一種高強度、耐磨復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種新型復合材料，具體是一種具有高強度、耐磨損特性的復合材料。
【背景技術】
[0002]當前，隨著航空航天工業、汽車工業、機械工業、醫療機械以及各種傳動件的發展，對各類滑板、滑道及連接摩擦部件的要求越來越高。在輪椅調節及運行結構中，不可避免地會產生摩擦與沖擊的部位。例如:扶手調節滑塊，U形撐底，半折背等。
[0003]這些部位往往要求連接緊密，高強度，耐沖擊，減摩與耐磨等性能。但實際應用方面，這些部件一般選用金屬冷乳鋼板，采用沖壓與噴塑兩種工藝。由于選用的是金屬材料，該部件具有良好的強度與承載性，但是連接間隙較大，容易晃動且不耐沖擊，不耐磨損;如果選用耐沖擊與耐磨的塑料材料，由于連接部件壁厚往往較薄，容易斷裂，其強度與承載性達不到要求。而且塑料注塑成型比金屬沖壓成型復雜，且成本高。所以目前輪椅結構中，大多數采用金屬材料的沖壓件。
[0004]為了解決上述問題，可以將塑料材料與金屬基材復合，制成一種高強度，耐沖擊與耐磨損的金屬塑料復合材料。
【發明內容】
[0005]發明目的:針對上述問題，本發明的第一目的是提供一種適用于輪椅但不局限于輪椅的高強度，耐沖擊與耐磨損的復合材料。
[0006]本發明的第二目的是提供該復合材料的制備方法。
[0007]本發明復合材料采用的技術方案為:一種高強度、耐磨復合材料，由金屬基體、銅粉層和塑料層組成，所述金屬基體與所述銅粉層為高溫燒結為一體的銅粉板;所述塑料層嵌入在所述銅粉層中，使所述金屬基體與所述塑料層緊密的結合在一起;所述塑料層材料成分按質量百分含量為:PEEK(聚醚醚酮)55?70%，PTFE(聚四氟乙烯)10?15%，PI(聚酰亞胺)15?30%，石墨I?2%。
[0008]優選，金屬基體材料選用SPCC鋼板;銅粉層材料選用60?100目球形青銅粉。
[0009]優選，PEEK(聚醚醚酮)的粒度為30μπι，密度為1.29g/cm3; PTFE (聚四氟乙烯)的粒度為ΙΟμπι，密度為2.2g/cm3;PI(聚酰亞胺)的粒度為30μπι，密度為1.2g/cm3;石墨的粒度為10?30μπιο
[0010]本發明復合材料的制備方法的技術方案采用如下步驟:
[0011 ] a)選用60?100目球形青銅粉，0.5?3mm壁厚的SPCC鋼板，將銅粉鋪于鋼板上，厚度為0.3?0.4mm，燒結制得復合銅粉板;其中，燒結溫度為850?900 °C，保溫時間30?40分鐘，并采用氮氣保護；
[0012]b)按塑料層的各原料的質量百分含量的配比，將各原料混合均勻并干燥；
[0013]c)將步驟a)中的銅粉板放入熱壓模具的型腔內作為嵌件，再將步驟b)中的塑料層混料均勻平鋪在上述的銅粉板上，平鋪的厚度為高出銅粉層2?3mm，加壓至I?2MPa，型腔升溫至320?350 °C后保持恒溫20?30分鐘，然后加壓至6?8MPa，并升溫至360?375 °C后保持恒溫30?40分鐘，最后在保壓條件下冷卻使模具溫度降到100°C左右脫模，既得。
[0014]本發明復合材料適用范圍廣，與原金屬沖壓件相比更加耐磨、耐沖擊，其原因是:
[0015]1、本發明銅粉板采用60?100目球形青銅粉燒結銅粉層，其粒徑大小均勻且適合塑料層嵌入。更加有益于塑料層成型時流動，提高金屬與塑料結合性。
