专利名称：定形复合材料及其制造方法
技术领域：
本内容一般涉及复合材料，更具体地，涉及形成定形的复合材料的方法。
背景技术：
长期以来，复合材料一直用于各种应用。特别是近来，复合材料用作轴承。 一般而言，轴承是用于减小摩擦力的机械部件。就根据轴承减小的摩擦力的特 性而言，轴承一般属于两大类，线形轴承或径向轴承。线形轴承或推力轴承用 于具有沿直线运动的应用，如移动抽屉进出。径向或旋转轴承用于涉及绕中心 轴运动的应用，如在轴上的轮子。另外， 一些轴承设计成能对付推力和径向负 荷。
依据适当降低摩擦所需的轴承类型，可以使用各种类型的材料。实际上， 根据应用的要求和预期的负荷，轴承材料的范围可以是从塑料、金属，到甚至 是陶瓷。最新进展提供了新型的轴承，其称作自润滑轴承，这类轴承可以用于 更高要求的环境，如汽车的高温环境。所使用的材料类型能促进这些轴承的自 润滑性。 一些普通的自润滑材料包括各种聚合物、石墨或Graphalloy⑧(石墨/ 金属合金)以及二硫化钼(MoS2)。自润滑轴承不需要润滑油或者需要很少的润滑 油，并且一般不会象依赖传统补充润滑的传统轴承那样快速磨损而劣化。
用于形成轴承的方法可依据轴承的形状的复杂性以及进行成形的材料而 变化，但是一般包括模塑、铸造或冲压操作。具有较复杂结构的轴承一般是通 过模塑或铸造方法形成。结构不太复杂的轴承通常是利用如冲压操作的成形方 法形成，冲压操作能从大片材料快速得到所需形状。但是，从最终产品的成本 来看，这些方法都不够经济。
因此，工业上仍需要进行改进，以制造高性能的复合材料，如用于轴承应 用的那些材料，就这 一 点而论，工业上还需要利用更低成本高利润的高效加工 来形成高性能复合材料的方法。
发明内容
根据第一方面，揭示一种包括以下步骤的方法提供由具有主表面的基本 刚性基材和覆盖在该基材的主表面上的聚合物构成的复合带，并用心轴对该复 合带进行成形。将该复合带成形为基本由心轴形状限定的形状的定形复合片， 使得在成形步骤，复合带的主表面基本保持在一个平面上。
根据第二方面，提供一种复合垫片，该复合垫片包含由基本刚性基材和覆 盖在该基材上的聚合物层压材料构成的复合材料。该复合材料具有开孔的环状 结构，其外径不大于约5. 1厘米，成形限值(forming threshold)不大于约1. 5。
根据第三方面，提供一种复合垫片，该复合垫片包含由金属和覆盖在金属 上的聚合物层压材料构成的复合材料。该复合材料具有开孔的环状结构，其外 径大于约5. l厘米，成形限值不大于约1.25。
参见附图，能更好地理解本发明，本发明的许多特征和优点对本领域的技 术人员而言将是显而易见的。
图1示出按照特定实施方式的方法的流程图。 图2示出按照特定实施方式的复合开缝垫圈。 在不同附图中使用相同的附图标记来表示类似或相同的事项。
具体实施例方式
根据第一方面，揭示一种包括以下步骤的方法提供由具有主表面的基本 刚性基材和覆盖在该基材的主表面上的聚合物构成的复合带。该方法还包括用 心轴复合物对该复合带进行成形，形成具有基本由该心轴形状限定的形状的定 形复合片，使得在成形步骤，复合带的主表面基本保持在一个平面上。
参见图l，图l是一流程图，示出按照一个实施方式对复合材料进行成形 的无屑或接近无屑的成形技术的各步骤。根据图l，该方法的开始是提供包含 基本刚性基材和聚合物覆层的复合带。在一个实施方式中，基本刚性基材包 括金属、金属合金或它们的组合。适用于基本刚性基材的金属包括易弯金属， 例如，铝、铁、铜、其他过渡金属，或它们的合金。另外，根据特定的实施方 式，基本刚性基材是由编织的金属网构成。
再关于该复合材料，基本刚性基材一般可以成形为具有主表面的带材。根 据一个实施方式，复合带的长宽比不小于约5:1。根据另一个实施方式，长宽
比可以较大，如不小于约6:1或约8:1。另外，根据特定的实施方式，所述复 合带的长宽比不小于约10:1。如本文中所用，术语"长宽比"定义为基材的最 长尺寸(长度)与次长尺寸(宽度)的比值。基材的主表面是由长度和宽度尺寸限 定的平面。因此，基材的最短尺寸是厚度，根据一个实施方式，复合带的厚度 不大于约5. 0毫米，如不大于约4.0毫米，甚至不大于约3. O毫米。复合带的 总厚度部分取决于基本刚性基材的厚度，根据一个实施方式，基本刚性基材的 厚度不大于3.0毫米，如不大于约1.0毫米，甚至不大于约O. 5毫米。
根据另一个实施方式，提供复合材料的步骤包括从大片的复合材料上切割 出独立尺寸的复合带。对大多数应用，复合带的长度通常不大于约IOO厘米。 根据一个实施方式，所述复合带的长度不大于约75厘米，或不大于约50厘米。 另外，所述复合带的长度可以小于，如不大于约25厘米，或者甚至不大于约 IO厘米。在特定的实施方式中，所述复合带的长度约为75-5厘米。对复合带 进行切割可以釆用手工或自动化设备来完成。此外，对复合带进行切割还包括 以与横轴成一定的角度对复合带的端部进行切割，使复合带的端部变尖。复合 带的端部变尖，使得该复合带的一侧的长度小于相对侧的长度。这将有助于形 成有缺口的复合材料的形状，如在随后的实施方式中所述的开缝垫圈。
