本發(fā)明提供了一種耐磨自潤滑的PES/金屬復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：
當(dāng)前，隨著航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、食品和制藥機(jī)械以及各種傳動(dòng)件的發(fā)展，對(duì)各類軸套、滑板、滑道及摩擦部件的要求越來越高。在機(jī)械運(yùn)行中，經(jīng)常采用降低摩擦系數(shù)和延長設(shè)備使用壽命的方法有以下幾種：1、在金屬瓦與軸的接觸面上涂一層潤滑油做潤滑劑的方法達(dá)到降低摩擦系數(shù)和延長設(shè)備的使用壽命的目的。但設(shè)備在高溫高壓的條件下，在有腐蝕性氣體和液體的條件下，在醫(yī)藥、食品、紡織、印刷等忌用潤滑油的設(shè)備上，金屬瓦的使用受到限制，存在磨損快和使用時(shí)間短等不足之處。2、采用金屬材料作為底材并在金屬底材上直接固體潤滑劑膏體，這種材料雖然具有結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)合牢固、耐溫性高、抗極壓性和延長摩擦副壽命的優(yōu)點(diǎn)，但缺陷是制造復(fù)雜、摩擦系數(shù)不穩(wěn)定、抗腐蝕性差且裸露的金屬層容易劃傷對(duì)磨面3、采用把PTFE（聚四氟乙烯）覆蓋在燒結(jié)了青銅絲網(wǎng)的鋼板上或覆蓋在燒結(jié)了青銅粉鋼板上的SF-1材料，雖然其具有高械強(qiáng)度、耐熱性和自潤滑性等優(yōu)點(diǎn)，但金屬與塑料的結(jié)合性差且不耐沖擊，塑料的蠕變特性會(huì)導(dǎo)致金屬與塑料間的結(jié)合容易剝離，影響了其實(shí)際的使用壽命。SF-1材料主要靠銅間的空隙鑲嵌和存儲(chǔ)塑料潤滑材料，首先需燒結(jié)多孔青銅中間層，且在燒結(jié)青銅多孔層時(shí)為防止青銅層的氧化，須進(jìn)行氣體保護(hù)；其次多采用浸漬法等方法將塑料層成分加入到空隙中，因此制備工藝繁瑣、大大延長了材料制造周期。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在本發(fā)明的第一個(gè)目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種以PES（聚醚砜）為主的混合塑料與金屬牢固結(jié)合、耐沖擊性好、機(jī)械強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)低且耐磨性能好的PES/金屬復(fù)合材料。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供該耐磨自潤滑的PES/金屬復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明PES/金屬復(fù)合材料采用的技術(shù)方案是：由金屬基體、PES噴涂層和PES塑料層組成，PES噴涂層利用PES的粘性和PES與金屬良好的附著力即分子間作用力，通過分子的化學(xué)鍵將金屬基體與PES塑料層結(jié)合在一起；PES塑料層鑲嵌在由噴丸工藝形成的金屬基體的凹坑中；PES塑料層材料成分按質(zhì)量百分含量為；PES（聚醚砜）65～75%，PTFE（聚四氟乙烯）15～25%，LCP(液晶聚合物)4～8%,石墨5～7%，二硫化鉬1%。