專利名稱：一種軸承用混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料、制造方法及其應(yīng)用的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料，具體地說是一種短纖維混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料、以及它的制造方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
碳纖維和芳綸纖維是高性能復(fù)合材料常用的兩種纖維，它們都具有強(qiáng)度高，耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但是芳綸漿粕纖維比碳纖維有更大的比表面積，更好的韌性和耐沖擊能力，和基體樹脂結(jié)合力強(qiáng)，有很好的增強(qiáng)增韌效果；而碳纖維有高的模量，性質(zhì)剛硬，石墨化的結(jié)構(gòu)使它具有固體潤滑劑功能，是一種優(yōu)異的耐磨材料，碳纖維又具有導(dǎo)熱，導(dǎo)電性能，熱膨脹系數(shù)小，用它制成的復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性好，將以上兩種纖維充分均勻混合后，制成一種高性能復(fù)合材料，即具有耐磨，耐高溫，傳熱，導(dǎo)電，性能優(yōu)異的工程材料。
機(jī)械上所用的滑動軸承有金屬和塑料兩類，金屬粉末冶金軸承的比重大，重量比塑料重，且吸油性能，潤滑性能，耐腐蝕性能不及塑料軸承。塑料軸承比粉末冶金軸承輕，摩擦系數(shù)小，磨耗小，但塑料軸承導(dǎo)熱系數(shù)小，容易造成摩擦熱積聚而使軸承溫度升高，而塑料的熱變形溫度低，尺寸穩(wěn)定性差，這就限制了它在高精度，高轉(zhuǎn)速工況條件下的應(yīng)用。此外，還有一種特種用途的石墨軸承，因增強(qiáng)劑的不理想，機(jī)械性能，耐磨性欠佳，本發(fā)明系針對上述應(yīng)用背景而發(fā)明的一種混雜增強(qiáng)復(fù)合材料。
目前，利用芳綸漿粕制作汽車剎車片已有專利報導(dǎo)，用碳纖制作耐磨材料亦有專利，用兩者短纖維混雜增強(qiáng)尚未見到專利報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供混雜增強(qiáng)復(fù)合材料。具體地說是一種芳綸漿粕纖維或和碳纖維混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料。
本發(fā)明的目的還提供一種上述的芳綸漿粕纖維或和碳纖維混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料制造方法。
本發(fā)明的另一目的是提供上述芳綸漿粕纖維或和碳纖維混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料的應(yīng)用。特別是工況在高速輕載下的紡機(jī)軸承，電機(jī)軸承，石墨軸承領(lǐng)域的應(yīng)用。
本發(fā)明是用芳綸漿粕纖維或和碳纖維的一種或兩種高性能纖維混雜增強(qiáng)耐高溫樹脂，制成一種適合高速輕載工作條件下的耐磨材料，以及導(dǎo)電塑料，多孔含油軸承，增強(qiáng)導(dǎo)電石墨軸承專用材料等多種優(yōu)異性能的材料。以滿足機(jī)電行業(yè)高速化的需要。
碳纖維和芳綸漿粕是兩種高性能纖維，但性能各有千秋，通過它們之間以一定配比均勻混合，優(yōu)勢互補(bǔ)，同耐高溫樹脂一起制成一種混雜增強(qiáng)復(fù)合材料。這種多組份的復(fù)合材料，其組成物的選定是以產(chǎn)品性能為依據(jù)。本發(fā)明的復(fù)合材料，其性能特點(diǎn)是耐磨，耐高溫，傳熱，導(dǎo)電，具有高的尺寸穩(wěn)定性，其組織結(jié)構(gòu)是按照如下原則設(shè)計的。
1，組成物中含有兩種以上不同性能的增強(qiáng)纖維，它同基體樹脂一起形成優(yōu)勢互補(bǔ)的網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)體系；保證材料的強(qiáng)度，硬度，韌性等機(jī)械性能的同時，也賦以了材料其它所需的物理性能，如導(dǎo)熱，導(dǎo)電性能；2，基體樹脂為耐高溫樹脂，它同高性能纖維組成的復(fù)合材料能耐高於200℃的高溫，熱變形溫度高達(dá)260℃；在很大程度上消除了摩擦發(fā)熱溫度升高給材料帶耒的負(fù)面影響，如材料變軟，尺寸變化等等；3，該組成物中可以含有相當(dāng)數(shù)量的固體潤滑劑，能降低同對磨物的摩擦系數(shù)；4，這種復(fù)合材料與塑料不同之處在於，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)剛度所需的條件下還具有一定的孔隙率，再加上增強(qiáng)纖維和填料本身又具有較好的吸附性，因此能吸收相當(dāng)數(shù)量的潤滑油，并能長時期保持，使摩擦環(huán)境始終保持在優(yōu)良潤滑條件下；5，這種復(fù)合材料具有高的尺寸穩(wěn)定性，它的幾何尺寸不隨工作環(huán)境的溫度濕度而變化。
