本发明涉及电机转轴领域，具体地说，是一种电机转轴复合材料及其制备方法。
背景技术：
转轴是保证电机正常运行的关键基础件，其技术性能真接决定着电机的可靠性、使用寿命和工作作效率，在工业发展进程中一直发挥着重要作用。随着环境保护要求的不断提高，工业设备对于润滑油脂的泄漏限制日渐苛刻，无油自润滑转轴因此受到广泛青睐。另外由于金属转轴工艺复杂、耗能高，需要一种新型电机转轴替代金属转轴。
塑料具有优良的自润滑性、耐磨性、低摩擦系数和特殊的抗咬合性，即使在润滑条件不良的情况下也能正常工作。塑料取代金属作为转轴材料的优点是：摩擦系数小，耐磨性好，具有自润滑性能和良好的耐腐蚀性能，可以在润滑条件恶劣的情况下工作，同时还具有消除噪音的作用，且生产效率高。其缺点是：受热、受冷以及吸水、吸油后尺寸变化大，耐热性差，散热慢，变形后易引起“抱轴咬死”现象，且具有蠕变性。
聚四氟乙烯(PTFE)是一种性能优异的固体自润滑材料，具有极低的摩擦因数、良好的化学稳定性及热稳定性，广泛应用于各行各业。但纯PTFE的硬度低、耐磨性较差、机械强度低，在外力作用下有较大的粘弹性变形，易蠕变等，这些缺点限制了PTFE的应用，对此，科研人员进行了大量的研究。在中国发明专利CN 103351599 B中公开了一种抗老化的PPO-PTFE合金，可用于刚性大、强度高、尺寸稳定性好、润滑性能优良的轴承制作，但由于PPO、PTFE树脂的导热效果差，在轴承长时间运转后会由于散热不好导致轴承变形。申请号为CN 104262872 A的发明专利公开了一种轴承用复合材料，该材料以聚四氟乙烯为载体，通过与石墨、铜粉、玻纤、碳纤维复合获得，可用于高速轻载轴承等。该复合材料中加入了15-18重量份的铜粉，这可以提高复合材料的导热性，但铜粉的加入增大了复合材料的比重，且长期运转后铜粉容易剥落，残留在轴承缝隙中，导致轴承磨损严重。
目前塑料电机转轴材料或多或少有以下不足：(1)比重大；(2)导热性差使电机转轴高速运转时强度下降；(3)不耐磨，使用周期短，这些导致塑料难以在电机转轴领域广泛应用。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种电机转轴复合材料及其制备方法，以解决现有技术的不足，使得电机转轴具有重量轻、强度高、耐磨擦、耐腐蚀的性能。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种电机转轴复合材料的原料以重量份计由下列组分组成54.5～67.8份聚四氟乙烯、20～25份聚甲醛、9～15份改性纳米氧化铝、3～5份石墨烯以及0.2～0.5份光引发剂。
根据本发明的实施例，所述光引发剂选自2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮中的一种。
根据本发明的实施例，聚四氟乙烯平均粒径20～25微米，分子量5万～6万。
根据本发明的实施例，聚甲醛平均粒径为30～40微米，分子量为7万～8万。
根据本发明的实施例，改性纳米氧化铝是通过甲基丙烯酸甲酯进行改性的的纳米氧化铝，改性纳米氧化铝粒径20～30纳米。
一种电机转轴的制备方法，包括步骤：
(a)将相应重量份的聚四氟乙烯、聚甲醛、改性纳米氧化铝、石墨烯、光引发剂加入到300重量份的水中，搅拌混合均匀的，得到混合溶液A；
(b)将混合溶液在240～330nm的光波下照射，时间30～40分钟，得到光辐照的混合溶液B；
(c)加热至110℃，脱除混合溶液B中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(d)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度300℃～305℃、压力5MPa～6MPa、时间20min～25min；以及
(e)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
进一步地，所述步骤(a)中的改性纳米氧化铝的制备方法，包括步骤：
(a1)取100重量份的纳米氧化铝加入500重量份的水中，搅拌分散至无沉淀残留；以及
(a2)加入17重量份的甲基丙烯酸甲酯，搅拌15～20分钟并加热至110℃，脱除水分，得到表面带有甲基丙烯酸甲酯的改性纳米氧化铝。
本发明同现有技术相比，主要具有以下优点和有益效果：
1、采用聚四氟乙烯作为电机转轴材料，可以使转轴具有耐腐蚀、自润滑性，无需外加润滑剂；交联反应使聚四氟乙烯成为网状连续相，以刚性聚甲醛作为非连续相支撑体，综合作用提高转轴的强度、耐磨性和抗蠕变性；
2、将改性氧化铝通过引发剂接到聚四氟乙烯分子链上，直接提高聚四氟乙烯的耐磨性，通过与聚甲醛、石墨烯共同作用，进一步提高了电机转轴的耐磨性；
3、采用石墨烯作为导热填料，与金属粉末相比具有比重小、导热效率高的优点；
4、本明中未采用金属粉末等大比重填料，使得电机转轴整体重量小。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
