CN1699474A - 一种轴承用混杂增强高性能复合材料、制造方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴承用混杂增强高性能复合材料、制造方法及其应用。其由下述物质组成：短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂；其中，短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比分别为0－40∶5－50∶0－55∶30－85，当短切碳纤维重量比为0时，芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比为填料重量比为5－50∶5－55∶30－85；所述的耐高温树脂是热变形温度在260℃以上的热固性和热塑性耐高温树脂。该混杂增强高性能复合材料可以用于制造耐磨制品，导热导电制品，尤其是用于制造纺纱锭小轴承，纱锭钢领，高速电机轴承.石墨轴承，含油轴承等。

Description

一种轴承用混杂增强高性能复合材料、 制造方法及其应用

所属领域：

本发明涉及一种复合材料，具体地说是一种短纤维混杂增强高性能复合材料、以及它的制造方法及其应用。

背景技术：

碳纤维和芳纶纤维是高性能复合材料常用的两种纤维，它们都具有强度高，耐高温等优点，但是芳纶浆粕纤维比碳纤维有更大的比表面积，更好的韧性和耐冲击能力，和基体树脂结合力强，有很好的增强增韧效果；而碳纤维有高的模量，性质刚硬，石墨化的结构使它具有固体润滑剂功能，是一种优异的耐磨材料，碳纤维又具有导热，导电性能，热膨胀系数小，用它制成的复合材料尺寸稳定性好，将以上两种纤维充分均匀混合后，制成一种高性能复合材料，即具有耐磨，耐高温，传热，导电，性能优异的工程材料。

机械上所用的滑动轴承有金属和塑料两类，金属粉末冶金轴承的比重大，重量比塑料重，且吸油性能，润滑性能，耐腐蚀性能不及塑料轴承。塑料轴承比粉末冶金轴承轻，摩擦系数小，磨耗小，但塑料轴承导热系数小，容易造成摩擦热积聚而使轴承温度升高，而塑料的热变形温度低，尺寸稳定性差，这就限制了它在高精度，高转速工况条件下的应用。此外，还有一种特种用途的石墨轴承，因增强剂的不理想，机械性能，耐磨性欠佳，本发明系针对上述应用背景而发明的一种混杂增强复合材料。

目前，利用芳纶浆粕制作汽车刹车片已有专利报导，用碳纤制作耐磨材料亦有专利，用两者短纤维混杂增强尚未见到专利报导。

发明内容

本发明的目的是提供混杂增强复合材料。具体地说是一种芳纶浆粕纤维或和碳纤维混杂增强高性能复合材料。

本发明的目的还提供一种上述的芳纶浆粕纤维或和碳纤维混杂增强高性能复合材料制造方法。

本发明的另一目的是提供上述芳纶浆粕纤维或和碳纤维混杂增强高性能复合材料的应用。特别是工况在高速轻载下的纺机轴承，电机轴承，石墨轴承领域的应用。

本发明是用芳纶浆粕纤维或和碳纤维的一种或两种高性能纤维混杂增强耐高温树脂，制成一种适合高速轻载工作条件下的耐磨材料，以及导电塑料，多孔含油轴承，增强导电石墨轴承专用材料等多种优异性能的材料。以满足机电行业高速化的需要。

碳纤维和芳纶浆粕是两种高性能纤维，但性能各有千秋，通过它们之间以一定配比均匀混合，优势互补，同耐高温树脂一起制成一种混杂增强复合材料。这种多组份的复合材料，其组成物的选定是以产品性能为依据。本发明的复合材料，其性能特点是耐磨，耐高温，传热，导电，具有高的尺寸稳定性，其组织结构是按照如下原则设计的。

1，组成物中含有两种以上不同性能的增强纤维，它同基体树脂一起形成优势互补的网络增强体系；保证材料的强度，硬度，韧性等机械性能的同时，也赋以了材料其它所需的物理性能，如导热，导电性能；

2，基体树脂为耐高温树脂，它同高性能纤维组成的复合材料能耐高於200℃的高温，热变形温度高达260℃；在很大程度上消除了摩擦发热温度升高给材料带耒的负面影响，如材料***，尺寸变化等等；

3，该组成物中可以含有相当数量的固体润滑剂，能降低同对磨物的摩擦系数；

4，这种复合材料与塑料不同之处在於，内部结构在保证强刚度所需的条件下还具有一定的孔隙率，再加上增强纤维和填料本身又具有较好的吸附性，因此能吸收相当数量的润滑油，并能长时期保持，使摩擦环境始终保持在优良润滑条件下；

