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CN118008946A - 一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承及其制备方法，该复合滑动轴承包括金属轴承壳体与聚醚醚酮填充物，采用热模压工艺一体成型。具体是在一定压力下，利用聚醚醚酮填充物在熔融过程中良好的流动性，从而填充金属轴承壳体的预留空间，以燕尾槽与金属紧密结合。本发明所述轴承在高温燃油下具有良好的稳定性，聚合物/金属异质界面结合紧密，长周期服役后无气泡、空穴、裂纹及剥离等现象，同时摩擦系数与磨损率较低，特别适用于高温燃油工况下服役的轴承部件，也可推广应用为其它高温介质下服役的轴承部件。

Description

一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种聚合物/金属复合轴承，具体是一种聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承，主要用于高温燃油中服役的轴承部件，属于轴承领域。
背景技术
在航空发动机等高温燃油工况中服役轴承的材质主要为铜合金，表面涂覆有润滑涂层。然而实际应用经验表明，铜合金轴承并不能完全满足应用需求，突出体现在：一方面，金属摩擦部件铜合金轴承自重极大，密度约为8.9g/cm3，不符合轻量化设计要求与发展趋势。另一方面，燃油是低粘度流体介质，润滑性极差，铜合金在燃油介质中难以实现有效的流体润滑，因此必须通过表面涂覆树脂自润滑层以克服润滑带来的摩擦磨损问题，但是在130℃以上的高温燃油工况下，滑动轴承表面涂覆的自润滑涂层极易脱落，易造成轴承剧烈磨损甚至卡滞，严重影响燃油泵的服役可靠性与寿命。同时，航空煤油对金属材料具有一定的腐蚀性，腐蚀与磨损的耦合将进一步加速摩擦配副材料的失效。国外的一些研究已经表明：腐蚀磨损是导致燃油泵摩擦部件失效的重要因素。
以聚醚醚酮为代表热塑性聚合物在高温燃油中具有良好的摩擦磨损性能，但其力学强度也不足以完全满足轴承工况需求。因此，将聚合物与金属复合起来，利用金属的高强度来承受设计载荷，而以聚合物作为摩擦材料是一种可行方法。然而，现有技术主要通过聚合物与金属部件的分别加工再进行装配或粘接进行复合。然而装配工艺难以实现聚合物与金属的紧密贴合，总是存在或大或小的间隙；而粘接工艺与此类似，粘接剂在高温下往往脱粘失效。更为严重的是，无论是装配技术，还是粘接技术，仅适用规则平面或圆柱、立方体等简单结构，都难以实现聚合物与金属通过复杂嵌合结构进行锚定，往往导致聚合物/金属异质界面在剪切应力与摩擦热耦合作用下发生损伤破坏。
为此，迫切需要开发一种实现聚合物/金属复合轴承，从而分别发挥金属高强承压、聚合物轻质耐磨的特性，实现聚合物与金属的紧密结合，在高温燃油工况下起到良好的润滑效果。
发明内容
本发明目的在于公开一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承及其制备方法，通过聚合物的引入与组分设计，提升轴承摩擦磨损性能，并取得显著的轻量化优势；采用一体化模压成型工艺，利用聚合物材料在高温熔融状态下的流动性充分填充金属轴承壳体的设计空余结构，从而实现聚合物与金属以复杂结构紧密结合，在高环境温度、摩擦热与剪切应力下保持良好的摩擦磨损性能。
一、聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的制备
如图1所示，一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承，包括金属轴承壳体，所述金属轴承壳体呈环形，金属轴承壳体的环形面上均匀开设有多个的燕尾槽，燕尾槽数目为3~12个，占据环形面总面积的10%~90%；燕尾槽内填充有聚醚醚酮复合材料，所述聚醚醚酮复合材料采用热模压工艺与金属轴承壳体一体成型。
所述金属轴承壳体为纯铝、纯钛、铝硅合金、铝镁合金、铝锰合金、铝青铜合金、钛合金中的一种，密度2.5~5.0 g/cm3，热变形温度380~900℃。
所述聚醚醚酮复合材料包含以下质量组分的原料：聚醚醚酮树脂50~93份，碳纤维5~40份，耐磨填料0.5~10份。
所述聚醚醚酮树脂密度为1.20~1.35g/cm3，熔体流动速率5~20cm3/10min。