提供基材的步骤还可以包括从大片的复合材料上切割出独立宽度的基材 根据一个实施方式，基材的宽度不大于约5. O厘米，如不大于约4.0厘米，甚 至不大于约3.0厘米。因此，基材的宽度可以较小，取决于最终片的所需尺寸， 可以不大于约2.0厘米。
关于所述的复合材料，基本刚性基材包括聚合物覆层，使得该聚合物层是 层压材料，并基本上覆盖了基材的主表面。聚合物层压材料可以由已经切或削 为最终厚度的聚合物片的材料片获得，所述厚度如小于约l.O毫米。该基材可 以与聚合物片层压，使得该聚合物片至少覆盖作为材料片的基本刚性基材的主 表面。任选地，在基本刚性基材和聚合物层压层之间可加入另外的刚性网层， 如青铜金属网层。形成该复合材料的步骤通常包括进行热和压力处理，以及用 粘合剂如乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)将聚合物层压材料与基本刚性基材粘
合。另外，在复合材料上可以附着刚性背衬层，如金属背衬层，以提高耐久性 和可成形性。金属背衬可以覆盖基材或聚合物层压材料层。在一个实施方式中， 聚合物层可以基本上覆盖大部分基材表面，如基材的主表面以及与基材主表面 相邻的侧面。另外，聚合物层还可以是层压材料层，基本上覆盖了基材的主表
面，基材的相对主表面以及基材的相邻侧面。
一般而言，聚合物层是柔韧的， 适合与金属一起成形。根据一个实施方式，所述聚合物可以是含氟聚合物，如
聚四氟乙烯(PTFE)，加入聚合物适合用于自润滑轴承应用。此外，聚合物层可
以包含填料，如陶瓷、陶瓷纤维或者含碳配混料。在特定的实施方式中，复合
材料是NORGLIDE⑧复合材料，可从新泽西，韦恩，戴伊路150号的圣-戈本操 作塑料公司(Saint-Gobain Performance Plastics Corporation, 150 Dey Road Wayne, New Jersey)购得。
再参见图l，提供复合带步骤101后，可以进行复合带嵌在槽中步骤103。 根据一个实施方式，复合带可以机械送入槽中或者人工送入槽中。该槽的尺寸 与复合带的尺寸基本上类似，使得成形期间至少一部分复合带固定在槽中。
在示例的实施方式中，将复合带嵌在槽中步骤103后，进行复合带与心轴 接合步骤105。 一般而言，通过使一部分复合带与心轴表面接触，可以将复合 带与心轴接合。接合心轴的步骤还包括将一部分复合带固定在心轴上。根据本 文中的各实施方式， 一般可以将复合带固定在槽中，并且可以与心轴接合，使 得在成形期间复合带的主表面不与心轴表面接触，而是由复合带的厚度限定的 复合带边缘与心轴的表面接触。
因此，心轴可以具有选择的几何形状和轮廓，与最终定形复合片的要求的 儿何形状和轮廓基本类似。 一般而言，心轴可以是多边形，特别是对称的多边 形，如圆等。根据特定的实施方式，心轴具有圆形轮廓，用于形成圆形轮廓的 定形复合片，心轴的圆周基本上限定了定形复合片的内圆周。 一般，心轴的尺 寸可以根据定形复合物要求的尺寸变化。在形成具有圆形轮廓的定形复合物的 情况下，心轴的直径可以不小于约1厘米，如不小于约2.5厘米，特别是在约 2. 5-15厘米的直径范围之内。
复合带与心轴接合步骤105后，可进行使复合带围绕心轴的轮廓成形的步 骤107，使得基材的主表面和复合带与心轴不接触，并保持在一个平面。根据 一个实施方式，适合于使复合带围绕心轴成形的技术包括在足够作用力下将复 合带的主表面巻起，引导复合带围绕心轴。根据一个实施方式，该巻起力不小 于约2.0kN，如不小于约4.5kN，或约不小于10 kN。在各实施方式中，施加 在复合带主表面的力可不小于约15 kN，特别是在约5-50 kN范围之内。
通过以下方式还可有助于该成形方法紧夹复合带并在使复合带主表面巻 起的同时引导复合带围绕心轴。该方法可以使用围绕心轴放置的一个或多个夹
紧装置如夹头或钳子，用于接合复合带并保持足够的力，以帮助该成形过程。 根据特定的实施方式，在复合带的边缘与心轴接合的同时， 一对夹头夹紧复合 带的端部，使得在成形期间使该边缘的至少一部分基本上保持与心轴表面接 触。在特定的实施方式中，当辊在复合带主表面上移动时，夹头沿心轴的形状 使复合带成形，使一半复合带成形后，另一组夹头可夹紧复合带的端部，沿 心轴的剩余部分引导复合带，完成该成形过程，同时在足够的力作用下使复合 材料的主表面巻起。完成该成形过程107后，可进行从围绕该形状的心轴取下 该复合带的步骤109。
