份，碳纤维20份。
进一步地，所述树脂基体为热塑性树脂；所述固体润滑剂为聚四氟乙烯或其衍生物；所述碳化硅为形状不规则碳化硅颗粒或球形碳化硅颗粒；所述碳纤维为短切碳纤维。
进一步地，所述热塑性树脂为聚苯硫醚；所述聚四氟乙烯的衍生物为辐照改性聚四氟乙烯；所述碳化硅为形状不规则状碳化硅颗粒，所述形状不规则状碳化硅颗粒的平均粒径为50nm-100μm；所述短切碳纤维的平均长度为0.1-10mm，平均直径为1-20μm。
进一步地，所述辐照改性聚四氟乙烯的粒径为200-300nm；所述形状不规则状碳化硅颗粒的平均粒径为500nm；所述短切碳纤维的平均长度为3mm，平均直径为7μm。
本发明还提供了一种制备上述高强度高耐磨树脂基复合材料的方法，它包括以下步骤：将原料熔融混合，均匀塑化，然后注塑成型，即得。
进一步地，所述熔融混合是在双螺杆挤出机中进行的，各区温度为：加料口温度180-260℃，料筒前段温度220-300℃，料筒中段温度250-350℃，料筒后段温度250-350℃；螺杆转速为20-100r/min。进一步地，所述注塑成型是在注塑成型机中进行的，各区温度为：
料筒前段温度220-320℃，料筒中段温度250-350℃，料筒后段温度250-350℃；注射压力为50-200MPa，注射速度为30-300mm/s。
本发明还提供了上述高强度高耐磨树脂基复合材料在制备航空航天及交通运输装备、机械部件、电子电器及家用设备中的用途。
实验结果表明，本发明提供树脂基复合材料具有优异的耐磨性能和力学性能，同时也表现出良好的导热效果和表面硬度，可应用于航空航天及交通运输装备、机械部件、电子电器及家用设备等领域，具有广阔的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1：(A)S-SiC，(B)M-SiC，(C)L-SiC，(D)C-SiC的微观形貌。
图2：P-N/S20，P-N/S20/S-SiC5，P-N/S20/S-SiC10，P-N/S20/S-SiC15，P-N/S20/M-SiC15，P-N/S20/L-SiC15，P-N/S20/C-SiC15的瞬态摩擦系数。
图3：P-N/S20，P-N/S20/S-SiC5，P-N/S20/S-SiC10，P-N/S20/S-SiC15，P-N/S20/M-SiC15，P-N/S20/L-SiC15，P-N/S20/C-SiC15的平均摩擦系数(A)和比磨损率(B)。
图4：P-N/S20(A)，P-N/S20/S-SiC5(B)，P-N/S20/S-SiC10(C)，P-N/S20/S-SiC15(D)，P-N/S20/M-SiC15(E)，P-N/S20/L-SiC15(F)，P-N/S20/C-SiC15(G)的磨损表面。
具体实施方式
本发明所用原材料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。
聚苯硫醚(PPS)(密度1.35g/cm3，熔融温度为285℃)从德阳科吉高新材料有限责任公司购买，辐照改性聚四氟乙烯(PTFE)粉(牌号为JH-305F，粒径为200-300nm)从四川金核高分子材料有限公司购得，LSC070-PEEK型短切增强碳纤维(SCF，平均长度3mm，平均直径7μm)从上海力硕复合材料科技有限公司购得，形状不规则碳化硅纳米粒子(S-SiC，平均粒径500nm)、形状不规则碳化硅微粒(M-SiC，平均粒径15μm)和大尺寸形状不规则碳化硅颗粒(L-SiC，平均粒径45μm)均从上海卜微应用材料技术有限公司购得。球形碳化硅颗粒(C-SiC，平均粒径45μm)从浙江亚美纳米科技有限公司购得。所有碳化硅颗粒的微观形貌如图1所示。
实施例1：本发明高强度高耐磨树脂基复合材料的制备