根據(jù)上述設(shè)計原則，本發(fā)明的芳綸漿粕纖維或和碳纖維混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料由下述物質(zhì)組成短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂。所述的短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比分別為0-40∶5-50∶0-55∶30-85。推薦重量比分別為5-40∶5-40∶5-30∶30-85。其中，當(dāng)短切碳纖維重量比為0時，芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比為填料重量比為5-50∶5-55∶30-85。當(dāng)不加填料時，所述的短切碳纖維、芳綸漿粕纖維和耐高溫樹脂的重量比分別為0-20∶5-40∶35-85；推薦重量比分別為3-14∶7-36∶35-85。所述的耐高溫樹脂是熱固性和熱塑性樹脂。
比較典型的組成物如表1所示表1 材料組成物

本發(fā)明的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法流程如圖1所示本發(fā)明的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料可以通過下述的(1)和(2)，(1)-(2)和(3)，(1)-(2)和(4)三種方法制得(1)，芳綸漿粕纖維或者和經(jīng)氧化脫膠短切碳纖維在混合器中混合、烘干、開松、分散；(2)，將填料和耐高溫樹脂混合磨細(xì)后加入(1)所述的產(chǎn)物中混合、開松；或(3)，(2)的產(chǎn)品，模壓成型；模壓成型壓力5-12MPa，成型溫度170--220℃。經(jīng)或不經(jīng)過真空釜中浸漬潤滑油；或(4)，將(2)的產(chǎn)品制成母粒，注塑成型。
上述的短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比如前所述。
本發(fā)明的方法可以進(jìn)一步描述如下1，纖維混合料制備用兩種纖維混雜增強(qiáng)，使它們的性能達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)，兩種纖維均勻分散，混合均勻非常關(guān)鍵，本發(fā)明按下述方法能達(dá)到單根短纖維的均勻分散，混合均勻；市售碳纖維除專門用途外，在生產(chǎn)過程中表面或多或少都上有膠，給以后混合過程中均勻分散造成障礙，為此本發(fā)明所用的碳纖維在使用前都要經(jīng)過脫膠等表面處理，其方法是在350--500℃工業(yè)電爐中經(jīng)3-30分鐘氧化脫膠，然后在切斷機(jī)上切成長度3-5mm的短纖維芳綸漿粕系用芳綸1414為原料，長度為0.5-3mm，比表面積在6-10m2/g上述兩種原材料首先按性能需要而設(shè)計的百分比秤量混合，本發(fā)明芳綸漿粕與碳纖維的比例可以任意調(diào)節(jié).混合設(shè)備為改制的水溶液纖維混合器(專利另行申請)，兩種纖維按以下方法制成混合料；碳纖維和芳綸漿粕纖維同時放入盛滿純凈水的混合器中，水的重量應(yīng)在纖維總重的25倍以上，該設(shè)備的原理是利用水流和壓力的作用下將兩種纖維均勻分散開并混合在一起，同時在動刀片和定刀片作用下，又使纖維表面粗糙化，增加比表面積，有利於樹脂的粘合，.經(jīng)上述工藝對兩種纖維分散，混合之后，宏觀上色澤均勻，沒有塊狀纖維聚積，在顯微鏡下觀察，原來束狀的碳纖維完全呈現(xiàn)單根纖維狀態(tài)分散.說明分散均勻，混合充分.是其它混合方法難以達(dá)到的.
混合好的纖維經(jīng)過濾，離心脫水，烘干水份.備用.
2，耐高溫樹脂與填料的選擇與混合本發(fā)明采用的耐高溫樹脂有熱固性和熱塑性兩類；熱固性耐高溫樹脂主要用酚醛樹脂和酚醛環(huán)氧改性樹脂，其中又以硼酚醛樹脂更為常用，硼酚醛樹脂(FB)比普通酚醛樹脂具有更為優(yōu)良的耐高溫性能，.熱分析表明536℃之前不分解，因此選用FB能提高熱變形溫度.
熱塑性耐高溫樹脂主要用聚苯硫醚，它的熱變形溫度在260℃以上，熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好.另外亦可采用聚醚酮，聚酰亞胺等耐高溫樹脂.