一种电机转轴复合材料的原料以重量份计由下列组分组成54.5～67.8份聚四氟乙烯、20～25份聚甲醛、9～15份改性纳米氧化铝、3～5份石墨烯以及0.2～0.5份光引发剂。
改性纳米氧化铝的制备方法，包括步骤：
(1)取100重量份的纳米氧化铝加入500重量份的水中，搅拌分散至无沉淀残留；以及
(2)加入17重量份的甲基丙烯酸甲酯，搅拌15～20分钟并加热至110℃，脱除水分，得到表面带有甲基丙烯酸甲酯的纳米氧化铝。
一种电机转轴的制备方法，包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、聚甲醛、改性纳米氧化铝、石墨烯、光引发剂加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240～330nm的光波下照射，时间30～40分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度300℃～305℃、压力5MPa～6MPa、时间20min～25min；以及
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
其中，聚四氟乙烯为悬浮法聚四氟乙烯，白色粉末状具有耐腐蚀、润滑性好等优点，本发明中聚四氟乙烯平均粒径20～25微米，分子量5万～6万，使电机转轴具有自润滑性和耐腐蚀性，在辐照交联过程中形成网状结构，作为连续相，提高了聚四氟乙烯的力学性能。
聚甲醛为半透明粉末树脂，是一种表面光滑，有光泽的硬而致密的材料，具有高的力学性能，如强度、模量、耐磨性、韧性、耐疲劳性和抗蠕变性，本发明采用的的聚甲醛粒径为30～40微米，分子量为7万～8万，作为非连续相，分布在聚四氟乙烯树脂中，起到支撑作用，提高转轴强度、抗蠕变性及耐磨性。
改性纳米氧化铝为采用甲基丙烯酸甲酯进行改性的的纳米氧化铝，具有耐磨、分散性好的特点，本发明采用的改性纳米氧化铝粒径20～30纳米，在辐照交联过程中表面的甲基丙烯酸甲酯可以与聚四氟乙烯结合，提高聚四氟乙烯的耐磨性，在长期运转过程中氧化铝不剥落。
所述石墨烯为氧化石墨烯，鳞片状，具有高强度、高导热的材料，本发明中采用的石墨烯目数为1000～1200目，分散在树脂中，起到导热、增强作用，降低转轴长期运转因导热不良带来的变形，进而增大转轴的磨损。
所述的光引发剂为一种自由基光引发剂，透明液体，在光辐照作用下，可以引发交联反应，本发明采用的光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮中的一种，在波长为240～330nm光辐照下产生自由基，可以使聚四氟乙烯产生交联，并使氧化铝表面的甲基丙烯酸甲酯与聚四氟乙烯产生结合。
本发明下述实施例中所使用的聚四氟乙烯由三井杜邦氟化学公司提供。
本发明下述实施例中所使用的聚甲醛来自杜邦公司。
本发明下述实施例中所使用的改性纳米氧化铝来自于淄博博瑞康稀土材料有限公司。
本发明下述实施例中所使用的石墨烯来自上海新池能源科技有限公司。
本发明下述实施例中所使用的光引发剂，来自武汉远成共创科技有限责任公司。
实施例1
一种电机转轴复合材料各组分按照下列重量份进行配比
聚四氟乙烯 54.5份
聚甲醛 25份
改性纳米氧化铝 15份
石墨烯 5份
光引发剂 0.5份
所述电机转轴的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、聚甲醛、改性纳米氧化铝、石墨烯、光引发剂加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240-320nm的光波下照射，时间30分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度300℃、压力5MPa、时间25min；以及
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
实施例2
一种电机转轴复合材料各组分按照下列重量份进行配比
聚四氟乙烯 67.8份
聚甲醛 20份
改性纳米氧化铝 9份
石墨烯 3份
光引发剂 0.2份
所述电机转轴的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、聚甲醛、改性纳米氧化铝、石墨烯、光引发剂加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240-330nm的光波下照射，时间40分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度305℃、压力5MPa、时间20min；以及
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
实施例3
