本發(fā)明涉及電機轉軸領域，具體地說，是一種電機轉軸復合材料及其制備方法。
背景技術：
轉軸是保證電機正常運行的關鍵基礎件，其技術性能真接決定著電機的可靠性、使用壽命和工作作效率，在工業(yè)發(fā)展進程中一直發(fā)揮著重要作用。隨著環(huán)境保護要求的不斷提高，工業(yè)設備對于潤滑油脂的泄漏限制日漸苛刻，無油自潤滑轉軸因此受到廣泛青睞。另外由于金屬轉軸工藝復雜、耗能高，需要一種新型電機轉軸替代金屬轉軸。
塑料具有優(yōu)良的自潤滑性、耐磨性、低摩擦系數(shù)和特殊的抗咬合性，即使在潤滑條件不良的情況下也能正常工作。塑料取代金屬作為轉軸材料的優(yōu)點是：摩擦系數(shù)小，耐磨性好，具有自潤滑性能和良好的耐腐蝕性能，可以在潤滑條件惡劣的情況下工作，同時還具有消除噪音的作用，且生產(chǎn)效率高。其缺點是：受熱、受冷以及吸水、吸油后尺寸變化大，耐熱性差，散熱慢，變形后易引起“抱軸咬死”現(xiàn)象，且具有蠕變性。
聚四氟乙烯(PTFE)是一種性能優(yōu)異的固體自潤滑材料，具有極低的摩擦因數(shù)、良好的化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，廣泛應用于各行各業(yè)。但純PTFE的硬度低、耐磨性較差、機械強度低，在外力作用下有較大的粘彈性變形，易蠕變等，這些缺點限制了PTFE的應用，對此，科研人員進行了大量的研究。在中國發(fā)明專利CN 103351599 B中公開了一種抗老化的PPO-PTFE合金，可用于剛性大、強度高、尺寸穩(wěn)定性好、潤滑性能優(yōu)良的軸承制作，但由于PPO、PTFE樹脂的導熱效果差，在軸承長時間運轉后會由于散熱不好導致軸承變形。申請?zhí)枮镃N 104262872 A的發(fā)明專利公開了一種軸承用復合材料，該材料以聚四氟乙烯為載體，通過與石墨、銅粉、玻纖、碳纖維復合獲得，可用于高速輕載軸承等。該復合材料中加入了15-18重量份的銅粉，這可以提高復合材料的導熱性，但銅粉的加入增大了復合材料的比重，且長期運轉后銅粉容易剝落，殘留在軸承縫隙中，導致軸承磨損嚴重。
目前塑料電機轉軸材料或多或少有以下不足：(1)比重大；(2)導熱性差使電機轉軸高速運轉時強度下降；(3)不耐磨，使用周期短，這些導致塑料難以在電機轉軸領域廣泛應用。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于提供一種電機轉軸復合材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術的不足，使得電機轉軸具有重量輕、強度高、耐磨擦、耐腐蝕的性能。
為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術方案為：一種電機轉軸復合材料的原料以重量份計由下列組分組成54.5～67.8份聚四氟乙烯、20～25份聚甲醛、9～15份改性納米氧化鋁、3～5份石墨烯以及0.2～0.5份光引發(fā)劑。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述光引發(fā)劑選自2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮中的一種。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，聚四氟乙烯平均粒徑20～25微米，分子量5萬～6萬。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，聚甲醛平均粒徑為30～40微米，分子量為7萬～8萬。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，改性納米氧化鋁是通過甲基丙烯酸甲酯進行改性的的納米氧化鋁，改性納米氧化鋁粒徑20～30納米。
一種電機轉軸的制備方法，包括步驟：
(a)將相應重量份的聚四氟乙烯、聚甲醛、改性納米氧化鋁、石墨烯、光引發(fā)劑加入到300重量份的水中，攪拌混合均勻的，得到混合溶液A；
(b)將混合溶液在240～330nm的光波下照射，時間30～40分鐘，得到光輻照的混合溶液B；
(c)加熱至110℃，脫除混合溶液B中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(d)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度300℃～305℃、壓力5MPa～6MPa、時間20min～25min；以及
(e)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
進一步地，所述步驟(a)中的改性納米氧化鋁的制備方法，包括步驟：
(a1)取100重量份的納米氧化鋁加入500重量份的水中，攪拌分散至無沉淀殘留；以及
(a2)加入17重量份的甲基丙烯酸甲酯，攪拌15～20分鐘并加熱至110℃，脫除水分，得到表面帶有甲基丙烯酸甲酯的改性納米氧化鋁。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術相比，主要具有以下優(yōu)點和有益效果：
1、采用聚四氟乙烯作為電機轉軸材料，可以使轉軸具有耐腐蝕、自潤滑性，無需外加潤滑劑；交聯(lián)反應使聚四氟乙烯成為網(wǎng)狀連續(xù)相，以剛性聚甲醛作為非連續(xù)相支撐體，綜合作用提高轉軸的強度、耐磨性和抗蠕變性；