本發(fā)明采用的填料主要是石墨，在不能采用石墨的場合也采用聚四氟乙烯(PTFE)，氟46(FEP)，二硫化鉬等作減摩劑，這兩種填料的加入方法是在球磨機(jī)或高速粉料混合機(jī)中與樹脂同時加入，然后磨細(xì)，混合的.
3，復(fù)合粉料的制備各種組份原料的混合是在密封的犁狀轉(zhuǎn)子混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行的；它們的轉(zhuǎn)子應(yīng)選用對纖維有較強(qiáng)的開松混合作用的轉(zhuǎn)子.
按產(chǎn)品性能要求設(shè)計各組份原料的配比，完成纖維的混合和樹脂同填料的混合后.按下述順序加入混合器制備復(fù)合粉料第一步，加入纖維混合物，將纖維開松分散，時間5-10分鐘；第二步，從加料口加入混好的粉料，邊加邊攪拌，均勻地混入分散的纖維之中，時間30-60分鐘；第三步，對混合料高速攪拌，進(jìn)一步開松分散，充分混合。
上述三個步驟中，犁狀轉(zhuǎn)子的速度均可調(diào)節(jié)，第一第三步轉(zhuǎn)速在1000-1500轉(zhuǎn)/分鐘；第二步轉(zhuǎn)速在120-200轉(zhuǎn)/分鐘。
復(fù)合粉料的表觀密度為0.08-0.15克/厘米3。
混合料應(yīng)密封貯存供模壓成型用.對熱塑性耐高溫樹脂則進(jìn)一步進(jìn)行擠出造粒供注塑成型用。
4，成型加工與浸油對於那些要求纖維含量高，纖維長度長的熱固性耐高溫樹脂復(fù)合粉料采用傳統(tǒng)的熱固性酚醛樹脂模壓成型工藝；成型壓力5-12Mpa，成型溫度170--220℃，而纖維含量低，長度短的熱固性耐高溫樹脂復(fù)合粉料亦可用熱固性螺桿式注塑機(jī)成型。
對於熱塑性耐高溫樹脂復(fù)合粉料多采用注塑成型.少數(shù)特殊要求的也采用模壓成型工藝。
為滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)尺寸精度的要求，一般成型后還可以進(jìn)一步磨削加工。
加工好的耐磨零件應(yīng)置入真空釜中浸漬潤滑油。
.用本方法制得的耐熱酚醛復(fù)合材料性能如下；體積密度1.2-1.6g/cm3
彎曲強(qiáng)度100--210Mpa彎曲模量10--22Gpa缺口沖擊強(qiáng)度2-14KJ/m2熱變形溫度200--220℃熱膨脹系數(shù)2.6-4.1×10-51/℃導(dǎo)熱系數(shù)88-97W/m.k摩擦系數(shù)0.05-0.12PV值1-2Mpa m/s孔隙吸油率3-12％用本方法制得的聚苯硫醚復(fù)合材料性能如下；體積密度1.4-1.6g/cm3拉伸強(qiáng)度120--160Mpa彎曲強(qiáng)度160-240MPa彎曲模量16--22Gpa懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度8-15KJ/m2熱變形溫度260℃熱膨脹系數(shù)2.-3.1×10-51/℃導(dǎo)熱系數(shù)1-80W/m.k摩擦系數(shù)0.12-0.18PV值2-3Mpa m/s孔隙吸油率0.5-3％本發(fā)明獨(dú)創(chuàng)之處在於1)創(chuàng)立了一種水溶液中短纖維分散混合的工藝，保證了兩種以上短纖維的均勻混合，與其它纖維混合方法相比，除提高了混合均勻度之外，還減少了粉塵污染，2)確立了一種針對提高耐磨性的短纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料體系，及其加工方法，它不僅可用於紡機(jī)軸承，也可應(yīng)用於其它高速電機(jī)軸承等耐磨的應(yīng)用場合以及導(dǎo)熱導(dǎo)電塑料的制備本發(fā)明的復(fù)合材料主要應(yīng)用在輕載高速的紡織機(jī)械，輕工機(jī)械，高速電機(jī)的軸承，可替代滾動軸承和粉末冶金軸承，具有使用有壽命長、噪聲低、，節(jié)能等特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法流程；圖2是不同比例的兩種纖維混合后的顯微照片。
具體實施例方式通過下述實施例和比較例有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
實施例1導(dǎo)電軸承用復(fù)合材料1)取碳纖維100g；芳綸漿粕100g加水5公斤攪拌分散后倒入混合機(jī)，以200轉(zhuǎn)/分鐘速度混合10分鐘，濾出纖維，離心脫水，120℃烘干備用2)取硼酚醛樹脂320g3)取石墨粉380g烘干備用4)將2)，3)樹脂和石墨粉在球磨機(jī)中混合磨細(xì)5)將1)纖維在高速攪拌機(jī)中開松，同時均勻加入4)制成的粉料，繼續(xù)開松混合均勻成模塑粉供成型用.該混雜增強(qiáng)復(fù)合材料組份比例如下；碳纖11.1％芳綸漿粕11.1％.石墨粉42.2％，硼酚醛樹脂35.6％6)用模具在平板壓力機(jī)上模壓成型，成型溫度200℃.成型壓力12MPa7)以內(nèi)孔定位磨削外徑，達(dá)到軸承級尺寸公差8)在-0.08Mpa真空負(fù)壓下浸漬潤滑油，時間12小時.