按照表1所示配比称取PPS、PTFE粉、碳化硅和SCF，在80±5℃下于鼓风干燥箱中干燥12±0.5h，然后在同向平行双螺杆挤出机(TSSJ-25/33，成都盛达化工有限公司)中进行熔融混合，螺杆转速设定为30r/min，各区温度为：加料口温度230℃；料筒前段温度275℃、285℃、285℃；料筒中段温度290℃、290℃、290℃；料筒后段温度285℃、285℃。经挤出机均匀塑化，冷却造粒后放置于鼓风干燥箱中干燥12±1h，最后采用伺服注塑成型机(MA2000，宁波海天注塑机有限公司)进行注塑加工成型，其中注塑时的各区温度为：料筒前段温度290℃；料筒中段温度300℃、300℃、300℃；料筒后段温度280℃。注射压力为120MPa，注射速度为75mm/s。分别得到如下碳化硅填充改性聚苯硫醚复合材料：P-N/S20/S-SiC5、P-N/S20/S-SiC10、P-N/S20/S-SiC15、P-N/S20/M-SiC15、P-N/S20/L-SiC15、P-N/S20/C-SiC15。
表1原料配比
以下为对照样品的制备方法。
对照例1：碳纤维增强树脂基复合材料的制备
按照表1所示配比称取PPS、PTFE粉和SCF，参照实施例1的方法，制备得到碳纤维增强树脂基复合材料，命名为P-N/S20。
以下通过实验例证明本发明的有益效果。
实验例1：摩擦磨损性能测试
1、实验方法
按照GB/T3960-2016标准，采用M-200型环-块式摩擦磨损实验机(北京冠测实验仪器有限公司)对PPS基复合材料的摩擦学性能进行测试，样品尺寸为：30mm*7mm*6mm。采用标准钢环为摩擦副，摩擦环外径：40mm，表面粗糙度(Ra)：0.7～0.9μm。在测试前，用砂纸将钢环表面打磨抛光，并置于丙酮中超声清洗，然后取出自然干燥。在0.42m/s的滑动速度和200N的载荷的工况条件下(环境温度为20±5℃，环境湿度为50±10％)进行摩擦性能测试。
利用场发射扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料在摩擦测试后的磨损表面形貌图。
2、实验结果
表2摩擦学性能测试结果
结果显示，本发明提供树脂基复合材料具有较低的摩擦系数和比磨损量，表现出优良的减摩耐磨性能。各复合材料的瞬态摩擦系数、平均摩擦系数和比磨损率结果如图2和图3所示。由结果可知，相比于P-N/S20，以形状不规则碳化硅填充改性时，仅纳米尺寸的形状不规则碳化硅粒子能有效降低材料的摩擦系数，随着碳化硅粒径的增大，PPS复合材料的摩擦系数、比磨损率波动程度增大；另外，随着纳米碳化硅粒子含量的增加，复合材料的摩擦系数和比磨损率均逐渐下降，且能够更快的进入摩擦稳态期。另外，值得注意的是，在相同颗粒大小和添加量下，球形碳化硅粒子较形状不规则碳化硅颗粒表现出更高效的减摩耐磨效果，可见球形粒子所起到的微轴承效应能极大的改善对磨面的摩擦行为。
结合图4中各复合材料的磨损表面形貌，相比于P-N/S20，填充了形状不规则碳化硅纳米粒子中，随着碳化硅纳米粒子含量的增加，复合材料磨损表面的磨屑、碎片减少，取而代之的是更为光滑的对磨面；而填充了球形碳化硅的复合材料磨损表面表现出局部大犁沟和存在较多润滑膜，因而磨损量相对较大；此外，分别填充了两种大粒径形状不规则碳化硅粒子的复合材料磨损表面破坏严重，表现出较差的耐磨性；这些复合材料的磨损表面形貌与图3中复合材料的摩擦磨损性能相对应。
综合考虑摩擦系数和比磨损率，采用平均粒径尺寸为500nm的形状不规则碳化硅颗粒为填料时所得树脂基复合材料的耐磨性能要优于采用平均粒径为15μm、45μm的碳化硅颗粒或球形碳化硅颗粒为填料改性的复合体系。
实验例2：力学性能测试
1、实验方法
采用英斯特朗万能材料试验机(Instron 5567，美国)，按照GB/T1040.2-2022标准进行拉伸性能测试，样品尺寸为150mm*10mm*4mm，测试速度采用10mm/min。按照GB/T9341-2008标准进行弯曲性能测试，样品尺寸：80mm*10mm*4mm，测试速度：2mm/min。
2、实验结果
表3力学性能测试结果
