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CN105711194A - 一种高强度、耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度、耐磨复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN105711194A CN201610094188.XA CN201610094188A CN105711194A CN 105711194 A CN105711194 A CN 105711194A CN 201610094188 A CN201610094188 A CN 201610094188A CN 105711194 A CN105711194 A CN 105711194A
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刘方毅
王茂坤
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Jiangsu Intco Medical Products Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种高强度、耐磨复合材料，由金属基体、铜粉层和塑料层组成，所述金属基体与所述铜粉层为高温烧结为一体的铜粉板；所述塑料层嵌入在所述铜粉层中，使所述金属基体与所述塑料层紧密的结合在一起；所述塑料层材料成分按质量百分含量为：PEEK(聚醚醚酮)55～70％，PTFE(聚四氟乙烯)10～15％，PI(聚酰亚胺)15～30％，石墨1～2％。本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明的优点是有高强度，耐冲击与耐磨损等特性，绿色环保且无毒。

Description

一种高强度、耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型复合材料，具体是一种具有高强度、耐磨损特性的复合材料。
背景技术
当前，随着航空航天工业、汽车工业、机械工业、医疗机械以及各种传动件的发展，对各类滑板、滑道及连接摩擦部件的要求越来越高。在轮椅调节及运行结构中，不可避免地会产生摩擦与冲击的部位。例如：扶手调节滑块，U形撑底，半折背等。
这些部位往往要求连接紧密，高强度，耐冲击，减摩与耐磨等性能。但实际应用方面，这些部件一般选用金属冷轧钢板，采用冲压与喷塑两种工艺。由于选用的是金属材料，该部件具有良好的强度与承载性，但是连接间隙较大，容易晃动且不耐冲击，不耐磨损；如果选用耐冲击与耐磨的塑料材料，由于连接部件壁厚往往较薄，容易断裂，其强度与承载性达不到要求。而且塑料注塑成型比金属冲压成型复杂，且成本高。所以目前轮椅结构中，大多数采用金属材料的冲压件。
为了解决上述问题，可以将塑料材料与金属基材复合，制成一种高强度，耐冲击与耐磨损的金属塑料复合材料。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的第一目的是提供一种适用于轮椅但不局限于轮椅的高强度，耐冲击与耐磨损的复合材料。
本发明的第二目的是提供该复合材料的制备方法。
本发明复合材料采用的技术方案为：一种高强度、耐磨复合材料，由金属基体、铜粉层和塑料层组成，所述金属基体与所述铜粉层为高温烧结为一体的铜粉板；所述塑料层嵌入在所述铜粉层中，使所述金属基体与所述塑料层紧密的结合在一起；所述塑料层材料成分按质量百分含量为：PEEK(聚醚醚酮)55～70％，PTFE(聚四氟乙烯)10～15％，PI(聚酰亚胺)15～30％，石墨1～2％。
优选，金属基体材料选用SPCC钢板；铜粉层材料选用60～100目球形青铜粉。
优选，PEEK(聚醚醚酮)的粒度为30μm，密度为1.29g/cm3；PTFE(聚四氟乙烯)的粒度为10μm，密度为2.2g/cm3；PI(聚酰亚胺)的粒度为30μm，密度为1.2g/cm3；石墨的粒度为10～30μm。
本发明复合材料的制备方法的技术方案采用如下步骤：
a)选用60～100目球形青铜粉，0.5～3mm壁厚的SPCC钢板，将铜粉铺于钢板上，厚度为0.3～0.4mm，烧结制得复合铜粉板；其中，烧结温度为850～900℃，保温时间30～40分钟，并采用氮气保护；
b)按塑料层的各原料的质量百分含量的配比，将各原料混合均匀并干燥；
c)将步骤a)中的铜粉板放入热压模具的型腔内作为嵌件，再将步骤b)中的塑料层混料均匀平铺在上述的铜粉板上，平铺的厚度为高出铜粉层2～3mm，加压至1～2MPa，型腔升温至320～350℃后保持恒温20～30分钟，然后加压至6～8MPa，并升温至360～375℃后保持恒温30～40分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到100℃左右脱模，既得。
本发明复合材料适用范围广，与原金属冲压件相比更加耐磨、耐冲击，其原因是：
1、本发明铜粉板采用60～100目球形青铜粉烧结铜粉层，其粒径大小均匀且适合塑料层嵌入。更加有益于塑料层成型时流动，提高金属与塑料结合性。
