CN111333982B - 一种聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚四氟乙烯摩擦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。本发明的聚四氟乙烯摩擦材料包括以下质量份的制备原料：聚四氟乙烯65～80份、纳米氮化硼1～5份、二硫化钼5～15份、纳米氧化锆1～5份、碳量子点1～5份、片层纳米Ti3C2 1～5份。本发明添加片层纳米Ti3C2，片层纳米Ti3C2独特的二维层状结构使其具有优异的摩擦学特性，配合其他组分，得到的聚四氟乙烯摩擦材料可显著改善大型超声电机的启停特性。

Description

一种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，尤其涉及一种聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用。
背景技术
超声电机是一种新型精密驱动微特电机，通过能量转换和运动传递，对负载实施力或力矩作用，以达到控制负载精确运动/定位的目的。作为精密驱动部件，超声电机广泛应用于航空航天、武器装备及机器人等领域，推动装备向高精度、高效率、高可靠性、智能化和轻量化方向发展，其对国家科技影响力和国防威慑力具有重要影响。
大量研究工作者发现超声电机使用时会出现无法正常启动的问题，特别是放置一段时间后，这一问题严重阻碍超声电机的可靠性，因此其在航空航天、武器装备等领域的发展受到了严重的制约。上述问题在大型超声电机(直径为150mm)中更加明显。影响超声电机启停特性的一个重要问题就是摩擦材料。传统改善摩擦材料的填料例如碳纤维、芳纶纤维、硅石灰等功能单一，对超声电机的启停性改善效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用，本发明的聚四氟乙烯摩擦材料能够显著改善大型超声电机的启停特性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种聚四氟乙烯摩擦材料，包括以下质量份的制备原料：聚四氟乙烯65～80份、纳米氮化硼1～5份、二硫化钼5～15份、纳米氧化锆1～5份、碳量子点1～5份、片层纳米Ti3C2 1～5份。
优选的，制备原料包括聚四氟乙烯70～80份、纳米氮化硼2～5份、二硫化钼7～15份、纳米氧化锆3～5份、碳量子点2～5份、片层纳米Ti3C2 2～4份。
优选的，所述片层纳米Ti3C2的单层厚度为80～100nm。
优选的，所述聚四氟乙烯的粒径为65～75μm；所述纳米氮化硼的片径为0.3～2nm；所述二硫化钼的片径为15～25μm；所述纳米氧化锆的粒径为20～40nm；所述碳量子点的粒径为3～5nm。
本发明提供了上述方案所述聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
将各制备原料进行混合，对得到的混合料依次进行压制和烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
优选的，所述压制的压力为70～100MPa，时间为3～5min。
优选的，所述烧结的温度为365～375℃，保温时间为90～150min。
优选的，所述混合的过程为：将各制备原料分散到乙醇或丙酮中，干燥后得到混合料。
本发明提供了上述方案所述聚四氟乙烯摩擦材料或上述方案所述制备方法制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。
优选的，所述超声电机的直径在150mm以上。
本发明提供了一种聚四氟乙烯摩擦材料，包括以下质量份的制备原料：聚四氟乙烯65～80份、纳米氮化硼1～5份、二硫化钼5～15份、纳米氧化锆1～5份、碳量子点1～5份、片层纳米Ti3C2 1～5份。本发明添加片层纳米Ti3C2，片层纳米Ti3C2独特的二维层状结构使其具有优异的摩擦学特性，配合其他组分，得到的聚四氟乙烯摩擦材料可显著改善大型超声电机的启停特性。
附图说明
图1为本发明所用片层纳米Ti3C2的扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明提供了一种聚四氟乙烯摩擦材料，包括以下质量份的制备原料：聚四氟乙烯65～80份、纳米氮化硼1～5份、二硫化钼5～15份、纳米氧化锆1～5份、碳量子点1～5份、片层纳米Ti3C2 1～5份。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
以质量份计，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括聚四氟乙烯65～80份，优选为70～80份，更优选为70～75份。在本发明中，所述聚四氟乙烯的粒径优选为65～75μm，更优选为68～73μm。在本发明中，所述聚四氟乙烯优选购自山东济南三爱富氟化工有限责任公司。
以所述聚四氟乙烯的质量份为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括纳米氮化硼1～5份，优选为2～5份，更优选为3～5份。在本发明中，所述纳米氮化硼的片径优选为0.3～2nm，更优选为1～1.5nm。在本发明中，所述纳米氮化硼的作用是提高聚四氟乙烯摩擦材料的耐磨性。
