本发明提供了一种耐磨自润滑的PES/金属复合材料及其制备方法。
背景技术：
当前，随着航空航天工业、汽车工业、机械工业、食品和制药机械以及各种传动件的发展，对各类轴套、滑板、滑道及摩擦部件的要求越来越高。在机械运行中，经常采用降低摩擦系数和延长设备使用寿命的方法有以下几种：1、在金属瓦与轴的接触面上涂一层润滑油做润滑剂的方法达到降低摩擦系数和延长设备的使用寿命的目的。但设备在高温高压的条件下，在有腐蚀性气体和液体的条件下，在医药、食品、纺织、印刷等忌用润滑油的设备上，金属瓦的使用受到限制，存在磨损快和使用时间短等不足之处。2、采用金属材料作为底材并在金属底材上直接固体润滑剂膏体，这种材料虽然具有结构紧凑、结合牢固、耐温性高、抗极压性和延长摩擦副寿命的优点，但缺陷是制造复杂、摩擦系数不稳定、抗腐蚀性差且裸露的金属层容易划伤对磨面3、采用把PTFE（聚四氟乙烯）覆盖在烧结了青铜丝网的钢板上或覆盖在烧结了青铜粉钢板上的SF-1材料，虽然其具有高械强度、耐热性和自润滑性等优点，但金属与塑料的结合性差且不耐冲击，塑料的蠕变特性会导致金属与塑料间的结合容易剥离，影响了其实际的使用寿命。SF-1材料主要靠铜间的空隙镶嵌和存储塑料润滑材料，首先需烧结多孔青铜中间层，且在烧结青铜多孔层时为防止青铜层的氧化，须进行气体保护；其次多采用浸渍法等方法将塑料层成分加入到空隙中，因此制备工艺繁琐、大大延长了材料制造周期。
技术实现要素：
在本发明的第一个目的是克服上述现有技术的问题，提供一种以PES（聚醚砜）为主的混合塑料与金属牢固结合、耐冲击性好、机械强度高、摩擦系数低且耐磨性能好的PES/金属复合材料。本发明的第二个目的是提供该耐磨自润滑的PES/金属复合材料的制备方法。本发明PES/金属复合材料采用的技术方案是：由金属基体、PES喷涂层和PES塑料层组成，PES喷涂层利用PES的粘性和PES与金属良好的附着力即分子间作用力，通过分子的化学键将金属基体与PES塑料层结合在一起；PES塑料层镶嵌在由喷丸工艺形成的金属基体的凹坑中；PES塑料层材料成分按质量百分含量为；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%，二硫化钼1%。本发明PES/金属复合材料的制备方法采用的技术方案是采用如下步骤：a)在金属基体上进行特定的喷丸加工：选用机械离心式喷丸机，铸钢丸硬度为40～50HRC，直径为0.5～1mm，喷丸速度为50～75m/s，时间为30～45秒；b）去除金属基体表面的油污，灰尘和氧化物，并进行表面磷化处理；c）按质量百分含量的配比，将PES塑料层混合均匀并干燥；d）在金属基体表面粉末喷涂厚度在80～100μm的PES喷涂层；e)将步骤d）中的喷涂金属件放入热压模具的型腔内作为嵌件，再将步骤c）中的PES塑料层混料均匀平铺在PES喷涂层上，平铺的厚度为3～6mm，加压至4～6MPa，以15～20℃/min的速度升温，待温度升至330～340℃后保持恒温25～35分钟，然后加压至10～12MPa，并升温至370～380℃后保持恒温50～70分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度将到130℃左右脱模。本发明在金属基体和PES塑料层间添加一层PES喷涂层，进一步提高了金属与塑料的结合性能，具有良好的耐热性和抗冲击性，对环境无毒无污染，节能且噪音低，并在-50～200℃较宽的温度范围内呈现低摩擦、耐磨损、抗冲击且不损伤对偶面。在MM-200型环块摩擦磨损试验机测定时，转速为300rmp，压力为250N，大气室温下干摩擦，其承载压力为150MPa，使用温度为-50～200℃，摩擦系数为0.07～0.16，磨损率为0.7～2.5×10-6mm3/N.m。本发明复合材料适用范围广，与原金属瓦轴相比可延长摩擦副使用寿命3倍或3倍以上，其原因是：1、本发明PES/金属复合材料成分中采用的PES（聚醚砜）结构规整，具有高耐热性、高强度、高模量、耐冲击、抗蠕变和加工性好等优异的综合性能，还具有绝缘性、耐水解和无毒等特点。PES的尺寸稳定性好，线膨胀系数小，接近于铝材。