阅读说明：本技术 一种聚酰亚胺纤维/聚四氟乙烯纤维自润滑织物衬垫材料的制备方法 (Preparation method of polyimide fiber/polytetrafluoroethylene fiber self-lubricating fabric liner material ) 是由 袁军亚 张招柱 杨明明 赵鑫 姜葳 储凡杰 李佩隆 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种聚酰亚胺纤维/聚四氟乙烯纤维自润滑织物衬垫材料及其制备方法,是以聚四氟乙烯纤维作为经纱,聚酰亚胺纤维作为纬纱编织织物,经空气等离子体改性处理后,在聚酰亚胺溶液中浸渍、烘干,重复上述步骤直至聚酰亚胺树脂在织物衬垫材料中的质量分数达到目标要求；最后用聚酰亚胺树-脂将浸渍好的织物衬垫粘贴在指定的金属基材表面,并在特定的温度和压力下经固化反应,得到自润滑织物衬垫材料。本发明合成的自润滑织物衬垫材料具有耐高温、高承载、低摩擦、界面粘合力强等优点,适用于高温、高速等极端服役工况条件,极大地拓展了自润滑关节轴承在高端装备润滑领域的应用范围。(The invention discloses a polyimide fiber/polytetrafluoroethylene fiber self-lubricating fabric liner material and a preparation method thereof, polytetrafluoroethylene fibers are used as warp yarns, polyimide fibers are used as weft yarns to weave a fabric, the fabric is subjected to air plasma modification treatment, and then is soaked and dried in a polyimide solution, and the steps are repeated until the mass fraction of polyimide resin in the fabric liner material reaches the target requirement; and finally, sticking the impregnated fabric gasket on the surface of a specified metal base material by using polyimide resin, and carrying out curing reaction at a specific temperature and pressure to obtain the self-lubricating fabric gasket material. The self-lubricating fabric liner material synthesized by the invention has the advantages of high temperature resistance, high bearing capacity, low friction, strong interface adhesion and the like, is suitable for extreme service working conditions such as high temperature and high speed, and greatly expands the application range of the self-lubricating joint bearing in the field of lubrication of high-end equipment.)

一种聚酰亚胺纤维/聚四氟乙烯纤维自润滑织物衬垫材料的 制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺纤维/聚四氟乙烯纤维自润滑织物衬垫材料的制备方法，主要用于高温、高速等极端服役工况条件下的自润滑关节轴承的加工，属于复合材料制备和固体润滑技术领域。

背景技术

自润滑关节轴承是一种球面滑动轴承，主要由带有内球面的外圈、外球面的内圈以及自润滑衬垫组成，因其兼具结构紧凑、承载能力强、耐腐蚀和免维护等优点，而被广泛应用于航空航天、精密机械等高端装备润滑领域。自润滑织物衬垫材料作为自润滑关节轴承的关键组件，其摩擦磨损性能直接影响自润滑关节轴承的服役行为和使用寿命。自润滑织物衬垫是以聚四氟乙烯纤维与其它的高性能增强纤维混合编织的薄层织物与聚合物树脂复合而成，使其兼具聚四氟乙烯纤维优异的润滑性能和增强纤维突出的承载能力。

近年来，工程机械装备技术的快速发展对自润滑织物衬垫材料的摩擦磨损性能提出了更高的要求，如要求织物衬垫材料能够在高温、高速等极端工况条件下保持稳定、长效运行。在之前的研究中，聚四氟乙烯/芳纶酚醛树脂基织物衬垫材料因其优异的减摩耐磨性能而得到广泛地应用，但该衬垫材料的热性能较差，难以满足高温、高速等极端工况的要求。因此，提升自润滑织物衬垫的耐高温性能具有重大的意义，同时也面临诸多挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚酰亚胺纤维/聚四氟乙烯纤维自润滑织物衬垫材料的制备方法和应用。

一、自润滑织物衬垫材料的制备

本发明自润滑织物衬垫材料的制备，是以聚四氟乙烯纤维作为经纱，聚酰亚胺纤维作为纬纱编织织物，织物先经空气等离子体改性处理，再在聚酰亚胺溶液中浸渍、烘干，并重复浸渍、烘干直至聚酰亚胺树脂在织物中的质量分数达到目标要求；然后用聚酰亚胺树脂将浸渍好的织物衬垫粘贴在金属基材表面，最后经固化反应，得到自润滑织物衬垫材料。

所述编织织物的组织结构为平纹、斜纹、缎纹中的一种或联合使用几种组织。

所述空气等离子体处理的时间为5~20 min，功率为50~200 W。

所述聚酰亚胺树脂在织物衬垫材料中的质量分数为20~30%。

所述金属基材为金属基材为9Cr18Mo、9Cr18MoV、9Cr18、4Cr13、17-4PH中的一种。

所述固化反应，实在施加压力0.1~0.3 MPa的条件下，依次经100、150、200、265 ℃四段，每段保温时间为30~60 min，升温速率为5~10 ℃/min。