以所述聚四氟乙烯的质量份为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括二硫化钼5～15份，优选为7～15份，更优选为10～15份。在本发明中，所述二硫化钼的片径优选为15～25μm，更优选为18～23μm。本发明优选采用北京德科岛金科技有限公司的二硫化钼。在本发明中，所述二硫化钼的作用是提高聚四氟乙烯摩擦材料的耐磨性和摩擦系数的稳定性。
以所述聚四氟乙烯的质量份为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括纳米氧化锆1～5份，优选为3～5份，更优选为4～5份。在本发明中，所述纳米氧化锆的粒径优选为20～40nm，更优选为25～35nm。在本发明中，所述纳米氧化锆的作用是提高聚四氟乙烯摩擦材料的载荷承载力，进而提高其使用寿命。
以所述聚四氟乙烯的质量份为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括碳量子点1～5份，优选为2～5份，更优选为2～4份。在本发明中，所述碳量子点的粒径优选为3～5nm，更优选为3.5～4.5nm。在本发明中，所述碳量子点的作用是提高摩擦材料中各种填料与聚四氟乙烯间的界面结合强度。
以所述聚四氟乙烯的质量份为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括片层纳米Ti3C2 1～5份，优选为2～4份，更优选为2.5～3.5份。在本发明中，所述片层纳米Ti3C2的单层厚度优选为80～100nm，更优选为85～95nm。在本发明中，所述片层纳米Ti3C2的结构如图1所示。本发明添加片层纳米Ti3C2，片层纳米Ti3C2独特的二维层状结构使其具有优异的摩擦学特性，配合其他组分，得到的聚四氟乙烯摩擦材料可显著改善大型超声电机的启停特性。
本发明优选采用江苏先丰纳米材料科技有限公司的碳量子点、纳米氮化硼、纳米氧化锆和片层纳米Ti3C2。
本发明提供了上述方案所述聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：将各制备原料进行混合，对得到的混合料依次进行压制和烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
本发明将各制备原料进行混合，得到混合料。在本发明中，所述混合的过程优选为：将各制备原料分散到乙醇或丙酮中，干燥后得到混合料。本发明对所述分散的方式没有特殊要求，任意能够分散均匀的方式均可，如球磨、超声分散等。在本发明对所述乙醇或丙酮的用量没有特殊要求，能够将各制备原料混合均匀即可。在本发明中，所述干燥的温度优选为80～100℃，本发明对所述干燥的时间没有特殊要求，以乙醇或丙酮刚好蒸干为宜。
得到混合料后，本发明对所述混合料进行压制。本发明优选将混合料置于模具中进行压制。本发明对所述模具的形状没有特殊要求，本领域技术人员可根据摩擦材料的形状选择对应的模具。在本发明中，所述压制的压力优选为70～100MPa，更优选为80～100MPa，时间优选为3～5min，更优选为4～5min。
完成所述压制后，本发明优选脱模，对脱模后所得压制坯进行烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。在本发明中，所述烧结优选在空气氛围下进行；所述烧结的温度优选为365～375℃，更优选为368～372℃，保温时间优选为90～150min，更优选为95～145min。本发明优选自室温升至烧结的温度，本发明对升温的速率没有特殊要求。完成烧结后，本发明优选自由降至室温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
本发明提供了上述方案所述聚四氟乙烯摩擦材料或上述方案所述制备方法制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。在本发明中，所述超声电机优选为大型超声电机(直径在150mm以上)。本发明对所述应用的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的应用方式即可。
下面结合实施例对本发明提供的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。
实施例1
称取聚四氟乙烯80g、纳米氮化硼2g、二硫化钼10g、纳米氧化锆3g、碳量子点4g、片层纳米Ti3C2 1g,在无水乙醇中混合均匀，干燥后将混合好的粉料放入模具，在70MPa的压力下，压制3min，脱模后放入烧结炉中烧结，由室温逐步升温至365℃，并在365℃保温90min，烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
实施例2
称取聚四氟乙烯75g、纳米氮化硼5g、二硫化钼10g、纳米氧化锆5g、碳量子点3g、片层纳米Ti3C2 2g，在无水乙醇中混合均匀，干燥后将混合好的粉料放入模具，在100MPa的压力下，压制5min，脱模后放入烧结炉中烧结，由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温150min，烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
实施例3