[0016]2、本發明復合材料成分中采用的PEEK(聚醚醚酮)具有優異的物理、力學性能，在許多工業領域可以替代金屬。PEEK耐高溫熱性能十分突出，可在250°C下長期使用，瞬間使用溫度可達315°C;其剛性大，尺寸穩定性好，線脹系數較小，接近于金屬鋁材料。PEEK化學穩定性好，對酸、堿及幾乎所有的有機溶劑都有很強的抗腐蝕能力，同時具有阻燃、抗輻射等特性。PEEK耐滑動磨損的性能十分優異，尤其是能在250°C下保持高耐磨性和低摩擦因數，并且在較高的交變應力的作用下具有良好的抗疲勞性，PEEK具有極好的阻燃性，其成型加工可分為注塑、擠塑、熱模壓等。PEEK成型溫度為350?380 V，分解溫度大于400 V，非常符合本發明復合材料塑料層成分選擇和制備工藝的要求。
[0017]3、本發明復合材料成分中采用的PTFE(聚四氟乙烯)具有良好的耐高低溫性能、化學穩定性和無毒性，極佳的自潤滑性和耐磨性。由于PTFE熔融后流動性較差，適合熱模壓成型。其成型溫度為330?380°C之間，分解溫度385?400°C，非常符合本發明復合材料塑料層成分選擇和制備工藝的要求。
[0018]4、本發明復合材料成分采用中的PI (聚酰亞胺)具有抗腐蝕、抗疲勞、耐高溫、耐磨損、耐沖擊、自潤滑等特點。在極廣的溫度范圍內能保持長期的耐蠕變性和耐疲勞性。具有比注塑件更好的致密性，在產品數量不是很多時，更適用于經濟靈活的熱模壓成型。其成型溫度為340?380°C之間，分解溫度大于400°C，非常符合本發明復合材料塑料層成分選擇和制備工藝的要求。
[0019]5、本發明復合材料成分中采用石墨作為固體添加劑添加入塑料層中，使得復合材料進一步提升其自潤滑性能，具有更好的可塑性和機械性能。
[0020]有益效果:與現有技術相比，本發明的優點是利用球形青銅粉燒結頸之間的空隙，將金屬基體與塑料層緊密的結合在一起，使得復合材料即具備金屬材料的高強度性能又有塑料材料耐沖擊磨損等的優點。其綠色環保節能，并能在-80?240°C較寬的溫度范圍內呈現耐磨損、耐沖擊且不損傷對偶面。在直徑30mm的環形塊端面摩擦磨損機測定時:干摩擦條件室溫下，轉速為0.8m/s，壓力為8Mpa，其摩擦系數為0.05?0.15，磨損率為0.5?1.5 X 10—6mm3/N.m0
【附圖說明】
[0021]附圖為本發明復合材料的組成結構示意圖。
[0022]圖中所標部位分別為:1、塑料層;2、銅粉層;3、金屬基體。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0024]如附圖所示，一種高強度、耐磨復合材料，自上而下由塑料層1、銅粉層2和金屬基體3組成。其中塑料層I材料的各成分質量百分含量為:PEEK(聚醚醚酮)55?70%，PTFE(聚四氟乙烯)10?15%，PI(聚酰亞胺)15?30%，石墨I?2%。金屬基體3的材料為SPCC鋼，厚度為0.5?3mm。銅粉層2利用銅層顆粒之間的燒結頸空隙將塑料層I與金屬基體3結合在一起，塑料層I緊密鑲嵌在銅粉層2中。
[0025]本發明所用的PEEK(聚醚醚酮)的粒度為30μπι，密度為1.29g/cm3;PTFE(聚四氟乙烯)的粒度為lOwn，密度為2.2g/cm3;PI(聚酰亞胺)的粒度為30μπι，密度為1.2g/cm3;石墨的粒度為10?30μηι。
[0026]本發明復合材料的具體制備方法如下:首先選用60?100目球形青銅粉，0.5?3mm壁厚SPCC鋼板，銅粉層2鋪銅粉厚度0.3?0.4mm，燒結溫度850?900°C，保溫時間30?40分鐘，氮氣保護，燒結制得復合材料銅粉板。其次將塑料層I的材料各成分按如下質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(聚酰亞胺)15?30%，石墨I?2%。將制得的銅粉板放入熱壓模具的型腔內作為嵌件，然后將塑料層I混料平鋪在銅粉層2上，平鋪的厚度高出銅粉層2?3mm，加壓至I?2MPa，型腔升溫至320?3500C后保持恒溫20?30分鐘，之后加壓至6?8MPa，并升溫至360?375 °C后保持恒溫30?40分鐘，最后在保壓條件下冷卻使模具溫度降到100°C左右脫模，即可。