一种电机转轴复合材料各组分按照下列重量份进行配比
聚四氟乙烯 63.7份
聚甲醛 22份
改性纳米氧化铝 10份
石墨烯 4份
光引发剂 0.3份
所述电机转轴的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、聚甲醛、改性纳米氧化铝、石墨烯、光引发剂加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240-330nm的光波下照射，时间35分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度302℃、压力5.5MPa、时间22min；以及
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
实施例4
一种电机转轴复合材料各组分按照下列重量份进行配比
聚四氟乙烯 85.7份
改性纳米氧化铝 10份
石墨烯 4份
光引发剂 0.3份
所述电机转轴的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、改性纳米氧化铝、石墨烯、光引发剂加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240-330nm的光波下照射，时间35分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度302℃、压力5.5MPa、时间22min；以及
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
实施例5
一种电机转轴复合材料各组分按照下列重量份进行配比
聚四氟乙烯 63.7份
聚甲醛 32份
石墨烯 4份
光引发剂 0.3份
所述电机转轴的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、聚甲醛、石墨烯、光引发剂加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240-330nm的光波下照射，时间35分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度302℃、压力5.5MPa、时间22min；以及
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
实施例6
一种电机转轴复合材料各组分按照下列重量份进行配比
聚四氟乙烯 67.7份
聚甲醛 22份
改性纳米氧化铝 10份
光引发剂 0.3份
所述电机转轴的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、聚甲醛、改性纳米氧化铝、光引发剂加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240-330nm的光波下照射，时间35分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度302℃、压力5.5MPa、时间22min；以及
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
实施例7
一种电机转轴复合材料各组分按照下列重量份进行配比
聚四氟乙烯 64份
聚甲醛 22份
改性纳米氧化铝 10份
石墨烯 4份
所述电机转轴的制备方法包括步骤：
(1)将聚四氟乙烯、聚甲醛、改性纳米氧化铝、石墨烯加入300重量份的水中，搅拌混合均匀；
(2)将混合溶液在240-330nm的光波下照射，时间35分钟，得到光辐照的混合溶液；
(3)加热至110℃，脱除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)将粉末混合物加入模具中热压成型，得到电机转轴粗胚，热压成型条件为温度302℃、压力5.5MPa、时间22min。
(5)将粗胚进行机械加工得到电机转轴。
其中，实施例1至实施例7制备的电机转轴的性能测试及结果如表1所示。
表1 实施例1～7的电机转轴性能测试结果
从实施例1～3对应的测试结果可以看出本发明所提供的电机转轴比重小、强度高、摩擦系数小、耐磨损、导热好，同时由于是塑料基材，耐腐蚀性能好。
为了更清晰的体现本发明中各组分的作用，实施了4～7对应的方案，从表中数据可以看出不采用聚甲醛作为非连续相支撑聚四氟乙烯会显著降低转轴的力学强度及耐磨损性；不加入改性纳米氧化铝将会降低转轴的耐磨损性；石墨烯可以提高转轴的导热性，避免由于导热不良造成转轴变形，进而增大了转轴的磨损量。光引发剂是聚四氟乙烯交联及改性纳米氧化铝接到聚四氟乙烯上的关键，不加入将会降低转轴的力学强度、增大磨损量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。