5，这种复合材料具有高的尺寸稳定性，它的几何尺寸不随工作环境的温度湿度而变化。

根据上述设计原则，本发明的芳纶浆粕纤维或和碳纤维混杂增强高性能复合材料由下述物质组成：短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂。所述的短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比分别为0-40∶5-50∶0-55∶30-85。推荐重量比分别为5-40∶5-40∶5-30∶30-85。其中，当短切碳纤维重量比为0时，芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比为填料重量比为5-50∶5-55∶30-85。当不加填料时，所述的短切碳纤维、芳纶浆粕纤维和耐高温树脂的重量比分别为0-20∶5-40∶35-85；推荐重量比分别为3-14∶7-36∶35-85。所述的耐高温树脂是热固性和热塑性树脂。

比较典型的组成物如表1所示：

                              表1  材料组成物

编号	名称	规格	重量百分数	组份功能
					A	短切碳纤维	0.5-5mm	5-40％	增强，减摩，增加尺寸稳定性，导热，吸油
B	芳纶浆粕纤维	0.5-3mm	5--40％	增强，增韧，减摩，增加尺寸稳定性，吸油
					C	石墨粉	400-1200目	5-30％	减摩导电，导热吸油
D	四氟乙烯粉	40-200μm	0---8％	减摩
					E	耐高温树脂	工业级	30-85％	基体树脂

本发明的混杂增强复合材料的制造方法流程如图1所示：

本发明的混杂增强复合材料可以通过下述的(1)和(2)，(1)-(2)和(3)，(1)-(2)和(4)三种方法制得：

(1)，芳纶浆粕纤维或者和经氧化脱胶短切碳纤维在混合器中混合、烘干、开松、分散；

(2)，将填料和耐高温树脂混合磨细后加入(1)所述的产物中混合、开松；或

(3)，(2)的产品，模压成型；模压成型压力5-12MPa，成型温度170--220℃。经或不经过真空釜中浸渍润滑油；或

(4)，将(2)的产品制成母粒，注塑成型。

上述的短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比如前所述。

本发明的方法可以进一步描述如下：

1，纤维混合料制备：

用两种纤维混杂增强，使它们的性能达到优势互补，两种纤维均匀分散，混合均匀非常关键，本发明按下述方法能达到单根短纤维的均匀分散，混合均匀；

市售碳纤维除专门用途外，在生产过程中表面或多或少都上有胶，给以后混合过程中均匀分散造成障碍，为此本发明所用的碳纤维在使用前都要经过脱胶等表面处理，其方法是在350--500℃工业电炉中经3-30分钟氧化脱胶，然后在切断机上切成长度3-5mm的短纤维

芳纶浆粕系用芳纶1414为原料，长度为0.5-3mm，比表面积在6-10m²/g

上述两种原材料首先按性能需要而设计的百分比秤量混合，本发明芳纶浆粕与碳纤维的比例可以任意调节.混合设备为改制的水溶液纤维混合器(专利另行申请)，两种纤维按以下方法制成混合料；

碳纤维和芳纶浆粕纤维同时放入盛满纯净水的混合器中，水的重量应在纤维总重的25倍以上，该设备的原理是利用水流和压力的作用下将两种纤维均匀分散开并混合在一起，同时在动刀片和定刀片作用下，又使纤维表面粗糙化，增加比表面积，有利於树脂的粘合，

.经上述工艺对两种纤维分散，混合之后，宏观上色泽均匀，没有块状纤维聚积，在显微镜下观察，原来束状的碳纤维完全呈现单根纤维状态分散.说明分散均匀，混合充分.是其它混合方法难以达到的.

混合好的纤维经过滤，离心脱水，烘干水份.备用.

2，耐高温树脂与填料的选择与混合

本发明采用的耐高温树脂有热固性和热塑性两类；热固性耐高温树脂主要用酚醛树脂和酚醛环氧改性树脂，其中又以硼酚醛树脂更为常用，硼酚醛树脂(FB)比普通酚醛树脂具有更为优良的耐高温性能，.热分析表明536℃之前不分解，因此选用FB能提高热变形温度.

热塑性耐高温树脂主要用聚苯硫醚，它的热变形温度在260℃以上，热膨胀系数小，尺寸稳定性好.另外亦可采用聚醚酮，聚酰亚胺等耐高温树脂.