本發(fā)明PES/金屬復(fù)合材料的制備方法采用的技術(shù)方案是采用如下步驟：a)在金屬基體上進(jìn)行特定的噴丸加工：選用機(jī)械離心式噴丸機(jī)，鑄鋼丸硬度為40～50HRC，直徑為0.5～1mm，噴丸速度為50～75m/s，時(shí)間為30～45秒；b）去除金屬基體表面的油污，灰塵和氧化物，并進(jìn)行表面磷化處理；c）按質(zhì)量百分含量的配比，將PES塑料層混合均勻并干燥；d）在金屬基體表面粉末噴涂厚度在80～100μm的PES噴涂層；e)將步驟d）中的噴涂金屬件放入熱壓模具的型腔內(nèi)作為嵌件，再將步驟c）中的PES塑料層混料均勻平鋪在PES噴涂層上，平鋪的厚度為3～6mm，加壓至4～6MPa，以15～20℃/min的速度升溫，待溫度升至330～340℃后保持恒溫25～35分鐘，然后加壓至10～12MPa，并升溫至370～380℃后保持恒溫50～70分鐘，最后在保壓條件下冷卻使模具溫度將到130℃左右脫模。本發(fā)明在金屬基體和PES塑料層間添加一層PES噴涂層，進(jìn)一步提高了金屬與塑料的結(jié)合性能，具有良好的耐熱性和抗沖擊性，對(duì)環(huán)境無毒無污染，節(jié)能且噪音低，并在-50～200℃較寬的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)低摩擦、耐磨損、抗沖擊且不損傷對(duì)偶面。在MM-200型環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測定時(shí)，轉(zhuǎn)速為300rmp，壓力為250N，大氣室溫下干摩擦，其承載壓力為150MPa，使用溫度為-50～200℃，摩擦系數(shù)為0.07～0.16，磨損率為0.7～2.5×10-6mm3/N.m。本發(fā)明復(fù)合材料適用范圍廣，與原金屬瓦軸相比可延長摩擦副使用壽命3倍或3倍以上，其原因是：1、本發(fā)明PES/金屬復(fù)合材料成分中采用的PES（聚醚砜）結(jié)構(gòu)規(guī)整，具有高耐熱性、高強(qiáng)度、高模量、耐沖擊、抗蠕變和加工性好等優(yōu)異的綜合性能，還具有絕緣性、耐水解和無毒等特點(diǎn)。PES的尺寸穩(wěn)定性好，線膨脹系數(shù)小，接近于鋁材。其模量在-100℃到200℃幾乎不變，在低溫下仍能保持常溫下的沖擊性能。長期使用溫度達(dá)到200℃，在400℃下短時(shí)間幾乎不分解。PES與鐵、鉛等金屬的附著力好，可加工成超細(xì)粉，用于粉末噴涂和液體涂料。但PES的摩擦系數(shù)為1.30，遠(yuǎn)大于PTFE（聚四氟乙烯）的摩擦系數(shù)，故在選擇PES作為用于減摩耐磨金屬塑料復(fù)合材料中塑料的基體的前提下還需對(duì)PES進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，以求獲得高強(qiáng)度、高模量、耐沖擊、抗蠕變和高尺寸穩(wěn)定性等力學(xué)性能和低摩擦，耐磨損等摩擦學(xué)性能。2、本發(fā)明金屬基體采用特定噴丸工藝加工，不僅使PES噴涂層與金屬基體表面間的實(shí)際面積增加，有利于提高PES噴涂層結(jié)合力而且在金屬基體表面的形成的凹坑用于塑料與金屬的鑲嵌，增強(qiáng)了復(fù)合材料的結(jié)合性能。3、本發(fā)明PES/金屬復(fù)合材料成分采用中的PTFE（聚四氟乙烯）具有良好的耐高低溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性、自潤滑性和耐磨性好，有極低的摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)可達(dá)0.04，是已知的可實(shí)用的滑動(dòng)材料中摩擦系數(shù)最小的。4、本發(fā)明PES/金屬復(fù)合材料成分采用中的LCP（液晶聚合物）具有高強(qiáng)度、高模量、高耐熱性和良好的耐摩擦磨損性能，由于高溫下熔融后的LCP在聚四氟乙烯基體內(nèi)沿聚四氟乙烯的空隙向四周遷移流動(dòng)形成微纖。