结果显示，当SiC含量为15wt％时，本发明提供树脂基复合材料的弯曲模量较P-N/S20得到较大提升，说明适量SiC颗粒的加入可以有效提高复合材料的承载能力和力学强度，其中，相比于其他碳化硅填充改性体系，平均粒径为15μm的形状不规则碳化硅粒子改性的树脂基复合材料P-N/S20/M-SiC15具有最佳的力学性能。
实验例3：邵氏硬度D测试
1、实验方法
使用HANDPILX-D肖氏硬度计(中国乐清市Handpi仪器有限公司)，在最大负载50N下，对样品进行5次表面硬度的测试，并计算其平均值，所得结果见表4。
2、实验结果
表4邵氏硬度D测试结果
| 样品名称 | 平均表面硬度 | 误差 |
| P-N/S20 | 84 | 0.7 |
| P-N/S20/S-SiC5 | 85.6 | 0.6 |
| P-N/S20/S-SiC10 | 86.2 | 0.8 |
| P-N/S20/S-SiC15 | 87.6 | 0.6 |
| P-N/S20/M-SiC15 | 86 | 0.7 |
| P-N/S20/L-SiC15 | 83.8 | 0.5 |
| P-N/S20/C-SiC15 | 83.8 | 0.5 |
结果显示，与P-N/S20相比，除平均粒径为45μm形状不规则碳化硅或球形碳化硅粒子改性树脂基复合材料的表面硬度略有降低外，本发明碳化硅填充改性树脂基复合材料的表面硬度均得到一定程度的改善。其中，P-N/S20/S-SiC15复合材料表现出最高的表面硬度，较高的表面硬度能够提升复合材料抵抗对偶件压陷、划刻等破坏作用的能力，有利于复合材料摩擦磨损性能的提升。
实验例4：Hot Disk导热性能测试
1、实验方法
利用瞬态平板热源法，采用HotDisk热常数分析仪(2500-OT，Hot Disk，瑞典)来表征复合材料的导热性能。所用样品为表面平整的方块，其边长为10mm、厚度为4mm。将HotDisk仪器的传感器探头置于两块表面规整的样块中间并压实，确保样品表面与探头表面充分接触。然后按照设定的功率对探头进行加热，并使其产生的热量向样品内部扩散，最后通过公式拟合计算得到样品的导热系数。
2、实验结果
表5导热系数测试结果
| 样品名称 | 导热系数(W/mK) | 误差(W/mK) |
| P-N/S20 | 0.415 | 0.001 |
| P-N/S20/S-SiC5 | 0.436 | 0.003 |
| P-N/S20/S-SiC10 | 0.538 | 0.001 |
| P-N/S20/S-SiC15 | 0.637 | 0.003 |
| P-N/S20/M-SiC15 | 0.619 | 0.004 |
| P-N/S20/L-SiC15 | 0.521 | 0.002 |
| P-N/S20/C-SiC15 | 0.595 | 0.002 |
结果显示，与P-N/S20相比，本发明碳化硅填充改性树脂基复合材料的导热性能均得到明显提高。由此可见，引入碳化硅粒子能够有效改善复合材料的导热性能，这对于减少摩擦过程中的热堆积具有重要意义。此外，固定S-SiC为改性填料，随着碳化硅含量的增加复合材料的导热系数逐渐增大，这与填料粒子在复合材料内部堆积密度的增加有关；但在相同含量下，随着碳化硅粒径的增大，复合材料导热系数降低，这表明复合材料的导热能力与碳化硅的含量及其在树脂基体内部的分散状态有关。P-N/S20/S-SiC15复合材料表现出最高的导热系数，这有助于其在摩擦过程中摩擦热的快速耗散，进而提升复合材料的摩擦学性能。