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，直径6.5~8.9μm，长径比3~50。
所述耐磨填料为氧化铝、氧化铜、石墨、二硫化钼、二氧化硅、聚酰亚胺、聚四氟乙烯中的一种或多种，尺寸0.05~200μm。
耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的制备方法，先将金属轴承壳体放置于模具底侧中心，随后将聚醚醚酮树脂、碳纤维和耐磨填料混合均匀后铺展于金属轴承壳体中，随后在温度360~390℃、压力0.01~0.5MPa/mm压力下烧结30~300min后，以0.1~2℃/min速率冷却后脱模，即得到耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承。
二、聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的性能
1.密度测试
按照标准GB/T 1033.1-2008《塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》，采用排水法测复合轴承密度。试验测定，聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的密度为1.45~3.90g/cm3。
2.摩擦磨损性能
按照标准GB/T 35083.2-2018《滑动轴承轴承材料摩擦学特性》规定的试验方法C进行试验，以内圈聚合物填充物为试验面。试验介质为燃油，满足标准GB6537-2006。试验测定，聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的摩擦系数为0.02~0.09，磨损率为(1.4~2.0)×10- 8mm3/Nm。
3.耐燃油老化性能
参考GB/T 11547-2008《塑料耐液体化学试剂性能的测定》，将轴承样件在130℃航空燃油环境下连续浸泡500小时，再进行第2项摩擦磨损性能试验。试验测定在高温燃油长周期老化后，聚合物/金属轻质一体复合轴承的摩擦系数为0.03~0.09，磨损率为(1.7~2.5)×10-8mm3/Nm。
综上，本发明聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承采用热模压工艺一体成型，利用压力下聚醚醚酮填充物在熔融过程中良好流动性填充金属轴承壳体的预留空间，以多个燕尾槽与金属紧密结合。通过聚醚醚酮复合材料的引入与组分设计，提升摩擦磨损性能并取得显著的轻量化优势；采用一体化模压成型工艺，将聚合物与金属以复杂嵌合结构紧密结合，在高环境温度、摩擦热与剪切应力下保持良好的摩擦磨损性能。本发明所述轴承在高温燃油下具有良好的稳定性，聚合物/金属异质界面结合紧密，长周期服役后无气泡、空穴、裂纹及剥离等现象，同时摩擦系数与磨损率较低，特别适用于高温燃油工况下服役的轴承部件，也可推广应用为其它高温介质下服役的轴承部件。
附图说明
图1为本发明耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的结构示意图。
图2为本发明实施例1~3的设计图、实物图及聚合物/金属异质界面结合情况图。
具体实施方式
下面结合附图2和具体实施例对本发明做进一步的解释说明。
实施例1
将开有3个燕尾槽（占据面积30%）的铝合金轴承壳体（密度2.6g/cm3，热变形温度450℃）放置于模具底侧中心。随后将500g聚醚醚酮树脂（密度1.32g/cm3，熔体流动速率7cm3/10min），400g碳纤维（直径6.5~8.9μm，长径比3~50），50g氧化铝（尺寸0.08μm）混合后，取350g混合物料均匀铺展于铝合金轴承壳体中，在温度375℃、压力0.02 MPa/mm压力下烧结120min后，以1℃/min的冷却速率慢速冷却脱模后，即得到耐高温燃油的聚合物/金属一体复合滑动轴承。随后，对应主轴尺寸，机加工出相配合的轴孔后即可投入使用。
经测试，实施例1所得轴承密度为1.9g/cm3，摩擦系数为0.02，磨损率为1.7×10- 8mm3/Nm；经燃油高温燃油老化后，摩擦系数为0.02，磨损率为2.0×10-8mm3/Nm。
实施例2