本发明采用的填料主要是石墨，在不能采用石墨的场合也采用聚四氟乙烯(PTFE)，氟46(FEP)，二硫化钼等作减摩剂，这两种填料的加入方法是在球磨机或高速粉料混合机中与树脂同时加入，然后磨细，混合的.

3，复合粉料的制备

各种组份原料的混合是在密封的犁状转子混合机内进行的；它们的转子应选用对纤维有较强的开松混合作用的转子.

按产品性能要求设计各组份原料的配比，完成纤维的混合和树脂同填料的混合后.按下述顺序加入混合器制备复合粉料

第一步，加入纤维混合物，将纤维开松分散，时间5-10分钟；

第二步，从加料口加入混好的粉料，边加边搅拌，均匀地混入分散的纤维之中，时间30-60分钟；

第三步，对混合料高速搅拌，进一步开松分散，充分混合。

上述三个步骤中，犁状转子的速度均可调节，第一第三步转速在1000-1500转/分钟；第二步转速在120-200转/分钟。

复合粉料的表观密度为0.08-0.15克/厘米3。

混合料应密封贮存供模压成型用.对热塑性耐高温树脂则进一步进行挤出造粒供注塑成型用。

4，成型加工与浸油

对於那些要求纤维含量高，纤维长度长的热固性耐高温树脂复合粉料采用传统的热固性酚醛树脂模压成型工艺；成型压力5-12Mpa，成型温度170--220℃，而纤维含量低，长度短的热固性耐高温树脂复合粉料亦可用热固性螺杆式注塑机成型。

对於热塑性耐高温树脂复合粉料多采用注塑成型.少数特殊要求的也采用模压成型工艺。

为满足高速运转尺寸精度的要求，一般成型后还可以进一步磨削加工。

加工好的耐磨零件应置入真空釜中浸渍润滑油。

.用本方法制得的耐热酚醛复合材料性能如下；

体积密度1.2-1.6g/cm3

弯曲强度100--210Mpa

弯曲模量10--22Gpa

缺口冲击强度2-14KJ/m²

热变形温度200--220℃

热膨胀系数2.6-4.1×10^-5 1/℃

导热系数88-97W/m.k

摩擦系数0.05-0.12

PV值1-2Mpa m/s

孔隙吸油率3-12％

用本方法制得的聚苯硫醚复合材料性能如下；

体积密度1.4-1.6g/cm3

拉伸强度120--160Mpa

弯曲强度160-240MPa

弯曲模量16--22Gpa

悬臂梁缺口冲击强度8-15KJ/m²

热变形温度260℃

热膨胀系数2.-3.1×10^-5 1/℃

导热系数1-80W/m.k

摩擦系数0.12-0.18

PV值2-3Mpa m/s

孔隙吸油率0.5-3％

本发明独创之处在於：1)创立了一种水溶液中短纤维分散混合的工艺，保证了两种以上短纤维的均匀混合，与其它纤维混合方法相比，除提高了混合均匀度之外，还减少了粉尘污染，2)确立了一种针对提高耐磨性的短纤维混杂增强复合材料体系，及其加工方法，它不仅可用於纺机轴承，也可应用於其它高速电机轴承等耐磨的应用场合以及导热导电塑料的制备

本发明的复合材料主要应用在轻载高速的纺织机械，轻工机械，高速电机的轴承，可替代滚动轴承和粉末冶金轴承，具有使用有寿命长、噪声低、，节能等特点。

附图说明

图1是本发明的混杂增强复合材料的制造方法流程；

图2是不同比例的两种纤维混合后的显微照片。

具体实施方式：

通过下述实施例和比较例有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

                实施例1：导电轴承用复合材料

1)取碳纤维100g；芳纶浆粕100g加水5公斤搅拌分散后倒入混合机，以200转/分钟速度混合10分钟，滤出纤维，离心脱水，120℃烘干备用

2)取硼酚醛树脂320g

3)取石墨粉380g烘干备用

4)将2)，3)树脂和石墨粉在球磨机中混合磨细

5)将1)纤维在高速搅拌机中开松，同时均匀加入4)制成的粉料，继续开松混合均匀成模塑粉供成型用.该混杂增强复合材料组份比例如下；碳纤11.1％芳纶浆粕11.1％.石墨粉42.2％，硼酚醛树脂35.6％

6)用模具在平板压力机上模压成型，成型温度200℃.成型压力12MPa

7)以内孔定位磨削外径，达到轴承级尺寸公差

8)在-0.08Mpa真空负压下浸渍润滑油，时间12小时.