[0027]以下，再通過三個實施例，具體說明:
[0028]實例1:
[0029]按如下步驟制備:
[0030](I)將60?100目球形青銅粉平鋪在1.8mm壁厚SPCC鋼板上，鋪銅粉厚度0.4mm，燒結溫度900°C，保溫時間30分鐘，氮氣保護，燒結制得牢固的復合材料銅粉板。
[0031](2)將塑料層的材料各成分按如下質量百分含量混合并干燥:PEEK(聚醚醚酮)65%，PTFE(聚四氟乙烯)10%，PI(聚酰亞胺)24%，石墨1%。
[0032](3)將上訴步驟(I)中的銅粉板放入熱壓模具的型腔內作為嵌件，然后將上訴步驟(2)中的塑料層混料平鋪在銅粉層上，平鋪厚度為高出銅粉層2mm，加壓至1.5MPa，型腔升溫至330°C后保持恒溫25分鐘，然后加壓至7MPa，并升溫至360 V后保持恒溫35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100°C左右脫模，即可。
[0033]經上述工藝制備的復合材料使用溫度為-80?240°C，摩擦系數為0.05?0.11，磨損率為0.5?1.1 X 10—6mm3/N.m。
[0034]實施例2:
[0035](I)將60?100目球形青銅粉平鋪在3.0mm壁厚SPCC鋼板上，鋪銅粉厚度0.3mm，燒結溫度880°C，保溫時間40分鐘，氮氣保護，燒結制得牢固的復合材料銅粉板。
[0036](2)將塑料層的材料各成分按如下質量百分含量混合并干燥:PEEK(聚醚醚酮)55%，PTFE(聚四氟乙烯)13%，PI(聚酰亞胺)30%，石墨2%。
[0037](3)將上述步驟(I)中的銅粉板放入熱壓模具的型腔內作為嵌件，然后將上述步驟(2)中的塑料層混料平鋪在銅粉層上，平鋪厚度為高出銅粉層2.5mm，加壓至2MPa，型腔升溫至350°C后保持恒溫30分鐘，然后加壓至SMPa，并升溫至375°C后保持恒溫40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100°C左右脫模，即可。
[0038]經上述工藝制備的復合材料使用溫度為使用溫度為-80?240°C，摩擦系數為0.08?0.15，磨損率為0.8?1.5X 10—6mm3/N.m0
[0039]實施例3:
[0040](I)將60?100目球形青銅粉平鋪在0.5mm壁厚SPCC鋼板上，鋪銅粉厚度0.35mm，燒結溫度850°C，保溫時間35分鐘，氮氣保護，燒結制得牢固的復合材料銅粉板。
[0041](2)將塑料層的材料各成分按如下質量百分含量混合并干燥:PEEK(聚醚醚酮)69%，PTFE(聚四氟乙烯)15%，PI(聚酰亞胺)15%，石墨1%。
[0042](3)將上述步驟(I)中的銅粉板放入熱壓模具的型腔內作為嵌件，然后將上述步驟(2)中的塑料層混料平鋪在銅粉層上，平鋪厚度為高出銅粉層3mm，加壓至IMPa，型腔升溫至320°C后保持恒溫20分鐘，然后加壓至6MPa，并升溫至370°C后保持恒溫30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100°C左右脫模，即可。
[0043]經上述工藝制備的復合材料使用溫度為-80?240°C，摩擦系數為0.05?0.12，磨損率為0.5?1.2 X 10-6mm3/N.mo
[0044]實施例4:
[0045](I)將60?100目球形青銅粉平鋪在Imm壁厚SPCC鋼板上，鋪銅粉厚度0.33mm，燒結溫度870°C，保溫時間35分鐘，氮氣保護，燒結制得牢固的復合材料銅粉板。
