用于軸承和其他應用中的高強度的低摩擦的工程材料的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2012年11月20日提交的序列號為No. 61/728,315的美國臨時專 利申請和2013年4月24日提交的序列號為No. 61/815,480的美國臨時專利申請的權益， 其通過引用整體合并入此處。
技術領域
[0003] 本發明大體涉及工程材料，更具體地涉及高強度的低摩擦的材料及其形成方法。
【背景技術】
[0004] 聚合物材料在兩個表面相會并需要配合的很多應用中是非常有用的，諸如軸承， 墊片，密封件，雨刮器及其類似應用。在任何磨損、缺陷或意外的條件下，聚合物材料提供良 好的一致性，還提供低摩擦以允許這兩個表面在小外力和極低熱量的情況下相對滑動。通 過聚合物材料提供的另一個優點是耐腐蝕性。然而，聚合物材料的強度相對于金屬來說比 較低，因此，在外加負載變得極端的應用中，諸如汽車軸承中，塑料材料的使用受到限制。
【發明內容】
[0005] 本發明的一個方面提供一種工程材料，包括由金屬形成的微格和設置在金屬微格 的間隙中的低摩擦材料。該低摩擦材料的摩擦系數小于金屬微格的摩擦系數。
[0006] 本發明的另一個方面提供一種形成工程材料的方法。該方法包括形成金屬微格， 并且在該金屬微格的間隙中設置低摩擦材料。
[0007] 該工程材料同時提供金屬和塑料兩者的優點。相對于相同應用中所使用的傳統的 產品，該金屬微格提供足夠的強度以承受外加負載而僅需要相對少量的金屬。因此，與傳統 的產品相比，該工程材料的制造更為經濟。同時，該低摩擦材料提供一致性和低摩擦。當該 低摩擦材料包括聚合物時，其還提供耐腐蝕性并允許在小外力和低熱量的情況下相對另一 表面滑動。
[0008] 本發明的另一個方面提供一種由工程材料形成的軸承，以及形成包括該工程材料 的軸承的方法。該工程材料可連接或結合至另一固體結構，例如軸承的青銅或鋼襯墊。然 而，該工程材料還具有足夠的強度以獨立存在。因此，由工程材料形成的軸承可以利用少量 金屬支撐外加負載，因此相對于傳統軸承來說成本低廉。另外，大量的低摩擦材料在高速和 啟停應用中運行良好，不需要100 %聚合物涂層，并且還允許軸承在不損失性能的情況下被 加工。
【附圖說明】
[0009] 結合附圖，參考以下詳細描述將更為容易理解本發明的其他優點，其中：
[0010] 圖1是根據本發明的一個典型的實施例的工程材料的放大圖，該工程材料包括金 屬微格和低摩擦材料；
[0011] 圖1A是圖1的工程材料的局部的放大的剖視圖；
[0012] 圖2是根據本發明的一個典型的實施例的包括工程材料的軸承的示意圖；
[0013] 圖3示出了根據本發明的一個典型的實施例的形成工程材料的方法；
[0014]圖4給出了形成模板聚合物微格的步驟；
[0015]圖5示出了由圖4的步驟形成的三個典型的模板聚合物微格；
[0016]圖6是由圖4的步驟形成的模板聚合物微格的放大圖；以及
[0017]圖7給出了根據一個典型的實施例的在應用低摩擦材料之前的金屬微格。
【具體實施方式】
[0018] 參考附圖，這些附圖中的相似的附圖標記指示相應的部件，提供高強度和低摩擦 的工程材料20大體如圖1所示。該工程材料20可被用在需要高強度和/或低摩擦的各種 各樣的應用，包括汽車應用和非汽車應用。該工程材料20包括金屬微格（microlattice) 22 和低摩擦材料24,該金屬微格22提供強度以承受外加負載，該低摩擦材料24設置在金屬微 格22的間隙26中以提供一致性，低摩擦和耐腐蝕性。
[0019] 該金屬微格22由金屬形成，該金屬可以是任何類型的金屬或金屬合金，該金屬或 金屬合金提供足夠的強度以承受該工程材料20應用中所遭遇的負載。在一個典型的實施 例中，該工程材料20被設計為提供汽車軸承30的滑動表面28,如圖2所示，而且該金屬微 格22由鎳或鎳合金形成。相對于較輕負載位置，金屬微格22在高負載位置可被設計為具 有高百分比的金屬。金屬微格22可包括單層32金屬，或多層32金屬，例如鎳，銅和錫的多 層32。該多層32可具有彼此相同的組成或不同的組成。在一個實施例中，當該層32具有 不同的金屬組成時，該金屬多層32被鑄在一起形成合金，例如通過熱處理過程。
[0020] 如圖1所示，該工程材料20的金屬微格22包括多個彼此互相連接的支桿34并形 成多個間隙26。基于金屬微格22和間隙26的總體積，金屬微格22通常占約5-25體積％， 間隙26占約75-95體積％。在該典型的實施例中，基于金屬微格22和間隙26的總體積， 該金屬微格22占85體積％，該間隙26占15體積％。在應用低摩擦材料24之前，間隙26 中充滿空氣，因此該金屬微格22的重量是非常輕的并表現為類似彈性體。例如，當壓縮時， 該金屬微格22幾乎完全恢復其初始形狀。