經(jīng)上述工藝制成的多孔含油復(fù)合材料軸承性能如下；密度1.602g/cm3彎曲強(qiáng)度140Mpa彎曲模量12.3GPa缺口沖擊強(qiáng)度2.8KJ/m2孔隙吸油率8.2％
摩擦系數(shù)0.11導(dǎo)熱系數(shù)92W/m.k電阻2×10-2Ω.cm。
實施例2無填料不同混雜比纖維增強(qiáng)高溫酯醛復(fù)合材料1)，碳纖維和芳綸漿粕纖維按下表比例在纖維混合器中混合

2)，上述A，B，C，D各取30g；每個組份中各加入硼酚醛樹脂粉20g然后置入粉料混合器中，按本發(fā)明制造方法混合成纖維復(fù)合材料模壓粉3)，在壓力成型機(jī)上模壓成厚度3mm左右的板材，加工成試樣測定性能如下；

4)，上述A，B配比主要用於高速軸承材料，上述C，D配比主要用於石墨軸承材料實施例3不同石墨含量填料的高溫酯醛復(fù)合材料1)，碳纖維(CF)與芳綸(KF)漿粕纖維之重量比為1；3(即實例二中A)進(jìn)行纖維混合；2)，纖維，石墨粉，硼酚醛樹脂粉按以下比例，用前述發(fā)明方法混合制成纖維復(fù)合材料模壓粉樣品代碼E纖維12％(KF9％ CF3％) 石墨 53％ 樹酯 35％樣品代碼F纖維24％(KF18％ CF6％) 石墨 41％ 樹酯 35％樣品代碼G纖維36％(KF27％ CF9％) 石墨 29％ 樹酯 35％樣品代碼H纖維48％(KF36％ CF12％) 石墨 17％ 樹酯 35％3)，在壓力成型機(jī)上模壓成厚度3mm左右的板材，加工成試樣測定性能如下；

4)，E，F(xiàn)配比主要用於導(dǎo)電塑料G，H配比主要用於導(dǎo)熱導(dǎo)電耐磨塑料實施例4含氟減摩劑的耐高溫酯醛復(fù)合材料本實例是針對那些不宜用石墨作減摩劑的使用場合設(shè)計的，即既耐磨但又要求絕緣，或?qū)δハ饔袩o黑色要求，如細(xì)紗鋼令的應(yīng)用場合，可照以下配方制造含氟減摩劑的耐高溫酯醛復(fù)合材料.