這些微纖相互連接,在聚四氟乙烯基體內(nèi)形成致密而均勻的立體網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)把聚四氟乙烯基體緊緊地包絡(luò)起來,起到加固作用,故能很好地限制和阻止了聚四氟乙烯的帶狀磨損,提高了聚四氟乙烯的磨損性能。5、本發(fā)明PES/金屬復(fù)合材料成分采用中的石墨和二硫化鉬添加到PES塑料層中，使得復(fù)合材料進(jìn)一步提升其摩擦學(xué)性能，具有更好的機(jī)械性能，耐壓縮抗蠕變，熱傳導(dǎo)性好。四、附圖說明下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的PES/金屬復(fù)合材料的組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所標(biāo)部位分別為：1、PES塑料層；2、PES噴涂層；3、金屬基體。五、具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。如圖1所示，PES/金屬復(fù)合材料自上而下由PES塑料層1、PES噴涂層2和噴丸加工的具有凹坑形貌的金屬基體3組成。其中PES塑料層1材料的各成分質(zhì)量百分含量為：PES（聚醚砜）65～75%，PTFE（聚四氟乙烯）15～25%，LCP(液晶聚合物)4～8%,石墨5～7%，二硫化鉬1%。底材金屬基體3的材料為25＃鋼、鑄鐵或鋁等金屬，金屬基體3的厚度為3～10mm。PES噴涂層2利用PES的粘性和PES與金屬良好的附著力即分子間作用力，通過分子的化學(xué)鍵將金屬基體3與PES塑料層1結(jié)合在一起；PES塑料層1鑲嵌在金屬基體3的凹坑中。本發(fā)明所用的PES（聚醚砜）的粒度為30μm，密度為2.15g/cm3；PTFE（聚四氟乙烯）的粒度為10μm，密度為2.18g/cm3；LCP（液晶聚合物）的粒度為40μm，密度為1.53g/cm3；石墨的粒度為20～40μm；二硫化鉬的粒度為40～60μm。PES/金屬復(fù)合材料的具體制備方法如下：首先在金屬基體3上進(jìn)行特定噴丸工藝加工：選用機(jī)械離心式噴丸機(jī)；鑄鋼丸硬度為40～50HRC，直徑為0.5～1mm；噴丸速度為50～75m/s，時(shí)間為30～45秒。再將金屬基體3表面去除油污，灰塵和氧化物，并進(jìn)行表面磷化處理，提升金屬基體3與PES噴涂層2的結(jié)合性能。將PES塑料層1的材料各成分按如下質(zhì)量百分含量混合并干燥：PES（聚醚砜）65～75%，PTFE（聚四氟乙烯）15～25%，LCP(液晶聚合物)4～8%,石墨5～7%，二硫化鉬1%。通過靜電粉末噴涂機(jī)向之前加工過后金屬基體3表面噴涂厚度在80～100μm的PES噴涂層2。將得到的噴涂金屬件放入熱壓模具的型腔內(nèi)作為嵌件，然后將制得的PES塑料層1混料平鋪在PES噴涂層2上，平鋪厚度為3～6mm，加壓至4～6MPa，以15～20℃/min的速度升溫，待溫度升至330～340℃后保持恒溫25～35分鐘，然后加壓至10～12MPa，并升溫至370～380℃后保持恒溫50～70分鐘，最后在保壓條件下冷卻使模具溫度降到130℃左右脫模即可。以下通過3個(gè)實(shí)施例再具體說明本發(fā)明：實(shí)施例1按如下步驟制備：（1）按照設(shè)定的噴丸工藝：鑄鋼丸硬度為40HRC，直徑為0.5mm；噴丸速度為50m/s，時(shí)間為35秒。通過機(jī)械離心式噴丸機(jī)在金屬基體3上進(jìn)行噴丸加工；（2）將金屬基體3表面去除油污，灰塵和氧化物，并進(jìn)行表面磷化處理，提升金屬基體3與PES噴涂層2的結(jié)合性能。