二、摩擦磨损性能测试

1、高温摩擦学性能

测试方法：采用玄武三号摩擦磨损试验机，以直径2 mm的45号钢作为摩擦对偶，在确定的滑动速度、应用载荷、试验时间等条件下，通过配备在摩擦副外部的加热炉调节摩擦试验的环境温度进行摩擦测试。摩擦系数通过连接的计算机处理收集到的数据后，自动输出。利用数显高度仪测量自润滑织物衬垫材料的磨损深度，进而计算织物衬垫的磨损体积。采用K=ΔV/P∙L公式计算织物衬垫材料的比磨损率，K─比磨损率；ΔV─磨损体积；P─应用载荷；L─滑动距离。

图1为聚四氟乙烯/聚酰亚胺织物-聚酰亚胺树脂基织物衬垫的摩擦系数（a）和磨损率随环境温度变化的柱状图（b）。图1（a）的结果显示，自润滑织物衬垫在试验温度范围内均能保持优异的润滑性能，且随环境温度的上升，自润滑织物衬垫材料的摩擦系数呈现下降的趋势。当试验环境温度为335 ℃时，织物衬垫材料的摩擦系数为0.0453，呈现出优异的高温润滑性能。图1（b）的结果显示，自润滑织物衬垫的比磨损率随环境温度的上升呈现明显的上升趋势，但在试验温度范围内均能保持突出的耐磨性能。当试验环境温度为335 ℃时，织物衬垫材料的磨损率为22.1×10^-14 m³· (N·m)^-1，依旧保持在较低的水平，表现出优异的高温抗磨性能。

2、高速摩擦学性能

测试方法：采用玄武三号摩擦磨损试验机，以直径2 mm的45号钢作为摩擦对偶，在室温以及确定的应用载荷、试验时间等条件下，通过调节摩擦试验的滑动速度，探索滑动速度对织物衬垫摩擦学性能的影响。摩擦系数通过连接的计算机处理收集到的数据后，自动输出。利用数显高度仪测量自润滑织物衬垫材料的磨损深度，进而计算织物衬垫的磨损体积。采用K=ΔV/P∙L公式计算织物衬垫材料的比磨损率，K─比磨损率；ΔV─磨损体积；P─应用载荷；L─滑动距离。

图2为聚四氟乙烯/聚酰亚胺织物-聚酰亚胺树脂基织物衬垫的摩擦系数（a）和磨损率随滑动速度变化的柱状图（b）。图2（a）的结果显示，自润滑织物衬垫在试验滑动速度范围内均能保持优异的润滑性能，且随滑动速度的增加，自润滑织物衬垫材料的摩擦系数呈现轻微的下降趋势。当滑动速度为2.73m/s时，织物衬垫材料的摩擦系数为0.1322，依然保持在较低的水平。图2（b）的结果显示，自润滑织物衬垫的比磨损率随滑动速度的上升呈现明显的下降趋势。当试验滑动速度为2.73m/s时，织物衬垫材料的比磨损率为2.3×10^-14m³· (N·m)^-1，保持在较低的水平，表现出优异的高速摩擦学性能。

综上所述，本发明使用聚酰亚胺纤维作为增强纤维，与聚四氟乙烯纤维混纺编织，制得聚四氟乙烯/聚酰亚胺织物-聚酰亚胺树脂基自润滑织物衬垫材料具有较好的浸润性能，使得织物衬垫材料的界面黏附性能良好。同时由于使用的聚酰亚胺纤维及聚酰亚胺树脂均具备突出的热稳定性能，赋予自润滑织物衬垫材料优异的高温、高速摩擦学性能，因此适用于高温、高速等极端服役工况条件，极大地拓展了自润滑关节轴承在高端装备润滑领域的应用范围。

附图说明

图1为聚四氟乙烯/聚酰亚胺织物-聚酰亚胺树脂基织物衬垫的摩擦系数、磨损率随环境温度变化的柱状图（0.26 m/s, 12.5 MPa）。

图2为聚四氟乙烯/聚酰亚胺织物-聚酰亚胺树脂基织物衬垫的摩擦系数、磨损率随滑动速度变化的柱状图（室温, 12.5 MPa）。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明聚酰亚胺纤维/聚四氟乙烯纤维自润滑织物衬垫材料及其制备方法和应用作进一步说明。