综上，本发明碳化硅填充改性树脂基复合材料中，15wt％碳化硅纳米粒子能够明显地改善树脂基复合材料的表面硬度、导热性能和承载能力，使填充改性后得到的P-N/S20/S-SiC15复合材料在具备优异力学强度(拉伸强度＞100MPa，弯曲强度＞150MPa，弯曲模量＞14GPa)和散热能力(导热系数＞0.6)的同时，还具有良好的抵抗对偶件破坏的能力(表面硬度＞87)，另外由于在对偶件表面可以形成连续、完善转移膜，使复合材料表现出优异的减摩耐磨性能(平均摩擦系数＜0.12，比磨损率＜4.6E-06)，综合性能最优。本发明高强度高耐磨树脂基复合材料可应用于航空航天及交通运输装备、机械部件、电子电器及家用设备等领域，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种高强度高耐磨的碳化硅填充改性树脂基复合材料，其特征在于：它由以下重量份数的原料制备所得：树脂基体10-200份，固体润滑剂5-60份，碳化硅1-40份，碳纤维5-80份。
2.根据权利要求1所述的碳化硅填充改性树脂基复合材料，其特征在于：它由以下重量份数的原料制备所得：树脂基体20-80份，固体润滑剂10-40份，碳化硅5-30份，碳纤维10-60份。
3.根据权利要求2所述的碳化硅填充改性树脂基复合材料，其特征在于：它由以下重量份数的原料制备所得：树脂基体45.5份，固体润滑剂19.5份，碳化硅15份，碳纤维20份。
4.根据权利要求1-3任一项所述的碳化硅填充改性树脂基复合材料，其特征在于：所述树脂基体为热塑性树脂；所述固体润滑剂为聚四氟乙烯或其衍生物；所述碳化硅为形状不规则碳化硅颗粒或球形碳化硅颗粒；所述碳纤维为短切碳纤维。
5.根据权利要求4所述的碳化硅填充改性树脂基复合材料，其特征在于：所述热塑性树脂为聚苯硫醚；所述聚四氟乙烯的衍生物为辐照改性聚四氟乙烯；所述碳化硅为形状不规则状碳化硅颗粒，所述形状不规则状碳化硅颗粒的平均粒径为50nm-100μm；所述短切碳纤维的平均长度为0.1-10mm，平均直径为1-20μm。
6.根据权利要求5所述的碳化硅填充改性树脂基复合材料，其特征在于：所述辐照改性聚四氟乙烯的粒径为200-300nm；所述形状不规则状碳化硅颗粒的平均粒径为500nm；所述短切碳纤维的平均长度为3mm，平均直径为7μm。
7.一种制备权利要求1-6任一项所述高强度高耐磨的碳化硅填充改性树脂基复合材料的方法，其特征在于：它包括以下步骤：将原料熔融混合，均匀塑化，然后注塑成型，即得。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述熔融混合是在双螺杆挤出机中进行的，各区温度为：加料口温度180-260℃，料筒前段温度220-300℃，料筒中段温度250-350℃，料筒后段温度250-350℃；螺杆转速为20-100r/min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述注塑成型是在注塑成型机中进行的，各区温度为：料筒前段温度220-320℃，料筒中段温度250-350℃，料筒后段温度250-350℃；注射压力为50-200MPa，注射速度为30-300mm/s。
10.权利要求1-6任一项所述高强度高耐磨的碳化硅填充改性树脂基复合材料在制备航空航天及交通运输装备、机械部件、电子器件及家用设备中的用途。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310609149.9A CN117106305A (zh) | 2023-05-25 | 2023-05-25 | 一种高强度高耐磨树脂基复合材料及其制备方法和用途 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN117106305A true CN117106305A (zh) | 2023-11-24 |
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- 2023-05-25 CN CN202310609149.9A patent/CN117106305A/zh active Pending
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