一种高导热聚酰亚胺摩擦材料及制备方法
技术领域
本发明属于聚合物复合材料领域，具体涉及一种高导热聚酰亚胺纳米复合材料及制备方法。
背景技术
随着超声电机技术的不断发展及应用范围的扩大，对转子摩擦材料性能的要求越来越高，尤其在真空、高温、高载和高速等苛刻工况下，传统的聚酰亚胺基复合材料由于机械强度低、硬度小、耐磨性差、使用寿命短等缺点，难以满足航空航天等领域的迫切需求。因此，寻求一种高温耐磨性能优异的先进摩擦材料成为超声电机亟需解决的问题。
目前旋转型超声电机使用的摩擦材料主要存在两大问题：最突出的问题是干摩擦条件下磨损比较严重，使用寿命短，无法满足连续长寿命工作，在真空和高低温等苛刻工况下使用寿命将更短，无法满足航空航天等复杂环境的使用需求；其次是随着电机运行过程中摩擦热的积聚，磨损将更加严重，产生的磨屑以及预压力的下降导致电机输出稳定性下降。目前，国内还没有摩擦材料能完全解决以上两个问题。因此，寻求耐高温、高导热及超低磨损的摩擦材料是超声电机亟需解决的难题。
本发明选用聚酰亚胺作为聚合物基体，因其是一种耐高温、耐磨性和力学性能等综合性能优异的高分子材料，但是纯的聚酰亚胺在高频微振动条件下磨损率较大，很难满足超声电机复杂工况的使用要求。所以对聚酰亚胺进行改性是提高其机械性能、热力学性能和摩擦学性能最有效的方法。本发明利用先进的纳米改性技术，在纳米铜粉改性的基础上，选用导热性、力学性能和耐磨性能优异的石墨烯和多壁碳纳米管改性，能够大幅提高聚酰亚胺纳米复合材料的机械强度、耐热性、导热性和耐磨性，从而能够提高超声电机的环境适应性和使用寿命。
其次，根据纳米改性剂添加比例的不同，对其制备方法进行了优化，以期能够制备适用于超声电机使用的高性能摩擦材料。
发明内容
本发明的目的是针对现在所使用的超声电机摩擦材料的问题，发明一种更适用于超声电机的聚酰亚胺纳米复合材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种高导热聚酰亚胺复合材料，其特征在于它由聚酰亚胺、纳米铜粉、石墨烯和多壁碳纳米管组成：各组份的质量份为：聚酰亚胺100份，石墨烯0.5～2份，多壁碳纳米管0.5～1份，纳米铜粉0.1～1份。
优选地，所述的聚酰亚胺为微米级模压粉，平均粒径为75μm模压粉，性能稳定，非常适合无机颗粒填充和热压成型。
优选地，石墨烯的尺寸为1-5μm，厚度为0.8-1.2nm，所述的石墨烯的表面活性官能团与聚酰亚胺分子存在着强烈的分子间作用力，能够提高界面结合力，从而大大提高聚酰亚胺的耐磨性；石墨烯在丙酮中分散性良好，避免了团聚现象，提高了其在聚酰亚胺中的分散性。
优选地，所述的纳米铜粉尺寸小于100nm，能够在丙酮中与石墨烯、聚酰亚胺和多壁碳纳米管良好分散，起到协同改性的作用。
优选地，所述的聚酰亚胺复合材料，其特征是所述的多壁碳纳米管直径为 8-15nm，长度为10-50μm，所述的多壁碳纳米管具有良好的力学性能，是提高聚合物强度的理想增强材料。
本发明所述的聚酰亚胺摩擦材料的制备方法包括如下步骤：
1)石墨烯，多壁碳纳米管，纳米铜粉于丙酮中超声分散30min 后，加入聚酰亚胺粉末，并用球磨机球磨4小时；
2)在真空干燥箱中80℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3)在10-20MPa压力下混合粉末热压成型；375-390℃下保温1-2h，随炉降温，制得复合材料。
4)将步骤3制成的聚酰亚胺纳米复合材料进行切片、粘贴以及表面研磨处理后供超声电机转子使用。
本发明的有益效果为：
(1)、本发明选用综合性能非常良好的聚酰亚胺作为基体，通过加入石墨烯提高材料的导热性能，所述的石墨烯是目前导热性最好的材料，能够降低热真空环境下摩擦界面的热积聚，从而能够提高超声电机摩擦材料的耐磨性；
(2)、本发明选用廉价且改性效果明显的纳米铜粉，因纳米铜粉与定子磷青铜包含同种元素，在摩擦过程中导热性好，有助于降低摩擦界面温度，从而有助于提高超声电机摩擦材料的高温耐磨性。
(3)、本发明选用力学性能、耐热性和导热性优异的多壁碳纳米管作为改性剂，既能增加聚酰亚胺的力学性能，又能提高摩擦过程中的导热性，从而有助于提高耐磨性。
(4)、本发明选用的热压成型方法工艺可靠，设备简单，成本低廉，适合于工业化生产和利用。
附图说明
图1为本发明实施例所制得材料热导率测试图。
图2为本发明实施例所制得材料摩擦温升测试图。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例对本发明作进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明高导热聚酰亚胺纳米复合材料主要用于旋转型超声电机中的摩擦材料，以下实施例中选用的聚酰亚胺平均粒径为75μm，购自上海合成树脂研究所；纳米铜粉尺寸小于100nm，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；石墨烯为高纯度试剂级石墨烯粉末，纯度大于99％，尺寸为1-5μm，厚度为 0.8-1.2nm，购自南京吉仓纳米科技有限公司；多壁碳纳米管直径为8-15nm，长度为10-50μm，购自中国科学院成都有机化学有限公司。