2、本发明复合材料成分中采用的PEEK(聚醚醚酮)具有优异的物理、力学性能，在许多工业领域可以替代金属。PEEK耐高温热性能十分突出，可在250℃下长期使用，瞬间使用温度可达315℃；其刚性大，尺寸稳定性好，线胀系数较小，接近于金属铝材料。PEEK化学稳定性好，对酸、碱及几乎所有的有机溶剂都有很强的抗腐蚀能力，同时具有阻燃、抗辐射等特性。PEEK耐滑动磨损的性能十分优异，尤其是能在250℃下保持高耐磨性和低摩擦因数，并且在较高的交变应力的作用下具有良好的抗疲劳性，PEEK具有极好的阻燃性，其成型加工可分为注塑、挤塑、热模压等。PEEK成型温度为350～380℃，分解温度大于400℃，非常符合本发明复合材料塑料层成分选择和制备工艺的要求。
3、本发明复合材料成分中采用的PTFE(聚四氟乙烯)具有良好的耐高低温性能、化学稳定性和无毒性，极佳的自润滑性和耐磨性。由于PTFE熔融后流动性较差，适合热模压成型。其成型温度为330～380℃之间，分解温度385～400℃，非常符合本发明复合材料塑料层成分选择和制备工艺的要求。
4、本发明复合材料成分采用中的PI(聚酰亚胺)具有抗腐蚀、抗疲劳、耐高温、耐磨损、耐冲击、自润滑等特点。在极广的温度范围内能保持长期的耐蠕变性和耐疲劳性。具有比注塑件更好的致密性，在产品数量不是很多时，更适用于经济灵活的热模压成型。其成型温度为340～380℃之间，分解温度大于400℃，非常符合本发明复合材料塑料层成分选择和制备工艺的要求。
5、本发明复合材料成分中采用石墨作为固体添加剂添加入塑料层中，使得复合材料进一步提升其自润滑性能，具有更好的可塑性和机械性能。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是利用球形青铜粉烧结颈之间的空隙，将金属基体与塑料层紧密的结合在一起，使得复合材料即具备金属材料的高强度性能又有塑料材料耐冲击磨损等的优点。其绿色环保节能，并能在-80～240℃较宽的温度范围内呈现耐磨损、耐冲击且不损伤对偶面。在直径30mm的环形块端面摩擦磨损机测定时：干摩擦条件室温下，转速为0.8m/s，压力为8Mpa，其摩擦系数为0.05～0.15，磨损率为0.5～1.5×10-6mm3/N.m。
附图说明
附图为本发明复合材料的组成结构示意图。
图中所标部位分别为：1、塑料层；2、铜粉层；3、金属基体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如附图所示，一种高强度、耐磨复合材料，自上而下由塑料层1、铜粉层2和金属基体3组成。其中塑料层1材料的各成分质量百分含量为：PEEK(聚醚醚酮)55～70％，PTFE(聚四氟乙烯)10～15％，PI(聚酰亚胺)15～30％，石墨1～2％。金属基体3的材料为SPCC钢，厚度为0.5～3mm。铜粉层2利用铜层颗粒之间的烧结颈空隙将塑料层1与金属基体3结合在一起，塑料层1紧密镶嵌在铜粉层2中。
本发明所用的PEEK(聚醚醚酮)的粒度为30μm，密度为1.29g/cm3；PTFE(聚四氟乙烯)的粒度为10μm，密度为2.2g/cm3；PI(聚酰亚胺)的粒度为30μm，密度为1.2g/cm3；石墨的粒度为10～30μm。
本发明复合材料的具体制备方法如下：首先选用60～100目球形青铜粉，0.5～3mm壁厚SPCC钢板，铜粉层2铺铜粉厚度0.3～0.4mm，烧结温度850～900℃，保温时间30～40分钟，氮气保护，烧结制得复合材料铜粉板。其次将塑料层1的材料各成分按如下质量百分含量混合并干燥：PEEK(聚醚醚酮)55～70％，PTFE(聚四氟乙烯)10～15％，PI(聚酰亚胺)15～30％，石墨1～2％。将制得的铜粉板放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将塑料层1混料平铺在铜粉层2上，平铺的厚度高出铜粉层2～3mm，加压至1～2MPa，型腔升温至320～350℃后保持恒温20～30分钟，之后加压至6～8MPa，并升温至360～375℃后保持恒温30～40分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到100℃左右脱模，即可。
以下，再通过三个实施例，具体说明：
实例1：
按如下步骤制备：
(1)将60～100目球形青铜粉平铺在1.8mm壁厚SPCC钢板上，铺铜粉厚度0.4mm，烧结温度900℃，保温时间30分钟，氮气保护，烧结制得牢固的复合材料铜粉板。
(2)将塑料层的材料各成分按如下质量百分含量混合并干燥：PEEK(聚醚醚酮)65％，PTFE(聚四氟乙烯)10％，PI(聚酰亚胺)24％,石墨1％。
(3)将上诉步骤(1)中的铜粉板放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将上诉步骤(2)中的塑料层混料平铺在铜粉层上，平铺厚度为高出铜粉层2mm，加压至1.5MPa，型腔升温至330℃后保持恒温25分钟，然后加压至7MPa，并升温至360℃后保持恒温35分钟，最后在保压条件下冷却，采用自然冷却方法使模具温度降到100℃左右脱模，即可。
经上述工艺制备的复合材料使用温度为-80～240℃，摩擦系数为0.05～0.11，磨损率为0.5～1.1×10-6mm3/N.m。
