[发明专利]一种机械密封摩擦副材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械密封摩擦副材料及其制备方法，该密封摩擦副材料是一种具备金属-非金属-高聚物粘结剂综合性能的复合材料。本发明还涉及一种用于该密封摩擦副材料的填充物碳纳米管在泡沫金属茏状筛网内生长的方法。

背景技术

机械密封起源较早，但大量实际应用却始于20世纪20年代后期。作为代替软填料环形式的转轴密封的一种。早期的工程师尝试将机械密封用于船舶推进器轴系，但由于没有合适的密封材料，密封不能达到令人满意的效果。随着科技的发展，机械密封装置越来越多地被应用于船舶轴系中。机械密封是通过外部的压力作用使动静密封环的密封面结合在一起而起到密封作用的，而作用在密封面上的接触力和摩擦热会引起密封面的变形和接触状况的改变，导致泄漏，所以对机械力和摩擦热耦合变形一直是密封研究的重点。

根据统计，机械密封的泄漏大约有80％～95％是由于密封端面摩擦副造成的。作为旋转设备中不可缺少的密封装置，机械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点，在泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用。据统计，为阻止动力输入轴与壳体间介质的泄漏，国外化工流程中95％左右的旋转设备采用了机械密封。机械密封摩擦副材料应具备下列条件：1)机械强度高，能耐压和耐压力变形；2)具有耐干磨性，耐高载荷性，自润滑性好；3)配对材料的磨合性好，无过大的磨损和对偶腐蚀；4)耐磨性好，寿命长；5)导热性和散热性好；6)耐高温性能好；7)抗热裂性能好；8)耐腐蚀性强；9)线膨胀系数小，能耐热变形和尺寸稳定性好；10)切削加工性好，成型性能好；11)气密性好；12)密度小。一般认为：浸渍树脂或金属的石墨材料，其导热性和自润滑性都很好，应优先考虑选用；强氧化性介质，应选用陶瓷材料；介质含颗粒，应选用硬对硬摩擦副材料，如碳化钨、碳化钛；强腐蚀介质，应选用填充聚四氟乙烯-陶瓷等。

1992年A.Blomberg为了提高密封面耐磨性研制出了碳化钨-石墨-氧化铝涂层。并为了评价这些硬薄涂层性能，提出摩擦性试验中应该主要从以下几个方面着手，一是涂层的耐磨性，二是颗粒磨损和滑动摩擦。对于常规的无机密封面材料，成本更为低廉的聚四氟乙烯和尼龙纤维被应用到制做静环的密封面，而且机械性能与摩擦性能也较为理想。此举为后来的静环密封面设计与制造拓宽了思路。2004年，G.A.Jones横向对比了机械用石墨、陶瓷块、金刚石微粉和金刚砂-石墨在无润化状态下的干摩擦性能，并建立优选模型以供机械密封设计者使用。从2000年到现在，另一个被广泛研究的机械密封摩擦材料是以氮化硅作为基体，金刚砂-石墨材料作为涂层的复合材料。F.Mubarok在文章中指出金刚砂-石墨可在提高基体硬度的同时，增加自润滑性和密封效果。为了得到更为优越的性能材料，从静环原料的选择配比上转化到制备工艺上。最早出现的有通过化学气相沉积法(CVD)在密封面上制备金刚石微粉涂层，到温度更高效率更快的等离子增强化学气相沉积法(PECVD)，这些工艺都以提高表面硬度从而达到耐磨损的目的。高聚物粘结剂因具有优异的物理机械性能和独特的不粘性、低摩擦因数等特性，在各工程领域得到了广泛的应用，但是用在泵、轴承、活塞环等机械领域时却出现耐磨性差、压缩蠕变大、尺寸稳定性和导热性差等缺点。聚醚醚酮(PEEK)，聚酰亚胺(PI)与聚四氟乙烯(PTFE)共混，能够改善PTFE的耐磨性能和耐蠕变性能，拓宽共使用范围。但是由于其结构的差异，使得聚合物与PTFE的相容性较差，填充后的复合材料比纯PTFE的物理机械性能有所下降，国内外对于密封面的研究主要集中在静环密封面的失效分析、静动环端之0间的热效应、摩擦磨损形貌和改进静环材料与制备工艺上。而材料的制备主要向着三个方向发展。一是利用超硬材料如金刚石微粉、碳化钨等作涂层强化基体表面；二是注重自润滑性，如一些以碳-石墨为材料的静环密封面；三是在超硬材料内加入石墨以达到保证硬度的同时又能起到自润滑的效果。

为此，针对前述罗列的机械密封材料应用条件：本发明研制出一种机械密封摩擦副材料，该密封摩擦材料为一种金属-非金属-高聚物粘结剂的复合材料。特点是以金属茏状筛网为主结构、以硬质、耐磨、导热性好的微米尺寸以下的金属或/和非金属材料为填充物填充金属茏状筛网主结构，以高聚物粘结剂粘结金属茏状筛网主结构及所述的填充物而制成的一类机械密封摩擦副材料。

截止目前资料显示，尚未有本发明研制出的类似机械密封摩擦副材料资料的相关报道。

发明内容