[0046](2)將塑料層的材料各成分按如下質量百分含量混合并干燥:PEEK(聚醚醚酮)70%，PTFE(聚四氟乙烯)14%，PI(聚酰亞胺)14%，石墨2%。
[0047](3)將上述步驟(I)中的銅粉板放入熱壓模具的型腔內作為嵌件，然后將上述步驟
(2)中的塑料層混料平鋪在銅粉層上，平鋪厚度為高出銅粉層2.7mm，加壓至1.3MPa，型腔升溫至330 V后保持恒溫23分鐘，然后加壓至6.SMPa，并升溫至372 °C后保持恒溫33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100°C左右脫模，即可。
[0048]經上述工藝制備的復合材料使用溫度為-80?240°C，摩擦系數為0.06?0.12，磨損率為0.6?1.2X10-6mm3/N.m。
【主權項】
1.一種高強度、耐磨復合材料，由金屬基體(3)、銅粉層(2)和塑料層(I)組成，其特征是:所述金屬基體(3)與所述銅粉層(2)為高溫燒結為一體的銅粉板;所述塑料層(I)嵌入在所述銅粉層(2)中，并使所述金屬基體(3)與所述塑料層(I)緊密的結合在一起;所述塑料層(I)材料成分按質量百分含量為= PEEK(聚醚醚酮)55?70%，PTFE(聚四氟乙烯)10?15%，PI(聚酰亞胺)15?30%，石墨I?2%。2.根據權利要求1所述的一種高強度、耐磨復合材料，其特征在于:所述金屬基體(3)材料為SPCC鋼板;所述銅粉層(2)材料為60?100目球形青銅粉。3.根據權利要求1所述的一種高強度、耐磨復合材料，其特征在于:所述的PEEK(聚醚醚酮)的粒度為30μπι，密度為1.29g/cm3;PTFE(聚四氟乙烯)的粒度為ΙΟμπι，密度為2.2g/cm3;PI(聚酰亞胺)的粒度為30μηι，密度為1.2g/cm3;石墨的粒度為10?30μηι。4.一種如權利要求1-3任一所述的高強度、耐磨復合材料的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: a)選用60?100目球形青銅粉，0.5?3mm壁厚的SPCC鋼板，將銅粉鋪于鋼板上，厚度為0.3?0.4mm，燒結制得復合銅粉板;其中，燒結溫度為850?900°C，保溫時間30?40分鐘，并采用氮氣保護； b)按所述塑料層的質量百分含量的配比，將各原料混合均勻并干燥； c)將步驟a)中的銅粉板放入熱壓模具的型腔內作為嵌件，再將步驟b)中的塑料層混料均勻平鋪在上述的銅粉板上，平鋪的厚度為高出銅粉層2?3mm，加壓至I?2MPa，型腔升溫至320?350 °C后保持恒溫20?30分鐘，然后加壓至6?8MPa，并升溫至360?375°C后保持恒溫30?40分鐘，最后在保壓條件下冷卻使模具溫度降到100°C左右脫模，既得。
【專利摘要】本發明公開了一種高強度、耐磨復合材料，由金屬基體、銅粉層和塑料層組成，所述金屬基體與所述銅粉層為高溫燒結為一體的銅粉板；所述塑料層嵌入在所述銅粉層中，使所述金屬基體與所述塑料層緊密的結合在一起；所述塑料層材料成分按質量百分含量為：PEEK(聚醚醚酮)55～70％，PTFE(聚四氟乙烯)10～15％，PI(聚酰亞胺)15～30％，石墨1～2％。本發明還公開了該復合材料的制備方法。本發明的優點是有高強度，耐沖擊與耐磨損等特性，綠色環保且無毒。
【IPC分類】B32B9/00, B32B27/20, B32B15/085, B32B15/20, B32B37/10, B32B27/32, B32B15/08, B32B27/28, B32B37/06
【公開號】CN105711194
【申請號】CN201610094188
【發明人】劉方毅, 王茂坤, 李進
【申請人】江蘇英科醫療制品有限公司