專利名稱：一種金屬－塑料復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種能具有防腐、密封、自潤滑等綜合性能的金屬—塑料復(fù)合材料。它適用于飛機、汽車、化學(xué)化工設(shè)備等有關(guān)部件的潤滑，尤其適用于中等腐蝕條件及密封條件下有關(guān)部件的潤滑。
盡管聚四氟乙烯(PTFE)及一些聚合物材料具有良好的自潤滑性能，但是其機械強度低、耐磨損性能差、且在外力作用下易產(chǎn)生冷流，因而決定了它們在實際應(yīng)用中必須填充填料來克服上述缺點。金屬—塑料復(fù)合材料是一種在摩擦學(xué)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的具有自潤滑耐磨性的塑料基復(fù)合材料，其基本組成為鋼背層、多孔青銅層、PTFE或其它塑料或塑料復(fù)合材料層。這種三層構(gòu)型的金屬—塑料復(fù)合材料具有良好的機械強度、高耐磨性、易精細(xì)機加工、并可克服冷流問題，因而被廣泛的應(yīng)用于潤滑及密封等工況條件。從其結(jié)構(gòu)可以看到，鋼背起到了提高機械強度并保證了加工性，從而可成型精密尺寸的軸套及墊片等；多孔青銅層是由青銅球粉堆積熔粘構(gòu)成，它提供了大量的孔洞從而保證了表面塑料層與底材的機械結(jié)合強度，在一定磨損條件下該青銅層還相當(dāng)于一種優(yōu)良的填料，可提高整體材料的耐磨壽命；表面塑料層是決定復(fù)合材料具有自潤滑、密封等應(yīng)用性能的基本因素。金屬—塑料復(fù)合材料的成型關(guān)鍵，在于多孔青銅層同底材的結(jié)合，為達(dá)到良好的熔粘效果，傳統(tǒng)的工藝是在還原氣氛(如氫氣)下高溫?zé)Y(jié)，使銅球表面微熔并相互粘結(jié)，在此之前底材還需要進(jìn)行鍍銅處理。而鍍銅處理則要求底材最好為碳鋼，這樣無形中限制了復(fù)合材料的底材種類從而大大縮小了金屬—塑料復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。例如，在腐蝕環(huán)境中一般來講不能使用金屬—塑料復(fù)合材料，因而化工腐蝕設(shè)備的潤滑問題是一個難點。在氫氣氣氛下的高溫?zé)Y(jié)除了極具危險性以外，并使該類材料的成本大大提高，同時金屬經(jīng)過高溫處理其強度會因退火或回火而發(fā)生極大的變化。所以說改善上述傳統(tǒng)成型工藝將有助于該類材料的更廣泛的應(yīng)用。
本發(fā)明在于改進(jìn)金屬—塑料復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，提供一種金屬—塑料自潤滑復(fù)合材料，從而有效地彌補傳統(tǒng)金屬—塑料復(fù)合材料的不足，并能滿足更廣泛的工業(yè)應(yīng)用要求，尤其是該類材料可在各種金屬或非金屬底材上成型，并能在中等腐蝕條件下提供良好的自潤滑、動密封等綜合性能。
本發(fā)明可通過如下措施來實現(xiàn)本發(fā)明由金屬層、粘結(jié)層、增強作用的金屬網(wǎng)或非金屬網(wǎng)、表面潤滑層組成。其中金屬層作為底材不僅提供了整體材料的機械強度、還可保證材料尺寸穩(wěn)定，并為精密機加工提供了充分的條件；粘結(jié)層起到底材與表面潤滑層的連接作用，在使用過程中可有效的阻止應(yīng)力的傳遞，在強剪切力作用下不至于發(fā)生斷裂；增強網(wǎng)起到了增強表面塑料潤滑層的機械強度、均分摩擦應(yīng)力、減少表面材料的磨失、并能為材料提供一定的彈性，從而可滿足特定的使用要求；表面潤滑層主要提供材料的潤滑、密封等特性，在磨合初期其磨損很大，但很快就會達(dá)到平衡，并同增強網(wǎng)一起成為非常耐磨的工作面。
本發(fā)明選用的底材主要是各種金屬或合金，要求底材能夠承受溫度為450℃左右的低溫?zé)崽幚?。底材厚度可任意選定。
本發(fā)明選用的粘結(jié)層材料可以是可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚氟乙烯(PVF)、等含氟塑料，當(dāng)粘結(jié)層的厚度為0.1～200μm時具有較高的粘結(jié)強度，并保證被粘表面層不需任何化學(xué)處理即可成型。