经上述工艺制成的多孔含油复合材料轴承性能如下；

密度1.602g/cm3

弯曲强度140Mpa

弯曲模量12.3GPa

缺口冲击强度2.8KJ/m²

孔隙吸油率8.2％

摩擦系数0.11

导热系数92W/m.k

电阻2×10^-2Ω.cm。

   实施例2：无填料不同混杂比纤维增强高温酯醛复合材料

1)，碳纤维和芳纶浆粕纤维按下表比例在纤维混合器中混合

试样代码	A	B	C	D
					碳纤维重量百分数	25％	33.33％	50％	66.66％
芳纶浆粕重量百分数	75％	66.66％	50％	33.33

2)，上述A，B，C，D各取30g；每个组份中各加入硼酚醛树脂粉20g然后置入粉料混合器中，按本发明制造方法混合成纤维复合材料模压粉

3)，在压力成型机上模压成厚度3mm左右的板材，加工成试样测定性能如下；

试样代码	A	B	C	D
					碳纤维重量百分数％	15	20	30	40
芳纶浆粕重量百分数％	45	40	30	20
					硼酚醛树脂重量百分数％	40	40	40	40
密度g/cm3	1.259	1.298	1.430	1.264
					硬度HB	285	300	307	342
弯曲强度MPa	138.6	182.2	147.7	163.0
					弯曲模量GPa	8.773	12.06	10.08	10.29
冲击强度KJ/m2	6.2	3.6	4.8	5.7
					热膨胀系数10-5 1/℃	2.3	2.1	2.2	2.0
导热系数W/m.k	73.2	75	78	89
					电阻值	1.90	0.31	0.21	0.22

4)，上述A，B配比主要用於高速轴承材料，上述C，D配比主要用於石墨轴承材料

          实施例3：不同石墨含量填料的高温酯醛复合材料

1)，碳纤维(CF)与芳纶(KF)浆粕纤维之重量比为1；3(即实例二中A)进行纤维混合；

2)，纤维，石墨粉，硼酚醛树脂粉按以下比例，用前述发明方法混合制成纤维复合材料模压粉

样品代码E    纤维12％(KF9％ CF3％)   石墨 53％  树酯 35％

样品代码F    纤维24％(KF18％ CF6％)  石墨 41％  树酯 35％

样品代码G    纤维36％(KF27％ CF9％)  石墨 29％  树酯 35％

样品代码H    纤维48％(KF36％ CF12％) 石墨 17％  树酯 35％

3)，在压力成型机上模压成厚度3mm左右的板材，加工成试样测定性能如下；

试样代码	E	F	G	H
					碳纤维重量百分数％	3	6	9	12
芳纶浆粕重量百分数％	9	18	27	36
					石墨粉重量百分数％	53	41	29	17
硼酚醛树脂重量百分数％	35	35	35	35
					密度g/cm3	1.454	1.634	1.537	1.429
硬度HB	285	288	302	311
					弯曲强度MPa	61.6	111.4	151.3	151.5
弯曲模量GPa	12.8	14.45	12.78	10.33
					电阻值Ω.cm	0.06	0.022	0.04	0.14

4)，E，F配比主要用於导电塑料

G，H配比主要用於导热导电耐磨塑料

         实施例4：含氟减摩剂的耐高温酯醛复合材料

本实例是针对那些不宜用石墨作减摩剂的使用场合设计的，即既耐磨但又要求绝缘，或对磨削有无黑色要求，如细纱钢令的应用场合，可照以下配方制造含氟减摩剂的耐高温酯醛复合材料.