其模量在-100℃到200℃几乎不变，在低温下仍能保持常温下的冲击性能。长期使用温度达到200℃，在400℃下短时间几乎不分解。PES与铁、铅等金属的附着力好，可加工成超细粉，用于粉末喷涂和液体涂料。但PES的摩擦系数为1.30，远大于PTFE（聚四氟乙烯）的摩擦系数，故在选择PES作为用于减摩耐磨金属塑料复合材料中塑料的基体的前提下还需对PES进行配方设计，以求获得高强度、高模量、耐冲击、抗蠕变和高尺寸稳定性等力学性能和低摩擦，耐磨损等摩擦学性能。2、本发明金属基体采用特定喷丸工艺加工，不仅使PES喷涂层与金属基体表面间的实际面积增加，有利于提高PES喷涂层结合力而且在金属基体表面的形成的凹坑用于塑料与金属的镶嵌，增强了复合材料的结合性能。3、本发明PES/金属复合材料成分采用中的PTFE（聚四氟乙烯）具有良好的耐高低温性能、化学稳定性、自润滑性和耐磨性好，有极低的摩擦系数，静摩擦系数可达0.04，是已知的可实用的滑动材料中摩擦系数最小的。4、本发明PES/金属复合材料成分采用中的LCP（液晶聚合物）具有高强度、高模量、高耐热性和良好的耐摩擦磨损性能，由于高温下熔融后的LCP在聚四氟乙烯基体内沿聚四氟乙烯的空隙向四周迁移流动形成微纤。这些微纤相互连接,在聚四氟乙烯基体内形成致密而均匀的立体网络。这些网络把聚四氟乙烯基体紧紧地包络起来,起到加固作用,故能很好地限制和阻止了聚四氟乙烯的带状磨损,提高了聚四氟乙烯的磨损性能。5、本发明PES/金属复合材料成分采用中的石墨和二硫化钼添加到PES塑料层中，使得复合材料进一步提升其摩擦学性能，具有更好的机械性能，耐压缩抗蠕变，热传导性好。四、附图说明下面结合附图，对本发明作进一步说明。图1是本发明的PES/金属复合材料的组成结构示意图。图中所标部位分别为：1、PES塑料层；2、PES喷涂层；3、金属基体。五、具体实施方式下面结合附图，对本发明的实施方式作进一步说明。如图1所示，PES/金属复合材料自上而下由PES塑料层1、PES喷涂层2和喷丸加工的具有凹坑形貌的金属基体3组成。其中PES塑料层1材料的各成分质量百分含量为：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%，二硫化钼1%。底材金属基体3的材料为25＃钢、铸铁或铝等金属，金属基体3的厚度为3～10mm。PES喷涂层2利用PES的粘性和PES与金属良好的附着力即分子间作用力，通过分子的化学键将金属基体3与PES塑料层1结合在一起；PES塑料层1镶嵌在金属基体3的凹坑中。本发明所用的PES（聚醚砜）的粒度为30μm，密度为2.15g/cm3；PTFE（聚四氟乙烯）的粒度为10μm，密度为2.18g/cm3；LCP（液晶聚合物）的粒度为40μm，密度为1.53g/cm3；石墨的粒度为20～40μm；二硫化钼的粒度为40～60μm。PES/金属复合材料的具体制备方法如下：首先在金属基体3上进行特定喷丸工艺加工：选用机械离心式喷丸机；铸钢丸硬度为40～50HRC，直径为0.5～1mm；喷丸速度为50～75m/s，时间为30～45秒。再将金属基体3表面去除油污，灰尘和氧化物，并进行表面磷化处理，提升金属基体3与PES喷涂层2的结合性能。将PES塑料层1的材料各成分按如下质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%，二硫化钼1%。通过静电粉末喷涂机向之前加工过后金属基体3表面喷涂厚度在80～100μm的PES喷涂层2。将得到的喷涂金属件放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将制得的PES塑料层1混料平铺在PES喷涂层2上，平铺厚度为3～6mm，加压至4～6MPa，以15～20℃/min的速度升温，待温度升至330～340℃后保持恒温25～35分钟，然后加压至10～12MPa，并升温至370～380℃后保持恒温50～70分钟，最后在保压条件下冷却使模具温度降到130℃左右脱模即可。以下通过3个实施例再具体说明本发明：实施例1按如下步骤制备：（1）按照设定的喷丸工艺：铸钢丸硬度为40HRC，直径为0.5mm；喷丸速度为50m/s，时间为35秒。