实施例1

以聚四氟乙烯纤维作为经纱，聚酰亚胺纤维作为纬纱，编织破斜纹织物；织物先经空气等离子体改性处理后（10 min，100 W），再在聚酰亚胺溶液中浸渍、烘干，并重复浸渍、烘干直至聚酰亚胺树脂在织物中的质量分数达到30 wt%；然后用聚酰亚胺树脂将浸渍好的织物衬垫粘贴在9Cr18Mo金属基材表面，最后在0.2 MPa压力条件下，依次经20 min升至100 ℃并保温30 min、10 min升至150 ℃并保温60 min、10 min升至200 ℃并保温60 min、10 min升至265 ℃并保温120 min的固化反应，制得自润滑织物衬垫材料。

利用玄武三号摩擦磨损试验机评估上述制得自润滑织物衬垫的摩擦学性能，在0.26 m/s, 12.5 MPa条件下，于335 ℃高温环境中的摩擦系数和磨损率分别为0.051，25×10^-14 m³· (N·m)^-1。

实施例2

以聚四氟乙烯纤维作为经纱、聚酰亚胺纤维作为纬纱编织缎纹织物；织物先经空气等离子体改性处理（8 min，120 W），再在聚酰亚胺溶液中浸渍、烘干，并重复浸渍、烘干直至聚酰亚胺树脂在织物衬垫材料中的质量分数达到25 wt%；然后用聚酰亚胺树脂将浸渍好的织物粘贴在9Cr18Mo金属基材表面，最后在0.2 MPa压力条件下，依次经20 min升至100 ℃并保温30 min、10 min升至150℃并保温60 min、10 min升至200 ℃并保温60 min、10 min升至265℃并保温120 min的固化反应，制得自润滑织物衬垫材料。

利用玄武三号摩擦磨损试验机评估上述制得自润滑织物衬垫的摩擦学性能，在0.26 m/s，12.5 MPa条件下，于335 ℃高温环境中的摩擦系数和磨损率分别为0.042，19×10^-14 m³· (N·m)^-1。

实施例3

以聚四氟乙烯纤维作为经纱、聚酰亚胺纤维作为纬纱编织平纹织物；织物先经空气等离子体改性处理后（10 min，100 W），再在聚酰亚胺溶液中浸渍、烘干，并重复浸渍、烘干直至聚酰亚胺树脂在织物衬垫材料中的质量分数达到30 wt%；然后用聚酰亚胺树脂将浸渍好的织物衬垫粘贴在17-4PH金属基材表面，最后在0.2 MPa压力条件下，依次经20 min升至100 ℃并保温60 min、10 min升至150 ℃并保温120 min、10 min升至200 ℃并保温120min、10 min升至265 ℃并保温150 min的固化反应，制得自润滑织物衬垫材料。

利用玄武三号摩擦磨损试验机评估上述制得自润滑织物衬垫的摩擦学性能，在0.26 m/s, 12.5 MPa条件下，于335 ℃高温环境中的摩擦系数和磨损率分别为0.06，23×10^-14 m³· (N·m)^-1。

实施例4

以聚四氟乙烯纤维作为经纱、聚酰亚胺纤维作为纬纱编织斜纹织物；织物先经空气等离子体改性处理后（5 min，200 W），再在聚酰亚胺溶液中浸渍、烘干，重复浸渍、烘干直至聚酰亚胺树脂在织物衬垫材料中的质量分数达到20 wt%；然后用聚酰亚胺树脂将浸渍好的织物衬垫粘贴在17-4PH金属基材表面，最后在0.25 MPa压力条件下，依次经25 min升至100℃并保温30 min、15 min升至150 ℃并保温60 min、15 min升至200 ℃并保温60 min、15min升至265 ℃并保温120 min的固化反应，制得自润滑织物衬垫材料。

利用玄武三号摩擦磨损试验机评估上述制得自润滑织物衬垫的摩擦学性能，在0.26 m/s, 12.5 MPa条件下，于335 ℃高温环境中的摩擦系数和磨损率分别为0.039，21×10^-14 m³· (N·m)^-1。

实施例5

以聚四氟乙烯纤维作为经纱、聚酰亚胺纤维作为纬纱编织斜纹织物，织物先经空气等离子体改性处理后（5 min，200 W），再在聚酰亚胺溶液中浸渍、烘干，并重复浸渍、烘干直至聚酰亚胺树脂在织物衬垫材料中的质量分数达到20 wt%；然后用聚酰亚胺树脂将浸渍好的织物衬垫粘贴在9Cr18金属基材表面，最后在0.25 MPa压力条件下，依次经25 min升至100℃并保温30 min、15 min升至150 ℃并保温60 min、15 min升至200 ℃并保温60 min、15min升至265 ℃并保温120 min的固化反应，制得自润滑织物衬垫材料。

利用玄武三号摩擦磨损试验机评估上述制得自润滑织物衬垫的摩擦学性能，在室温, 12.5 MPa条件下，于2.73m/s高速条件下摩擦系数和磨损率分别为0.1322，2.3×10^-14m³·(N·m)^-1。