取100％芳纶浆粕16g聚四氟乙烯2g硼酚醛树脂16g(即芳纶浆粕47％聚四氟乙烯6％；硼酚醛树脂47％)按发明方法混合成纤维复合材料模压粉，然后在压力成型机上模压成厚度3mm左右的板材，加工成试样测定性能如下；

密度           1.35

弯曲强度       166.9Mpa

弯曲模量       8.079Gpa

抗冲击强度     14KJ/m2

摩擦系数       0.09

   实施例5：无填料不同混杂比纤维增强PPS复合材料

1)，碳纤维和芳纶浆粕纤维按下表比例在纤维混合器中混合

试样代码	I	J	K
				碳纤维重量百分数	66.6％	25％	--
芳纶浆粕重量百分数	33.3％	75％	100％

2)，I，J，K组份中各取纤维20g，每组份中取PPS树脂粉40g(即纤维含量33.3％，树脂含量66.6％)按发明方法混合成纤维粉状复合材料

3)，将2)所得粉状复合材料在转子密炼机中温度300-320℃时间10-15分钟转子转速80-160转/分钟制成母粒；然后将母粒粉碎，按下表中的PPS树脂含量加入PPS树脂粉，并在高速搅拌机上均匀混合后供注塑用

4)，在注塑机上注塑小试样；测得性能如下

试样代码	I	J	K
				碳纤维重量百分数％	14	5	----
芳纶浆粕重量百分数％	7	15	20
				PPS重量百分数％	79	80	80
密度g/cm3	1.60	1.52	1.45

硬度HR	106	101	100
				拉伸强度MPa	140	148	138
弯曲强度MPa	198	219	201
				弯曲模量GPa	12	11	9.1
悬臂梁缺口冲击强度KJ/m2	10.3	11.4	12.3
				热变形温度℃	263	263	263
摩擦系数	0.11	0.13	0.15

             实施例6：含氟减摩剂的PPS复合材料

本实例与实例四的配方目的一样，它用100％芳纶浆粕纤维16g聚四氟乙烯，2g聚苯硫醚(PPS)树脂16g(即芳纶浆粕47％聚四氟乙烯6％；PPS树脂47％)按发明方法混合成纤维复合材料模压粉，然后在压力成型机上模压成厚度3mm左右的板材，加工成试样测定性能如下；

密度           1.43g/cm3

硬度HR         102

拉伸强度       140MPa

弯曲强度       200MPa

弯曲模量       9.8GPa

冲击强度       12KJ/m2

热变形温度     263℃

摩擦系数       0.08

本实例配方主要应用作纺纱机锭子钢领以及不允许有黑色磨削的场合.

Claims (9)

1，一种混杂增强复合材料，其由下述物质组成：短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂；其中，短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比分别为0-40∶5-50∶0-55∶30-85，当短切碳纤维重量比为0时，芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比为填料重量比为5-50∶5-55∶30-85；所述的耐高温树脂是热变形温度在260℃以上的热固性和热塑性耐高温树脂。

2，如权利要求1所述的混杂增强复合材料，其特征是所述的热塑性耐高温树脂是聚苯硫醚、聚醚酮或聚酰亚胺；所述的热固性耐高温树脂是酚醛树脂或酚醛环氧改性树脂。

3，如权利要求1所述的混杂增强复合材料，其特征是所述的填料是石墨，聚四氟乙烯，氟46或二硫化钼。

4，一种如权利要求1所述的混杂增强复合材料的制造方法，其特征是通过下述的(1)和(2)，(1)-(2)和(3)，(1)-(2)和(4)三种方法制得：

(1)，芳纶浆粕纤维或者和经氧化脱胶短切碳纤维在混合器中混合、烘干、开松、分散；

(2)，将填料和耐高温树脂混合磨细后加入(1)所述的产物中混合、开松；或

(3)，(2)的产品，模压成型工艺；模压成型压力5-12Mpa，成型温度170--220℃。经或不经过真空釜中浸渍润滑油；或

(4)，将(2)的产品制成母粒，注塑成型；

上述的短切碳纤维、芳纶浆粕纤维、填料和耐高温树脂的重量比如权利要求1所述。

5，如权利要求4所述的混杂增强复合材料的制造方法，其特征是所述的短切碳纤维长度为3-5mm，所述的芳纶浆粕纤维长度为0.5-3mm。

6，如权利要求4所述的混杂增强复合材料的制造方法，其特征是所述的经氧化脱胶短切碳纤维是将短切碳纤维在350-500℃经3-30分钟氧化脱胶。

7，如权利要求4所述的混杂增强复合材料的制造方法，其特征是所述的方法(3)是在5-12MPa压力和170-220℃模压成型。

8，一种如权利要求1所述的混杂增强复合材料的用途，其特征是所述的混杂增强复合材料用于制造耐磨制品，导热导电制品。

9，如权利要求8所述的混杂增强复合材料的用途，其特征是所述的混杂增强复合材料用于制造纺纱锭小轴承，纱锭钢领，高速电机轴承.石墨轴承，含油轴承等。