实施例1
为了对比改性效果，实施例测试了纯聚酰亚胺的导热系数。
具体制备步骤：
1)将纯聚酰亚胺模压粉倒入模具，在10-20MPa压力下将混合粉末热压成型；375-390℃下保温1-2h，随炉降温，制得复合材料。
2)将步骤1制成的聚酰亚胺材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的纯聚酰亚胺热导率为0.35W/m·K，在室温下与磷青铜在 1MPa，200r/min条件下对磨30分钟以后，稳定阶段的温升为45℃。
实施例2
加入纳米铜粉高导热聚酰亚胺复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100g、纳米铜粉1g。
具体制备步骤：
1)纳米铜粉于丙酮中超声分散30min后，加入聚酰亚胺粉末，并用球磨机球磨4小时；
2)在真空干燥箱中80℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3)将聚酰亚胺模压粉和纳米铜粉混合粉末倒入模具，在10-20MPa 压力下将混合粉末热压成型；375-390℃下保温1-2h，随炉降温，制得复合材料。
4)将步骤3制成的聚酰亚胺和纳米铜粉复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的聚酰亚胺和纳米铜粉复合材料热导率为56W/m·K，在室温下与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨30分钟以后，稳定阶段的温升为40℃。
实施例3
加入多壁碳纳米管高导热聚酰亚胺复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100g、多壁碳纳米管1g。
具体制备步骤：
1)多壁碳纳米管于丙酮中超声分散30min后，加入聚酰亚胺粉末，并用球磨机球磨4小时；
2)在真空干燥箱中80℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3)将聚酰亚胺模压粉和多壁碳纳米管混合粉末倒入模具，在 10-20MPa压力下将混合粉末热压成型；375-390℃下保温1-2h，随炉降温，制得复合材料。
4)将步骤3制成的聚酰亚胺和多壁碳纳米管复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的聚酰亚胺和多壁碳纳米管复合材料热导率为270W/m·K，在室温下与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨30分钟以后，稳定阶段的温升为 31℃。
实施例4
加入石墨烯高导热聚酰亚胺复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺 100g、石墨烯2g。
具体制备步骤：
1)石墨烯于丙酮中超声分散30min后，加入聚酰亚胺粉末，并用球磨机球磨4小时；
2)在真空干燥箱中80℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3)将聚酰亚胺模压粉和石墨烯混合粉末倒入模具，在10-20MPa 压力下将混合粉末热压成型；375-390℃下保温1-2h，随炉降温，制得复合材料。
4)将步骤3制成的聚酰亚胺和石墨烯复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的聚酰亚胺和石墨烯复合材料热导率为800W/m·K，在室温下与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨30分钟以后，稳定阶段的温升为12℃。
实施例5
加入纳米铜粉、多壁碳纳米管、石墨烯三种复合的高导热聚酰亚胺复合材料各组分的质量份数如下：聚酰亚胺100g、石墨烯2g、多壁碳纳米管 1g、纳米铜粉1g。
具体制备步骤：
1)石墨烯、多壁碳纳米管、纳米铜粉于丙酮中超声分散30min 后，加入聚酰亚胺粉末，并用球磨机球磨4小时；
2)在真空干燥箱中80℃下烘干，粉碎以及过筛处理得到混合粉末；
3)将聚酰亚胺模压粉和石墨烯、多壁碳纳米管、纳米铜粉混合粉末倒入模具，在10-20MPa压力下将混合粉末热压成型；375-390℃下保温1-2h，随炉降温，制得复合材料。
4)将步骤3制成的聚酰亚胺和石墨烯、多壁碳纳米管、纳米铜粉复合材料进行切片、粘贴以及表面处理供超声电机转子使用。
本实施例制得的聚酰亚胺和石墨烯复合材料热导率为1200W/m·K，在室温下与磷青铜在1MPa，200r/min条件下对磨30分钟以后，稳定阶段的温升为8℃。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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