专利名称：一种金属－塑料复合材料的制作方法
技术领域：
本发明是一种能具有防腐、密封、自润滑等综合性能的金属—塑料复合材料。它适用于飞机、汽车、化学化工设备等有关部件的润滑，尤其适用于中等腐蚀条件及密封条件下有关部件的润滑。
尽管聚四氟乙烯(PTFE)及一些聚合物材料具有良好的自润滑性能，但是其机械强度低、耐磨损性能差、且在外力作用下易产生冷流，因而决定了它们在实际应用中必须填充填料来克服上述缺点。金属—塑料复合材料是一种在摩擦学领域中广泛应用的具有自润滑耐磨性的塑料基复合材料，其基本组成为钢背层、多孔青铜层、PTFE或其它塑料或塑料复合材料层。这种三层构型的金属—塑料复合材料具有良好的机械强度、高耐磨性、易精细机加工、并可克服冷流问题，因而被广泛的应用于润滑及密封等工况条件。从其结构可以看到，钢背起到了提高机械强度并保证了加工性，从而可成型精密尺寸的轴套及垫片等；多孔青铜层是由青铜球粉堆积熔粘构成，它提供了大量的孔洞从而保证了表面塑料层与底材的机械结合强度，在一定磨损条件下该青铜层还相当于一种优良的填料，可提高整体材料的耐磨寿命；表面塑料层是决定复合材料具有自润滑、密封等应用性能的基本因素。金属—塑料复合材料的成型关键，在于多孔青铜层同底材的结合，为达到良好的熔粘效果，传统的工艺是在还原气氛(如氢气)下高温烧结，使铜球表面微熔并相互粘结，在此之前底材还需要进行镀铜处理。而镀铜处理则要求底材最好为碳钢，这样无形中限制了复合材料的底材种类从而大大缩小了金属—塑料复合材料的应用范围。例如，在腐蚀环境中一般来讲不能使用金属—塑料复合材料，因而化工腐蚀设备的润滑问题是一个难点。在氢气气氛下的高温烧结除了极具危险性以外，并使该类材料的成本大大提高，同时金属经过高温处理其强度会因退火或回火而发生极大的变化。所以说改善上述传统成型工艺将有助于该类材料的更广泛的应用。
本发明在于改进金属—塑料复合材料的结构，提供一种金属—塑料自润滑复合材料，从而有效地弥补传统金属—塑料复合材料的不足，并能满足更广泛的工业应用要求，尤其是该类材料可在各种金属或非金属底材上成型，并能在中等腐蚀条件下提供良好的自润滑、动密封等综合性能。
本发明可通过如下措施来实现本发明由金属层、粘结层、增强作用的金属网或非金属网、表面润滑层组成。其中金属层作为底材不仅提供了整体材料的机械强度、还可保证材料尺寸稳定，并为精密机加工提供了充分的条件；粘结层起到底材与表面润滑层的连接作用，在使用过程中可有效的阻止应力的传递，在强剪切力作用下不至于发生断裂；增强网起到了增强表面塑料润滑层的机械强度、均分摩擦应力、减少表面材料的磨失、并能为材料提供一定的弹性，从而可满足特定的使用要求；表面润滑层主要提供材料的润滑、密封等特性，在磨合初期其磨损很大，但很快就会达到平衡，并同增强网一起成为非常耐磨的工作面。
本发明选用的底材主要是各种金属或合金，要求底材能够承受温度为450℃左右的低温热处理。底材厚度可任意选定。
本发明选用的粘结层材料可以是可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚氟乙烯(PVF)、等含氟塑料，当粘结层的厚度为0.1～200μm时具有较高的粘结强度，并保证被粘表面层不需任何化学处理即可成型。
本发明选用的增强层可以是尼龙网、各种纤维网、铜网、铁网、不锈钢网等金属或合金网，网的孔径要求在0.061毫米～1.651毫米之间，最好在0.147毫米左右。该层被机械的嵌于粘结层和表面层之间，从而起到增强的作用。
本发明选用的表面层材料主要是聚四氟乙烯薄膜，或是其它具有类似性质的热塑性高聚物材料，如高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚甲醛等薄膜，还可是上述填充聚合物薄膜，成型本发明材料无需对聚合物进行特殊表面处理。
本发明的具体制备过程如下1.对底材进行机械或化学表面处理，本发明不要求底材具有特定的表面粗糙度，但若要求粘结强度很高时(粘结破坏以内聚破坏为主时)，本发明建议在粗糙的底材上成型本复合材料。实现底材粗糙表面的方法可采用喷砂、机加工或打孔等方法。
2.材料按底材—粘结层—增强网—表面层(—增强网—粘结层—)排列，采用热静压烧结或连续热辊压工艺成型。烧结温度为聚合物成型温度，成型压力为10MPa～100MPa之间。对于热静压烧结来讲还需有10分钟～10个小时的足够的保温时间，从而使烧结充分。
3.样品稍冷即可出炉，便可进行烧结后的处理，如淬火、淬油及完全冷却后的加工。
根据工况条件及本发明要求选择合适的底材，要求底材耐温性要高于表面塑料层材料。
本发明的关键在于选择适合工况条件的增强网、表面层材料及粘结层材料，要求这三种材料具有相同或近似的成型温度。
按本发明制备的产品主要性能可达到如下范围
粘结强度拉伸实验测试粘结破坏为材料(有时是底材的)的内聚破坏。
防腐性能通常为底材或增强网的防腐性能。
密封性能大于等于表面聚合物层的密封性能。
润滑性能与表面聚合物材料或其复合材料相同。
耐磨性能与网增强聚合物材料相同.