将开有8个燕尾槽（占据面积59%）的钛合金轴承壳体（密度4.4g/cm3，热变形温度400℃）放置于模具底侧中心。随后将650g聚醚醚酮树脂（密度1.28g/cm3，熔体流动速率20cm3/10min），320g碳纤维（直径6.5~8.9μm，长径比3~50），30g二氧化硅（尺寸0.05μm）混合后，取370g混合物料后均匀铺展于钛合金轴承壳体中，在温度380℃、压力0.01MPa/mm压力下烧结100min后，以0.5℃/min的冷却速率慢速冷却脱模后，即得到耐高温燃油的聚合物/金属一体复合轴承。随后，对应主轴尺寸，机加工出相配合的轴孔后即可投入使用。
经测试，实施例2所得轴承密度为3.10g/cm3，摩擦系数为0.07，磨损率为2.0×10- 8mm3/Nm；经燃油高温燃油老化后，摩擦系数为0.09，磨损率为2.5×10-8mm3/Nm。
实施例3
将开有8个燕尾槽（占据面积70%）的铝轴承壳体（密度2.7g/cm3，热变形温度400℃）放置于模具底侧中心。随后将750g聚醚醚酮树脂（密度1.35cm3，熔体流动速率12cm3/10min），200g碳纤维（直径6.5~8.9μm，长径比3~50），50g石墨（尺寸80μm）混合后，取360g混合物料后均匀铺展于铝轴承壳体中，在温度370℃、压力0.02MPa/mm压力下烧结240min后，以1.5℃/min的冷却速率慢速冷却脱模后，即得到耐高温燃油的聚合物/金属轻质一体复合轴承。随后，对应主轴尺寸，机加工出相配合的轴孔后即可投入使用。
经测试，实施例3所得轴承密度为2.5g/cm3，摩擦系数为0.06，磨损率为1.5×10- 8mm3/Nm；经燃油高温燃油老化后，摩擦系数为0.07，磨损率为2.1×10-8mm3/Nm。

Claims (7)

1.一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承，其特征在于，包括金属轴承壳体，所述金属轴承壳体呈环形，金属轴承壳体的环形面上均匀开设有多个的燕尾槽，燕尾槽内填充有聚醚醚酮复合材料，所述聚醚醚酮复合材料采用热模压工艺与金属轴承壳体一体成型；
所述金属轴承壳体为纯铝、纯钛、铝硅合金、铝镁合金、铝锰合金、铝青铜合金、钛合金中的一种，密度2.5~5.0 g/cm3，热变形温度380~900℃；
所述聚醚醚酮复合材料包含以下质量组分的原料：聚醚醚酮树脂50~93份，碳纤维5~40份，耐磨填料0.5~10份。
2.如权利要求1所述一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承，其特征在于，所述金属轴承壳体的环形面上开有燕尾槽数目为3~12个，占据环形面总面积的10%~90%。
3.如权利要求1所述一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承，其特征在于，所述聚醚醚酮树脂密度为1.20~1.35g/cm3，熔体流动速率5~20cm3/10min。
4.如权利要求1所述一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，直径6.5~8.9μm，长径比3~50。
5.如权利要求1所述一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承，其特征在于，所述耐磨填料为氧化铝、氧化铜、石墨、二硫化钼、二氧化硅、聚酰亚胺、聚四氟乙烯中的一种或多种，尺寸0.05~200μm。
6.一种如权利要求1所述耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的制备方法，其特征在于，先将金属轴承壳体放置于模具底侧中心，随后将聚醚醚酮树脂、碳纤维和耐磨填料混合均匀后铺展于模具中，并填充金属轴承壳体预留孔隙，随后在温度360~390℃、压力0.01~0.5MPa/mm压力下烧结30~300min后，冷却脱模，即得到耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承。
7.如权利要求6所述一种耐高温燃油的聚醚醚酮/金属一体复合滑动轴承的制备方法，其特征在于，所述冷却速率为0.1~2℃/min。
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