称取聚四氟乙烯70g、纳米氮化硼5g、二硫化钼15g、纳米氧化锆5g、碳量子点2g、片层纳米Ti3C2 3g,在无水乙醇中混合均匀，干燥后将混合好的粉料放入模具，在95MPa的压力下，压制4min，脱模后放入烧结炉中烧结，由室温逐步升温至370℃，并在370℃保温120min，烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
实施例4
称取聚四氟乙烯66g、纳米氮化硼5g、二硫化钼15g、纳米氧化锆5g、碳量子点5g、片层纳米Ti3C2 4g,在无水乙醇中混合均匀，干燥后将混合好的粉料放入模具，在80MPa的压力下，压制3min，脱模后放入烧结炉中烧结，由室温逐步升温至365℃，并在365℃保温100min，烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
实施例5
称取聚四氟乙烯70g、纳米氮化硼4g、二硫化钼15g、纳米氧化锆1g、碳量子点5g、片层纳米Ti3C2 5g,在无水乙醇中混合均匀，干燥后将混合好的粉料放入模具，在75MPa的压力下，压制5min，脱模后放入烧结炉中烧结，由室温逐步升温至375℃，并在375℃保温110min，烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
对比例1
称取聚四氟乙烯73g、纳米氮化硼5g、二硫化钼15g、纳米氧化锆5g、碳量子点2g,在无水乙醇中混合均匀，干燥后将混合好的粉料放入模具，在95MPa的压力下，压制4min，脱模后放入烧结炉中烧结，由室温逐步升温至370℃，并在370℃保温120min，烧结结束后自由降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
对实施例1～5和对比例1制备的聚四氟乙烯摩擦材料进行启停性测试，测试条件：采用的超声电机为大型超声电机(直径为150mm)，聚四氟乙烯摩擦材料与磷青铜对磨，磨合时间40h，转速120r/min。磨合后电机停止2h，然后重新启动电机并测量此时的静摩擦力矩以及运动后的动摩擦力矩，摩擦力矩为3～5次测试的平均值。具体的测试结果见表1。
表1 实施例及对比例制备的摩擦材料对超声电机启停特性的影响
Figure BDA0002410809640000061
动静摩擦力矩越接近，超声电机的启停特性越好。通过实施例和对比例可以发现，片层纳米Ti3C2能够明显的提高超声电机的启停特性。此外，从实施例还可以发现，片层纳米Ti3C2并不是越多越好，含量较高会发生团聚影响性能，含量较少时改善作用不明显。
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)

1.一种聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，包括以下质量份的制备原料：聚四氟乙烯65～80份、纳米氮化硼1～5份、二硫化钼5～15份、纳米氧化锆1～5份、碳量子点1～5份、片层纳米Ti3C21～5份；所述片层纳米Ti3C2的单层厚度为80～100nm；所述聚四氟乙烯的粒径为65～75μm；所述纳米氮化硼的片径为0.3～2nm；所述二硫化钼的片径为15～25μm；所述纳米氧化锆的粒径为20～40nm；所述碳量子点的粒径为3～5nm。
2.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯摩擦材料，其特征在于，制备原料包括聚四氟乙烯70～80份、纳米氮化硼2～5份、二硫化钼7～15份、纳米氧化锆3～5份、碳量子点2～5份、片层纳米Ti3C22～4份。
3.权利要求1或2所述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：
将各制备原料进行混合，对得到的混合料依次进行压制和烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为70～100MPa，时间为3～5min。
5.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365～375℃，保温时间为90～150min。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述混合的过程为：将各制备原料分散到乙醇或丙酮中，干燥后得到混合料。
7.权利要求1或2所述聚四氟乙烯摩擦材料或权利要求3～6任一项所述制备方法制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述超声电机的直径在150mm以上。
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"Preparation, mechanical and anti-friction performance of";Heng Zhang,et.al;《Materials and Design》;20151217;第682-689页 *
"填料粒径对Cu/PTFE复合材料摩擦学性能影响的数值模拟";解挺等;《摩擦学学报》;20160131;第36卷(第1期);第35-41页 *

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