[0021] 金屬微格22的每個支桿34通常被設置為相對于水平面呈50° -90°的角度，并 具有微米級的直徑D。在該典型的實施例中，每個支桿34的直徑D為約50微米。如圖1A 所示，每個支桿34包括圍繞中心軸的壁并形成開口 38,該開口可能是中空的或可選地填充 有模板聚合物。圍繞該中空開口 38的壁厚t可以是微米級的任意厚度t，例如5-20微米。 在該典型的實施例中，該壁厚t為約15微米。該金屬微格22可包括二維或三維的結構。在 一個實施例中，該金屬微格22包括三維結構并形成100ym-5cm的總厚度。
[0022] 該低摩擦材料24優選填充間隙26的100體積％。該低摩擦材料24的摩擦系數 低于金屬微格22的摩擦系數，該低摩擦材料24可包括各種各樣的不同材料。在該典型的 實施例中，該低摩擦材料24是聚合物基材料，該聚合物基材料包括聚四氟乙烯（PTFE)，聚 酰胺（PAI)，聚醚醚酮（PEEK)，聚乙烯（PE)和聚甲醛（P0M)中的至少一種。該低摩擦材料 24可選地由錫，鉛，鉍或其合金形成。在一個實施例中，該低摩擦材料24包括選自由陶瓷， 諸如氧化物，氮化物，磷化物和碳化物；石墨；氮化硼；二硫化鉬；銅和銀組成的組中的微 粒。例如，出于耐磨性的目的可以添加硬微粒，潤滑微粒可被進一步添加以減小摩擦。該 微粒還可包括抗菌添加劑，諸如Cu和/或Ag。市場上可買到的低摩擦材料24的例子包括 GLYCODUR\G-92^PIR〇Xli0
[0023] 基于金屬微格22和低摩擦材料24的組合總體積，該工程材料20包括占0.5體 積％ -90體積％的金屬微格22和占10體積％ -99. 5體積％的低摩擦材料24。然而，低摩 擦材料24相對于金屬微格22的量可以根據應用和所需性能進行變化。在該典型的實施例 中，基于金屬微格22和低摩擦材料24的總體積，該工程材料20包括占10體積％ -50體 積％的金屬微格22和占50體積％ -90體積％的低摩擦材料24。
[0024] 該工程材料20同時提供金屬和塑料兩者的優點。相對于相同應用中所使用的傳 統的產品，該金屬微格22提供足夠的強度以承受外加負載而僅需要相對少量的金屬。因 此，與相當的傳統的產品相比，該工程材料20的制造更為經濟。同時，該低摩擦材料24提 供一致性和低摩擦。當該低摩擦材料24包括聚合物時，其還提供耐腐蝕性并允許在小外力 和低熱量的情況下相對另一表面滑動。
[0025] 多種多樣的所需性能可以通過調節金屬和低摩擦材料24的組成，以及金屬微格 22的設計來實現。此外，該工程材料20可連接或結合至另一固體結構，例如軸承30的青銅 或鋼襯墊40。然而，該工程材料20通常具有足夠的強度以獨立存在。該工程材料20對于 軸承應用來說特別有用，因為金屬微格22利用少量金屬支撐外加負載，因此相對于傳統軸 承來說具有較低的成本。另外，大量的低摩擦材料24在高速和啟停應用中運行良好，不需 要100%聚合物涂層，并且還允許軸承30在不損失性能的情況下被加工。
[0026] 本發明的另一個方面提供一種通過形成金屬微格，然后在金屬微格22的間隙26 中設置低摩擦材料24形成工程材料20的方法。圖3給出了根據本發明的典型的實施例的 方法步驟。
[0027] 形成該工程材料20的方法首先包括制備具有預設結構的模板聚合物微格42,該 預設結構將會提供最終的金屬微格22的結構。該模板聚合物微格42優選由紫外線（UV) 光固化樹脂形成，也被稱為負光阻的光反應單體（photomonomer)。在該典型的實施例中， 如圖4所示，提供容納液態的UV光固化樹脂的容器44,并且在容器44的上方設置穿孔的 罩體46。該方法接下來包括使得紫外光36的多光束穿過該穿孔的罩體46并進入容器44。 根據想要形成的模板聚合物微格42的所需的結構，該紫外光36沿著預定的路徑行進。該 紫外光36然后沿著既定的路徑將液態的UV光固化樹脂從UV-不透明轉變為UV-透明，并 使得液態的單體轉變為固態的聚合物。該紫外光束36還可以沿著該固態的聚合物更深地 進入該容器44內。光束36下方的沿著光束36的剩余的液態的單體隨后繼續轉變為固態 的聚合物，導致自動傳輸的波導的形成。通過在不同的交叉角度調整該紫外光束36,形成多 個互相連接的固態的聚合物纖維48,這些纖維一起形成該模板聚合物微格42。該制備模板 聚合物微格42的步驟是一個連續的過程，其速率為大于每分鐘1mm2。
[0028] 圖5給出了通過該典型的方法形成的模板聚合物微格42的例子設計，圖6是根據 一個典型的實施例的三維的模板聚合物微格42的放大圖。通常，該模板聚合物微格42的 每個固態的聚合物纖維48相對于水平面呈50° -90°的角度延伸。該固態的聚合物纖維 48彼此間隔開，并因此在其間提供多個間隙26。根據所需應用和需要性能，該模板聚合物 微格42可包括二維或三維結構。根據所需應用和性能，該模板聚合物微格42也可形成或 彎曲成各種不同的形狀。
[0029] 該方法接下來包括利用金屬涂