实施例2：
(1)将60～100目球形青铜粉平铺在3.0mm壁厚SPCC钢板上，铺铜粉厚度0.3mm，烧结温度880℃，保温时间40分钟，氮气保护，烧结制得牢固的复合材料铜粉板。
(2)将塑料层的材料各成分按如下质量百分含量混合并干燥：PEEK(聚醚醚酮)55％，PTFE(聚四氟乙烯)13％，PI(聚酰亚胺)30％，石墨2％。
(3)将上述步骤(1)中的铜粉板放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将上述步骤(2)中的塑料层混料平铺在铜粉层上，平铺厚度为高出铜粉层2.5mm，加压至2MPa，型腔升温至350℃后保持恒温30分钟，然后加压至8MPa，并升温至375℃后保持恒温40分钟，最后在保压条件下冷却，采用自然冷却方法使模具温度降到100℃左右脱模，即可。
经上述工艺制备的复合材料使用温度为使用温度为-80～240℃，摩擦系数为0.08～0.15，磨损率为0.8～1.5×10-6mm3/N.m。
实施例3：
(1)将60～100目球形青铜粉平铺在0.5mm壁厚SPCC钢板上，铺铜粉厚度0.35mm，烧结温度850℃，保温时间35分钟，氮气保护，烧结制得牢固的复合材料铜粉板。
(2)将塑料层的材料各成分按如下质量百分含量混合并干燥：PEEK(聚醚醚酮)69％，PTFE(聚四氟乙烯)15％，PI(聚酰亚胺)15％，石墨1％。
(3)将上述步骤(1)中的铜粉板放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将上述步骤(2)中的塑料层混料平铺在铜粉层上，平铺厚度为高出铜粉层3mm，加压至1MPa，型腔升温至320℃后保持恒温20分钟，然后加压至6MPa，并升温至370℃后保持恒温30分钟，最后在保压条件下冷却，采用自然冷却方法使模具温度降到100℃左右脱模，即可。
经上述工艺制备的复合材料使用温度为-80～240℃，摩擦系数为0.05～0.12，磨损率为0.5～1.2×10-6mm3/N.m。
实施例4：
(1)将60～100目球形青铜粉平铺在1mm壁厚SPCC钢板上，铺铜粉厚度0.33mm，烧结温度870℃，保温时间35分钟，氮气保护，烧结制得牢固的复合材料铜粉板。
(2)将塑料层的材料各成分按如下质量百分含量混合并干燥：PEEK(聚醚醚酮)70％，PTFE(聚四氟乙烯)14％，PI(聚酰亚胺)14％，石墨2％。
(3)将上述步骤(1)中的铜粉板放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将上述步骤(2)中的塑料层混料平铺在铜粉层上，平铺厚度为高出铜粉层2.7mm，加压至1.3MPa，型腔升温至330℃后保持恒温23分钟，然后加压至6.8MPa，并升温至372℃后保持恒温33分钟，最后在保压条件下冷却，采用自然冷却方法使模具温度降到100℃左右脱模，即可。
经上述工艺制备的复合材料使用温度为-80～240℃，摩擦系数为0.06～0.12，磨损率为0.6～1.2×10-6mm3/N.m。

Claims (4)

1.一种高强度、耐磨复合材料，由金属基体(3)、铜粉层(2)和塑料层(1)组成，其特征是：所述金属基体(3)与所述铜粉层(2)为高温烧结为一体的铜粉板；所述塑料层(1)嵌入在所述铜粉层(2)中，并使所述金属基体(3)与所述塑料层(1)紧密的结合在一起；所述塑料层(1)材料成分按质量百分含量为：PEEK(聚醚醚酮)55～70％，PTFE(聚四氟乙烯)10～15％，PI(聚酰亚胺)15～30％，石墨1～2％。
2.根据权利要求1所述的一种高强度、耐磨复合材料，其特征在于：所述金属基体(3)材料为SPCC钢板；所述铜粉层(2)材料为60～100目球形青铜粉。
3.根据权利要求1所述的一种高强度、耐磨复合材料，其特征在于：所述的PEEK(聚醚醚酮)的粒度为30μm，密度为1.29g/cm3；PTFE(聚四氟乙烯)的粒度为10μm，密度为2.2g/cm3；PI(聚酰亚胺)的粒度为30μm，密度为1.2g/cm3；石墨的粒度为10～30μm。
4.一种如权利要求1-3任一所述的高强度、耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
a)选用60～100目球形青铜粉，0.5～3mm壁厚的SPCC钢板，将铜粉铺于钢板上，厚度为0.3～0.4mm，烧结制得复合铜粉板；其中，烧结温度为850～900℃，保温时间30～40分钟，并采用氮气保护；
b)按所述塑料层的质量百分含量的配比，将各原料混合均匀并干燥；
c)将步骤a)中的铜粉板放入热压模具的型腔内作为嵌件，再将步骤b)中的塑料层混料均匀平铺在上述的铜粉板上，平铺的厚度为高出铜粉层2～3mm，加压至1～2MPa，型腔升温至320～350℃后保持恒温20～30分钟，然后加压至6～8MPa，并升温至360～375℃后保持恒温30～40分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到100℃左右脱模，既得。
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