2、將改性氧化鋁通過引發(fā)劑接到聚四氟乙烯分子鏈上，直接提高聚四氟乙烯的耐磨性，通過與聚甲醛、石墨烯共同作用，進一步提高了電機轉軸的耐磨性；
3、采用石墨烯作為導熱填料，與金屬粉末相比具有比重小、導熱效率高的優(yōu)點；
4、本明中未采用金屬粉末等大比重填料，使得電機轉軸整體重量小。
具體實施方式
以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領域技術人員能夠實現(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領域技術人員可以想到其他顯而易見的變型。
一種電機轉軸復合材料的原料以重量份計由下列組分組成54.5～67.8份聚四氟乙烯、20～25份聚甲醛、9～15份改性納米氧化鋁、3～5份石墨烯以及0.2～0.5份光引發(fā)劑。
改性納米氧化鋁的制備方法，包括步驟：
(1)取100重量份的納米氧化鋁加入500重量份的水中，攪拌分散至無沉淀殘留；以及
(2)加入17重量份的甲基丙烯酸甲酯，攪拌15～20分鐘并加熱至110℃，脫除水分，得到表面帶有甲基丙烯酸甲酯的納米氧化鋁。
一種電機轉軸的制備方法，包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、聚甲醛、改性納米氧化鋁、石墨烯、光引發(fā)劑加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240～330nm的光波下照射，時間30～40分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度300℃～305℃、壓力5MPa～6MPa、時間20min～25min；以及
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
其中，聚四氟乙烯為懸浮法聚四氟乙烯，白色粉末狀具有耐腐蝕、潤滑性好等優(yōu)點，本發(fā)明中聚四氟乙烯平均粒徑20～25微米，分子量5萬～6萬，使電機轉軸具有自潤滑性和耐腐蝕性，在輻照交聯(lián)過程中形成網(wǎng)狀結構，作為連續(xù)相，提高了聚四氟乙烯的力學性能。
聚甲醛為半透明粉末樹脂，是一種表面光滑，有光澤的硬而致密的材料，具有高的力學性能，如強度、模量、耐磨性、韌性、耐疲勞性和抗蠕變性，本發(fā)明采用的的聚甲醛粒徑為30～40微米，分子量為7萬～8萬，作為非連續(xù)相，分布在聚四氟乙烯樹脂中，起到支撐作用，提高轉軸強度、抗蠕變性及耐磨性。
改性納米氧化鋁為采用甲基丙烯酸甲酯進行改性的的納米氧化鋁，具有耐磨、分散性好的特點，本發(fā)明采用的改性納米氧化鋁粒徑20～30納米，在輻照交聯(lián)過程中表面的甲基丙烯酸甲酯可以與聚四氟乙烯結合，提高聚四氟乙烯的耐磨性，在長期運轉過程中氧化鋁不剝落。
所述石墨烯為氧化石墨烯，鱗片狀，具有高強度、高導熱的材料，本發(fā)明中采用的石墨烯目數(shù)為1000～1200目，分散在樹脂中，起到導熱、增強作用，降低轉軸長期運轉因導熱不良帶來的變形，進而增大轉軸的磨損。
所述的光引發(fā)劑為一種自由基光引發(fā)劑，透明液體，在光輻照作用下，可以引發(fā)交聯(lián)反應，本發(fā)明采用的光引發(fā)劑為2-羥基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮中的一種，在波長為240～330nm光輻照下產(chǎn)生自由基，可以使聚四氟乙烯產(chǎn)生交聯(lián)，并使氧化鋁表面的甲基丙烯酸甲酯與聚四氟乙烯產(chǎn)生結合。
本發(fā)明下述實施例中所使用的聚四氟乙烯由三井杜邦氟化學公司提供。
本發(fā)明下述實施例中所使用的聚甲醛來自杜邦公司。
本發(fā)明下述實施例中所使用的改性納米氧化鋁來自于淄博博瑞康稀土材料有限公司。
本發(fā)明下述實施例中所使用的石墨烯來自上海新池能源科技有限公司。
本發(fā)明下述實施例中所使用的光引發(fā)劑，來自武漢遠成共創(chuàng)科技有限責任公司。
實施例1
一種電機轉軸復合材料各組分按照下列重量份進行配比
聚四氟乙烯 54.5份
聚甲醛 25份
改性納米氧化鋁 15份
石墨烯 5份
光引發(fā)劑 0.5份
所述電機轉軸的制備方法包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、聚甲醛、改性納米氧化鋁、石墨烯、光引發(fā)劑加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240-320nm的光波下照射，時間30分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度300℃、壓力5MPa、時間25min；以及
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
實施例2
一種電機轉軸復合材料各組分按照下列重量份進行配比
聚四氟乙烯 67.8份
聚甲醛 20份
改性納米氧化鋁 9份
石墨烯 3份
光引發(fā)劑 0.2份