（3）將PES塑料層1的材料各成分按如下質(zhì)量百分含量混合并干燥：PES（聚醚砜）72%，PTFE（聚四氟乙烯）18%，LCP(液晶聚合物)4%,石墨5%，二硫化鉬1%。（4）通過靜電粉末噴涂機(jī)，向經(jīng)過上述（1）、（2）加工過后的金屬基體3表面噴涂厚度在80μm的PES噴涂層2。（5）將上訴（4）的PES噴涂金屬件噴涂件放入熱壓模具的型腔內(nèi)作為嵌件，然后將上訴（3）中的PES塑料層1混料平鋪在PES噴涂層2上，平鋪厚度為4mm，加壓至4MPa，以15℃/min的速度升溫，待溫度升至330℃后保持恒溫25分鐘，然后加壓至10MPa，并升溫至380℃后保持恒溫50分鐘，最后在保壓條件下冷卻，采用自然冷卻方法使模具溫度降到130℃左右脫模即可。經(jīng)上述工藝制備的復(fù)合材料使用溫度為使用溫度為-50～220℃，摩擦系數(shù)為0.07～0.11，磨損率為0.8～1.3×10-6mm3/N.m。實(shí)施例2按如下步驟制備：（1）按照設(shè)定的噴丸工藝：鑄鋼丸硬度為45HRC，直徑為0.8mm；噴丸速度為60m/s，時(shí)間為30秒。通過機(jī)械離心式噴丸機(jī)在金屬基體3上進(jìn)行噴丸加工；（2）將金屬基體3表面去除油污，灰塵和氧化物，并進(jìn)行表面磷化處理，提升金屬基體3與PES噴涂層2的結(jié)合性能。（3）將PES塑料層1的材料各成分按如下質(zhì)量百分含量混合并干燥：PES（聚醚砜）69%，PTFE（聚四氟乙烯）15%，LCP(液晶聚合物)8%,石墨7%，二硫化鉬1%。（4）通過靜電粉末噴涂機(jī)，向經(jīng)過上述（1）、（2）加工過后的金屬基體3表面噴涂厚度在90μm的PES噴涂層2。（5）將上訴（4）的PES噴涂金屬件噴涂件放入熱壓模具的型腔內(nèi)作為嵌件，然后將上訴（3）中的PES塑料層1混料平鋪在PES噴涂層2上，平鋪厚度為5mm，加壓至5MPa，以18℃/min的速度升溫，待溫度升至340℃后保持恒溫30分鐘，然后加壓至12MPa，并升溫至380℃后保持恒溫60分鐘，最后在保壓條件下冷卻，采用自然冷卻方法使模具溫度降到130℃左右脫模即可。經(jīng)上述工藝制備的復(fù)合材料使用溫度為使用溫度為-50～220℃，摩擦系數(shù)為0.09～0.13，磨損率為1.0～1.8×10-6mm3/N.m。實(shí)施例3按如下步驟制備：（1）按照設(shè)定的噴丸工藝：鑄鋼丸硬度為50HRC，直徑為1mm；噴丸速度為75m/s，時(shí)間為45秒。通過機(jī)械離心式噴丸機(jī)在金屬基體3上進(jìn)行噴丸加工；（2）將金屬基體3表面去除油污，灰塵和氧化物，并進(jìn)行表面磷化處理，提升金屬基體3與PES噴涂層2的結(jié)合性能。（3）將PES塑料層1的材料各成分按如下質(zhì)量百分含量混合并干燥：PES（聚醚砜）65%，PTFE（聚四氟乙烯）23%，LCP(液晶聚合物)6%,石墨5%，二硫化鉬1%。（4）通過靜電粉末噴涂機(jī)，向經(jīng)過上述（1）、（2）加工過后的金屬基體3表面噴涂厚度在100μm的PES噴涂層2。（5）將上訴（4）的PES噴涂金屬件噴涂件放入熱壓模具的型腔內(nèi)作為嵌件，然后將上訴（3）中的PES塑料層1混料平鋪在PES噴涂層2上，平鋪厚度為6mm，加壓至6MPa，以20℃/min的速度升溫，待溫度升至340℃后保持恒溫35分鐘，然后加壓至12MPa，并升溫至380℃后保持恒溫65分鐘，最后在保壓條件下冷卻，采用自然冷卻方法使模具溫度降到130℃左右脫模即可。經(jīng)上述工藝制備的復(fù)合材料使用溫度為使用溫度為-50～220℃，摩擦系數(shù)為0.12～0.16，磨損率為1.8～2.4×10-6mm3/N.m。