参见图2，图2示出开缝垫圈200，可以按照在前面的实施方式中所述的 成形方法进行成形。图2示出成形为具有缺口或裂缝207的环形结构的复合带 201。缺口的尺寸可以依据所需产品的应用而变化。根据一个实施方式，开口 环形结构的外圆周一直延伸到不小于约340°，如不小于约350。，甚至不小于约 355°。
图2的开缝垫圈具有内径203和外径205。根据特定的实施方式，开口环 形结构具有成形限值。如本文所用的"成形限值"是采用前面实施方式所述的 成形方法形成复合物形状的允许的最大尺寸的度量。在具有圆形轮廓的复合物 形状的情况下，如开缝垫圈200，成形限值以外径205与内径203之间的比值 描述允许的最大外径205(0. D.最大/I.D.)。根据特定的实施方式，对外径不大于 约5. 1厘米(约2.0英寸)的开口环形结构，成形限值(O.D.最大/I.D.)不大于约 1.5，使得允许的最大外径不大于内径尺寸的1.5倍。值得注意的是，如果外 径大于5. 1厘米(约2.0英寸)，则成形限值改变。根据特定的实施方式，对外 径大于5. 1厘米的开口环形结构，成形限值(O.D.最大/I.D.)不大于约1.25，艮卩， 允许的最大外径不大于内径尺寸的1.25倍。
在本文中，预期以下复合环形结构。根据一个实施方式，具有基本刚性基 材和在覆盖基本刚性基材上的聚合物层压材料的复合材料形成开口环形结构。 该复合材料的开口环形结构的外径可不大于约5. 1厘米，成形限值不大于约 1.5。这种结构适合作为密封垫，垫片或轴承，特别是推力轴承。当然，可以 使用合适的聚合物，如含氟聚合物来促进用于轴承应用的自润滑性。在特定的 实施方式中，复合材料是NORGLIDE⑧复合材料，可从新泽西州，韦恩，戴伊路 150号的圣-戈本操作塑料有限公司购得。
根据特定的实施方式，预期另-一种复合环形结构。该结构可包括金属基材
和覆盖在该金属基材上的聚合物层压材料，所述结构是开口环形结构。该开口 环形结构的外径可大于约5. 1厘米，成形限值不大于约1. 25。这种结构可适合 作为密封垫，垫片或轴承，特别是推力轴承。当然，可以使用合适的聚合物， 如含氟聚合物来促进用于轴承应用的自润滑性。在特定的实施方式中，复合材
料是NORGLIDE⑧复合材料，可从新泽西州，韦恩，戴伊路150号的圣-戈本操 作塑料有限公司购得。
上述主题被认为是说明性的，不构成限制，所附权利要求书意图覆盖在本 发明的真正范围之内的所有这样的改进、提高和其他实施方式。因此，为得到 法律允许的最大范围，本发明的范围由以下权利要求书和其等同内容允许的最 概括的阐述来确定，并且不受前面的详细描述的限制。
权利要求
1. 一种包括以下步骤的方法提供包含具有主表面的基本刚性基材和覆盖在该基材的主表面上的聚合物的复合带；以及用心轴使该复合带成形，形成定形复合片，该复合片具有基本上由心轴的形状限定的形状，其中，在成形步骤中使复合带的主表面基本保持在一个平面上。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合带的长宽比不小于约5:1。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复合带的长宽比不小于约 10:1。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供复合带的步骤还包括 从较大的复合带切割独立宽度的复合带。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述复合带的宽度不大于约5. 0 厘米。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述提供复合带的步骤还包括 从较大的复合带切割独立长度的复合带。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述复合带切割为长度不大于 约100厘米。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述长度不大于约50厘米。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述长度约为75-5.0厘米。
10. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述提供复合带的步骤还包 括以与复合带的横轴成一定的角度对复合带的端部进行切割，使得该复合带的 第 一 侧的长度小于相对侧的长度。
11. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述成形步骤还包括将复合 带嵌在槽中。
12. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述成形步骤还包括在足以 引导复合带围绕心轴的力作用下，使复合带的主表面巻起。
13. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，所述力不小于约2.0 kN。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述力约为5. 0-50 kN。
15. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，所述成形步骤还包括形成具 有圆形轮廓的定形复合片。
16. 如权利要求H所述的方法，其特征在于，所述心轴的圆周基本上限定定形复合片的内圆周。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述定形复合片的外径不大 于约5. 1厘米，其成形限值不大于约1. 5。
18. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述定形复合片的外径大于 约5. l厘米，其成形限值不大于约1.25。
19. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述定形复合片是开缝垫圈。
20. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述开缝垫圈具有外圆周和 内圆周，外圆周一直延伸到不小于约340°。
21. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述外圆周一直延伸到不小 于约350。。
22. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述聚合物是含氟聚合物。
23. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述聚合物是聚四氟乙烯。
24. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基本刚性基材包括金属、 金属合金，或它们的组合。
25. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述基本刚性基材包括编织 的金属材料。
26. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基本刚性基材的厚度不 大于约0. 5毫米。
27. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述复合带的厚度不大于约 5. 0毫米。
28. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述复合带绕心轴成形，形成定形的层压片。
29. -—种复合垫片，该复合垫片包括包含基本刚性基材和覆盖在该基材上的聚合物层压材料的复合材料，该复 合材料具有开口环形结构，其外径不大于约5. l厘米，成形限值不大于约1.5。
30. 如权利要求29所述的复合垫片，其特征在于，所述聚合物是含氟聚合物。
31. 如权利要求30所述的复合垫片，其特征在于，所述聚合物是聚四氟乙 烯。
32. 如权利要求29所述的复合垫片，其特征在于，所述基本刚性基材包括金属、金属合金，或它们的组合。
33. 如权利要求32所述的复合垫片，其特征在于，所述基本刚性基材包括 编织的金属材料。
34. 如权利要求29所述的复合垫片，其特征在于，所述开口环形结构的厚 度不大于约5.0毫米。
35. —种复合垫片，该复合垫片包括包含金属和覆盖在金属上的聚合物层压材料的复合材料，该复合材料具有 开口环形结构，其外径大于约5. l厘米，成形限值不大于约1.25。
全文摘要
提供一种形成定形复合材料的方法，该方法包括以下步骤提供包含具有主表面的基本刚性基材和覆盖在该基材的主表面上的聚合物的复合带。该方法还包括用心轴对该复合带进行成形，形成具有基本上由心轴形状限定的形状的定形复合片，其中，在成形步骤中使复合带的主表面基本保持在一个平面上。
文档编号F16B43/00GK101379309SQ200780004255
公开日2009年3月4日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月1日
发明者F·J·卡尔波维茨, M·A·科迪瓦瑞, T·J·哈根, V·戈特斯特 申请人:圣戈本操作塑料有限公司