本發(fā)明選用的增強層可以是尼龍網(wǎng)、各種纖維網(wǎng)、銅網(wǎng)、鐵網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)等金屬或合金網(wǎng)，網(wǎng)的孔徑要求在0.061毫米～1.651毫米之間，最好在0.147毫米左右。該層被機械的嵌于粘結(jié)層和表面層之間，從而起到增強的作用。
本發(fā)明選用的表面層材料主要是聚四氟乙烯薄膜，或是其它具有類似性質(zhì)的熱塑性高聚物材料，如高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚甲醛等薄膜，還可是上述填充聚合物薄膜，成型本發(fā)明材料無需對聚合物進(jìn)行特殊表面處理。
本發(fā)明的具體制備過程如下1.對底材進(jìn)行機械或化學(xué)表面處理，本發(fā)明不要求底材具有特定的表面粗糙度，但若要求粘結(jié)強度很高時(粘結(jié)破壞以內(nèi)聚破壞為主時)，本發(fā)明建議在粗糙的底材上成型本復(fù)合材料。實現(xiàn)底材粗糙表面的方法可采用噴砂、機加工或打孔等方法。
2.材料按底材—粘結(jié)層—增強網(wǎng)—表面層(—增強網(wǎng)—粘結(jié)層—)排列，采用熱靜壓燒結(jié)或連續(xù)熱輥壓工藝成型。燒結(jié)溫度為聚合物成型溫度，成型壓力為10MPa～100MPa之間。對于熱靜壓燒結(jié)來講還需有10分鐘～10個小時的足夠的保溫時間，從而使燒結(jié)充分。
3.樣品稍冷即可出爐，便可進(jìn)行燒結(jié)后的處理，如淬火、淬油及完全冷卻后的加工。
根據(jù)工況條件及本發(fā)明要求選擇合適的底材，要求底材耐溫性要高于表面塑料層材料。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于選擇適合工況條件的增強網(wǎng)、表面層材料及粘結(jié)層材料，要求這三種材料具有相同或近似的成型溫度。
按本發(fā)明制備的產(chǎn)品主要性能可達(dá)到如下范圍
粘結(jié)強度拉伸實驗測試粘結(jié)破壞為材料(有時是底材的)的內(nèi)聚破壞。
防腐性能通常為底材或增強網(wǎng)的防腐性能。
密封性能大于等于表面聚合物層的密封性能。
潤滑性能與表面聚合物材料或其復(fù)合材料相同。
耐磨性能與網(wǎng)增強聚合物材料相同.
從上述結(jié)果可見，本發(fā)明材料性能可在很寬的范圍內(nèi)選擇。因而特別適用于綜合性工況條件要求。


圖1為本發(fā)明材料的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，1為表面層，2為增強網(wǎng)層，3為粘結(jié)過渡層，4為底材。
例1底材選用1.5毫米厚不銹鋼鋼板噴砂處理使其表面粗化；粘結(jié)層選用0.2毫米厚可熔性聚四氟乙烯薄膜；選用孔徑為0.126毫米的不銹鋼網(wǎng)；表面層材料為1毫米厚聚四氟乙烯薄板。按本發(fā)明要求將上述材料疊置，先以60MPa的壓力預(yù)壓成型，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，其中燒結(jié)溫度為375℃，壓力為40MPa，保溫30分鐘，冷卻后脫模，成型出尺寸極為均勻的聚四氟乙烯基金屬-塑料復(fù)合材料。性能測試表明該材料達(dá)到不銹鋼的防腐性能，低速下的摩擦系數(shù)為0.06，與純聚四氟乙烯相同，耐磨性比純聚四氟乙烯提高兩倍以上，粘結(jié)剝離強度為20～30公斤/平方厘米，并可加工成軸套和密封墊片等，其密封耐壓高于10公斤/平方厘米，該復(fù)合材料還可有效的改善聚四氟乙烯在壓力作用下的冷流問題，可作為一定條件下的動密封材料。
例2底材選用2.5毫米厚45#碳鋼鋼板砂紙打磨使其表面粗化；粘結(jié)層選用0 1毫米厚聚四氟乙烯生料帶；選用孔徑為0.175毫米磷青銅網(wǎng)；表面層材料為1毫米厚超高分子量聚乙烯薄板。按本發(fā)明要求將上述材料疊置，進(jìn)行熱壓燒結(jié)，其中燒結(jié)溫度為300℃，壓力為20MPa，保溫45分鐘，冷卻后脫模，成型出尺寸極為均勻的超高分子量聚乙烯基金屬-塑料復(fù)合材料。性能測試表明該材料具有較高的防腐性能和自潤滑性能，柔韌性好，粘結(jié)剝離強度為18公斤/平方厘米，可加工成密封墊片，或作為一定條件下的動密封材料。