通过机械离心式喷丸机在金属基体3上进行喷丸加工；（2）将金属基体3表面去除油污，灰尘和氧化物，并进行表面磷化处理，提升金属基体3与PES喷涂层2的结合性能。（3）将PES塑料层1的材料各成分按如下质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%，二硫化钼1%。（4）通过静电粉末喷涂机，向经过上述（1）、（2）加工过后的金属基体3表面喷涂厚度在80μm的PES喷涂层2。（5）将上诉（4）的PES喷涂金属件喷涂件放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将上诉（3）中的PES塑料层1混料平铺在PES喷涂层2上，平铺厚度为4mm，加压至4MPa，以15℃/min的速度升温，待温度升至330℃后保持恒温25分钟，然后加压至10MPa，并升温至380℃后保持恒温50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130℃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-50～220℃，摩擦系数为0.07～0.11，磨损率为0.8～1.3×10-6mm3/N.m。实施例2按如下步骤制备：（1）按照设定的喷丸工艺：铸钢丸硬度为45HRC，直径为0.8mm；喷丸速度为60m/s，时间为30秒。通过机械离心式喷丸机在金属基体3上进行喷丸加工；（2）将金属基体3表面去除油污，灰尘和氧化物，并进行表面磷化处理，提升金属基体3与PES喷涂层2的结合性能。（3）将PES塑料层1的材料各成分按如下质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%，二硫化钼1%。（4）通过静电粉末喷涂机，向经过上述（1）、（2）加工过后的金属基体3表面喷涂厚度在90μm的PES喷涂层2。（5）将上诉（4）的PES喷涂金属件喷涂件放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将上诉（3）中的PES塑料层1混料平铺在PES喷涂层2上，平铺厚度为5mm，加压至5MPa，以18℃/min的速度升温，待温度升至340℃后保持恒温30分钟，然后加压至12MPa，并升温至380℃后保持恒温60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130℃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-50～220℃，摩擦系数为0.09～0.13，磨损率为1.0～1.8×10-6mm3/N.m。实施例3按如下步骤制备：（1）按照设定的喷丸工艺：铸钢丸硬度为50HRC，直径为1mm；喷丸速度为75m/s，时间为45秒。通过机械离心式喷丸机在金属基体3上进行喷丸加工；（2）将金属基体3表面去除油污，灰尘和氧化物，并进行表面磷化处理，提升金属基体3与PES喷涂层2的结合性能。（3）将PES塑料层1的材料各成分按如下质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%，二硫化钼1%。（4）通过静电粉末喷涂机，向经过上述（1）、（2）加工过后的金属基体3表面喷涂厚度在100μm的PES喷涂层2。（5）将上诉（4）的PES喷涂金属件喷涂件放入热压模具的型腔内作为嵌件，然后将上诉（3）中的PES塑料层1混料平铺在PES喷涂层2上，平铺厚度为6mm，加压至6MPa，以20℃/min的速度升温，待温度升至340℃后保持恒温35分钟，然后加压至12MPa，并升温至380℃后保持恒温65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130℃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-50～220℃，摩擦系数为0.12～0.16，磨损率为1.8～2.4×10-6mm3/N.m。