从上述结果可见，本发明材料性能可在很宽的范围内选择。因而特别适用于综合性工况条件要求。
图1为本发明材料的断面结构示意图，1为表面层，2为增强网层，3为粘结过渡层，4为底材。
例1底材选用1.5毫米厚不锈钢钢板喷砂处理使其表面粗化；粘结层选用0.2毫米厚可熔性聚四氟乙烯薄膜；选用孔径为0.126毫米的不锈钢网；表面层材料为1毫米厚聚四氟乙烯薄板。按本发明要求将上述材料叠置，先以60MPa的压力预压成型，然后进行热压烧结，其中烧结温度为375℃，压力为40MPa，保温30分钟，冷却后脱模，成型出尺寸极为均匀的聚四氟乙烯基金属-塑料复合材料。性能测试表明该材料达到不锈钢的防腐性能，低速下的摩擦系数为0.06，与纯聚四氟乙烯相同，耐磨性比纯聚四氟乙烯提高两倍以上，粘结剥离强度为20～30公斤/平方厘米，并可加工成轴套和密封垫片等，其密封耐压高于10公斤/平方厘米，该复合材料还可有效的改善聚四氟乙烯在压力作用下的冷流问题，可作为一定条件下的动密封材料。
例2底材选用2.5毫米厚45#碳钢钢板砂纸打磨使其表面粗化；粘结层选用0 1毫米厚聚四氟乙烯生料带；选用孔径为0.175毫米磷青铜网；表面层材料为1毫米厚超高分子量聚乙烯薄板。按本发明要求将上述材料叠置，进行热压烧结，其中烧结温度为300℃，压力为20MPa，保温45分钟，冷却后脱模，成型出尺寸极为均匀的超高分子量聚乙烯基金属-塑料复合材料。性能测试表明该材料具有较高的防腐性能和自润滑性能，柔韧性好，粘结剥离强度为18公斤/平方厘米，可加工成密封垫片，或作为一定条件下的动密封材料。
例3底材选用氧化硅陶瓷喷砂处理使其表面粗化；粘结层选用0.1毫米厚聚全氟乙丙烯；选用孔径为0.147毫米的尼龙网；表面层材料为0.5毫米厚的石墨填充聚甲醛薄膜。按本发明要求将上述材料叠置，并进行烧结、热压，其中烧结温度为175℃，热压压力为50MPa，成型出尺寸极为均匀的石墨填充聚甲醛基金属-塑料复合材料。性能测试表明低速下的摩擦系数为0.10，材料硬度高于纯聚甲醛，耐磨性比纯聚甲醛可提高两倍以上，粘结剥离强度为35公斤/平方厘米，可加工成轴套，该复合材料还可有效的改善聚甲醛的耐压性能，可作为一定条件下的滑动材料。
例4粘结层选用0.05毫米厚聚氟乙烯及聚三氟氯乙烯混合物膜；选用孔径为0.147毫米的磷青铜网；表面层材料为1.5毫米厚的高密度聚乙烯薄膜。按本发明要求在铜底材上成型高密度聚乙烯基金属-塑料复合材料，其中烧结温度为295℃，热压压力为10MPa，保温10分钟。性能测试表明低速下的摩擦系数为0.07，材料硬度高于纯高密度聚乙烯，耐磨性比纯高密度聚乙烯提高六倍以上，粘结剥离强度为35公斤/平方厘米，可加工成轴套。该复合材料还可用于一定条件下的滑动材料。
权利要求
1.一种金属一塑料复合材料，由金属层、粘结层、增强金属或非金属层、表面润滑层组成，其特征是金属层为底层，依次往上是粘结层、增强金属或非金属网、表面润滑层，粘结层的厚度为0.1～200微米。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征是金属层材料为各种金属或合金。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征是粘结层材料为含氟塑料。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征是增强金属或非金属网选用金属网、尼龙网、纤维网等，网的孔径为0.061毫米～1.651毫米。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征是表面润滑层材料选用聚四氟乙烯薄膜，或是其它具有类似性质的聚合物薄膜。
6.一种金属—塑料复合材料的制备方法，包括材料按底材—粘结层—增强金属或非金属网—表面润滑层排列，采用热静压烧结或连续热辊压工艺成型，烧结温度为聚合物的成型温度，成型压力为10MPa～100MPa之间；对于热静压烧结，保温时间为10分钟～10小时。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征是底材耐温性高于表面润滑层材料。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征是选择的增强网、表面润滑层材料及粘结层材料具有相同或近似的成型温度。
全文摘要
本发明是一种具有防腐、密封、自润滑等性能的金属—塑料复合材料。本发明依次由金属底层、粘结层、增强金属网或非金属网、表面润滑层组成,采用热静压烧结或连续热辊压工艺成型。它适用于飞机、汽车、化学化工设备等有关部件的润滑,尤其适用于中等腐蚀及密封条件下有关部件的润滑。
文档编号B32B15/08GK1186017SQ961214
公开日1998年7月1日 申请日期1996年12月24日 优先权日1996年12月24日
发明者阎逢元, 薛群基, 沈维长 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所