取100％芳綸漿粕16g聚四氟乙烯2g硼酚醛樹脂16g(即芳綸漿粕47％聚四氟乙烯6％；硼酚醛樹脂47％)按發(fā)明方法混合成纖維復(fù)合材料模壓粉，然后在壓力成型機(jī)上模壓成厚度3mm左右的板材，加工成試樣測定性能如下；密度 1.35彎曲強(qiáng)度 166.9Mpa彎曲模量 8.079Gpa抗沖擊強(qiáng)度 14KJ/m2摩擦系數(shù) 0.09實施例5無填料不同混雜比纖維增強(qiáng)PPS復(fù)合材料1)，碳纖維和芳綸漿粕纖維按下表比例在纖維混合器中混合

2)，I，J，K組份中各取纖維20g，每組份中取PPS樹脂粉40g(即纖維含量33.3％，樹脂含量66.6％)按發(fā)明方法混合成纖維粉狀復(fù)合材料3)，將2)所得粉狀復(fù)合材料在轉(zhuǎn)子密煉機(jī)中溫度300-320℃時間10-15分鐘轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速80-160轉(zhuǎn)/分鐘制成母粒；然后將母粒粉碎，按下表中的PPS樹脂含量加入PPS樹脂粉，并在高速攪拌機(jī)上均勻混合后供注塑用4)，在注塑機(jī)上注塑小試樣；測得性能如下


實施例6含氟減摩劑的PPS復(fù)合材料本實例與實例四的配方目的一樣，它用100％芳綸漿粕纖維16g聚四氟乙烯，2g聚苯硫醚(PPS)樹脂16g(即芳綸漿粕47％聚四氟乙烯6％；PPS樹脂47％)按發(fā)明方法混合成纖維復(fù)合材料模壓粉，然后在壓力成型機(jī)上模壓成厚度3mm左右的板材，加工成試樣測定性能如下；密度 1.43g/cm3硬度HR 102拉伸強(qiáng)度 140MPa彎曲強(qiáng)度 200MPa彎曲模量 9.8GPa沖擊強(qiáng)度 12KJ/m2熱變形溫度 263℃摩擦系數(shù) 0.08本實例配方主要應(yīng)用作紡紗機(jī)錠子鋼領(lǐng)以及不允許有黑色磨削的場合.
權(quán)利要求
1，一種混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，其由下述物質(zhì)組成短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂；其中，短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比分別為0-40∶5-50∶0-55∶30-85，當(dāng)短切碳纖維重量比為0時，芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比為填料重量比為5-50∶5-55∶30-85；所述的耐高溫樹脂是熱變形溫度在260℃以上的熱固性和熱塑性耐高溫樹脂。
2，如權(quán)利要求1所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，其特征是所述的熱塑性耐高溫樹脂是聚苯硫醚、聚醚酮或聚酰亞胺；所述的熱固性耐高溫樹脂是酚醛樹脂或酚醛環(huán)氧改性樹脂。
3，如權(quán)利要求1所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，其特征是所述的填料是石墨，聚四氟乙烯，氟46或二硫化鉬。
4，一種如權(quán)利要求1所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法，其特征是通過下述的(1)和(2)，(1)-(2)和(3)，(1)-(2)和(4)三種方法制得(1)，芳綸漿粕纖維或者和經(jīng)氧化脫膠短切碳纖維在混合器中混合、烘干、開松、分散；(2)，將填料和耐高溫樹脂混合磨細(xì)后加入(1)所述的產(chǎn)物中混合、開松；或(3)，(2)的產(chǎn)品，模壓成型工藝；模壓成型壓力5-12Mpa，成型溫度170--220℃。經(jīng)或不經(jīng)過真空釜中浸漬潤滑油；或(4)，將(2)的產(chǎn)品制成母粒，注塑成型；上述的短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比如權(quán)利要求1所述。
5，如權(quán)利要求4所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法，其特征是所述的短切碳纖維長度為3-5mm，所述的芳綸漿粕纖維長度為0.5-3mm。
6，如權(quán)利要求4所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法，其特征是所述的經(jīng)氧化脫膠短切碳纖維是將短切碳纖維在350-500℃經(jīng)3-30分鐘氧化脫膠。
7，如權(quán)利要求4所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法，其特征是所述的方法(3)是在5-12MPa壓力和170-220℃模壓成型。
8，一種如權(quán)利要求1所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的用途，其特征是所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料用于制造耐磨制品，導(dǎo)熱導(dǎo)電制品。
9，如權(quán)利要求8所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的用途，其特征是所述的混雜增強(qiáng)復(fù)合材料用于制造紡紗錠小軸承，紗錠鋼領(lǐng)，高速電機(jī)軸承.石墨軸承，含油軸承等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軸承用混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料、制造方法及其應(yīng)用。其由下述物質(zhì)組成短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂；其中，短切碳纖維、芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比分別為0－40∶5－50∶0－55∶30－85，當(dāng)短切碳纖維重量比為0時，芳綸漿粕纖維、填料和耐高溫樹脂的重量比為填料重量比為5－50∶5－55∶30－85；所述的耐高溫樹脂是熱變形溫度在260℃以上的熱固性和熱塑性耐高溫樹脂。該混雜增強(qiáng)高性能復(fù)合材料可以用于制造耐磨制品，導(dǎo)熱導(dǎo)電制品，尤其是用于制造紡紗錠小軸承，紗錠鋼領(lǐng)，高速電機(jī)軸承.石墨軸承，含油軸承等。
文檔編號C08L81/00GK1699474SQ200510026250
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者李靈炘 申請人:李靈炘