例3底材選用氧化硅陶瓷噴砂處理使其表面粗化；粘結(jié)層選用0.1毫米厚聚全氟乙丙烯；選用孔徑為0.147毫米的尼龍網(wǎng)；表面層材料為0.5毫米厚的石墨填充聚甲醛薄膜。按本發(fā)明要求將上述材料疊置，并進(jìn)行燒結(jié)、熱壓，其中燒結(jié)溫度為175℃，熱壓壓力為50MPa，成型出尺寸極為均勻的石墨填充聚甲醛基金屬-塑料復(fù)合材料。性能測試表明低速下的摩擦系數(shù)為0.10，材料硬度高于純聚甲醛，耐磨性比純聚甲醛可提高兩倍以上，粘結(jié)剝離強度為35公斤/平方厘米，可加工成軸套，該復(fù)合材料還可有效的改善聚甲醛的耐壓性能，可作為一定條件下的滑動材料。
例4粘結(jié)層選用0.05毫米厚聚氟乙烯及聚三氟氯乙烯混合物膜；選用孔徑為0.147毫米的磷青銅網(wǎng)；表面層材料為1.5毫米厚的高密度聚乙烯薄膜。按本發(fā)明要求在銅底材上成型高密度聚乙烯基金屬-塑料復(fù)合材料，其中燒結(jié)溫度為295℃，熱壓壓力為10MPa，保溫10分鐘。性能測試表明低速下的摩擦系數(shù)為0.07，材料硬度高于純高密度聚乙烯，耐磨性比純高密度聚乙烯提高六倍以上，粘結(jié)剝離強度為35公斤/平方厘米，可加工成軸套。該復(fù)合材料還可用于一定條件下的滑動材料。
權(quán)利要求
1.一種金屬一塑料復(fù)合材料，由金屬層、粘結(jié)層、增強金屬或非金屬層、表面潤滑層組成，其特征是金屬層為底層，依次往上是粘結(jié)層、增強金屬或非金屬網(wǎng)、表面潤滑層，粘結(jié)層的厚度為0.1～200微米。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征是金屬層材料為各種金屬或合金。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征是粘結(jié)層材料為含氟塑料。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征是增強金屬或非金屬網(wǎng)選用金屬網(wǎng)、尼龍網(wǎng)、纖維網(wǎng)等，網(wǎng)的孔徑為0.061毫米～1.651毫米。
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征是表面潤滑層材料選用聚四氟乙烯薄膜，或是其它具有類似性質(zhì)的聚合物薄膜。
6.一種金屬—塑料復(fù)合材料的制備方法，包括材料按底材—粘結(jié)層—增強金屬或非金屬網(wǎng)—表面潤滑層排列，采用熱靜壓燒結(jié)或連續(xù)熱輥壓工藝成型，燒結(jié)溫度為聚合物的成型溫度，成型壓力為10MPa～100MPa之間；對于熱靜壓燒結(jié)，保溫時間為10分鐘～10小時。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征是底材耐溫性高于表面潤滑層材料。
8.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征是選擇的增強網(wǎng)、表面潤滑層材料及粘結(jié)層材料具有相同或近似的成型溫度。
全文摘要
本發(fā)明是一種具有防腐、密封、自潤滑等性能的金屬—塑料復(fù)合材料。本發(fā)明依次由金屬底層、粘結(jié)層、增強金屬網(wǎng)或非金屬網(wǎng)、表面潤滑層組成,采用熱靜壓燒結(jié)或連續(xù)熱輥壓工藝成型。它適用于飛機、汽車、化學(xué)化工設(shè)備等有關(guān)部件的潤滑,尤其適用于中等腐蝕及密封條件下有關(guān)部件的潤滑。
文檔編號B32B15/08GK1186017SQ961214
公開日1998年7月1日 申請日期1996年12月24日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月24日
發(fā)明者閻逢元, 薛群基, 沈維長 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所