所述電機轉軸的制備方法包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、聚甲醛、改性納米氧化鋁、石墨烯、光引發(fā)劑加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240-330nm的光波下照射，時間40分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度305℃、壓力5MPa、時間20min；以及
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
實施例3
一種電機轉軸復合材料各組分按照下列重量份進行配比
聚四氟乙烯 63.7份
聚甲醛 22份
改性納米氧化鋁 10份
石墨烯 4份
光引發(fā)劑 0.3份
所述電機轉軸的制備方法包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、聚甲醛、改性納米氧化鋁、石墨烯、光引發(fā)劑加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240-330nm的光波下照射，時間35分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度302℃、壓力5.5MPa、時間22min；以及
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
實施例4
一種電機轉軸復合材料各組分按照下列重量份進行配比
聚四氟乙烯 85.7份
改性納米氧化鋁 10份
石墨烯 4份
光引發(fā)劑 0.3份
所述電機轉軸的制備方法包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、改性納米氧化鋁、石墨烯、光引發(fā)劑加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240-330nm的光波下照射，時間35分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度302℃、壓力5.5MPa、時間22min；以及
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
實施例5
一種電機轉軸復合材料各組分按照下列重量份進行配比
聚四氟乙烯 63.7份
聚甲醛 32份
石墨烯 4份
光引發(fā)劑 0.3份
所述電機轉軸的制備方法包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、聚甲醛、石墨烯、光引發(fā)劑加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240-330nm的光波下照射，時間35分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度302℃、壓力5.5MPa、時間22min；以及
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
實施例6
一種電機轉軸復合材料各組分按照下列重量份進行配比
聚四氟乙烯 67.7份
聚甲醛 22份
改性納米氧化鋁 10份
光引發(fā)劑 0.3份
所述電機轉軸的制備方法包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、聚甲醛、改性納米氧化鋁、光引發(fā)劑加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240-330nm的光波下照射，時間35分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度302℃、壓力5.5MPa、時間22min；以及
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
實施例7
一種電機轉軸復合材料各組分按照下列重量份進行配比
聚四氟乙烯 64份
聚甲醛 22份
改性納米氧化鋁 10份
石墨烯 4份
所述電機轉軸的制備方法包括步驟：
(1)將聚四氟乙烯、聚甲醛、改性納米氧化鋁、石墨烯加入300重量份的水中，攪拌混合均勻；
(2)將混合溶液在240-330nm的光波下照射，時間35分鐘，得到光輻照的混合溶液；
(3)加熱至110℃，脫除混合溶液中的水分，得到干燥的粉末混合物；
(4)將粉末混合物加入模具中熱壓成型，得到電機轉軸粗胚，熱壓成型條件為溫度302℃、壓力5.5MPa、時間22min。
(5)將粗胚進行機械加工得到電機轉軸。
其中，實施例1至實施例7制備的電機轉軸的性能測試及結果如表1所示。
表1 實施例1～7的電機轉軸性能測試結果
從實施例1～3對應的測試結果可以看出本發(fā)明所提供的電機轉軸比重小、強度高、摩擦系數(shù)小、耐磨損、導熱好，同時由于是塑料基材，耐腐蝕性能好。
為了更清晰的體現(xiàn)本發(fā)明中各組分的作用，實施了4～7對應的方案，從表中數(shù)據(jù)可以看出不采用聚甲醛作為非連續(xù)相支撐聚四氟乙烯會顯著降低轉軸的力學強度及耐磨損性；不加入改性納米氧化鋁將會降低轉軸的耐磨損性；石墨烯可以提高轉軸的導熱性，避免由于導熱不良造成轉軸變形，進而增大了轉軸的磨損量。光引發(fā)劑是聚四氟乙烯交聯(lián)及改性納米氧化鋁接到聚四氟乙烯上的關鍵，不加入將會降低轉軸的力學強度、增大磨損量。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。