一种聚四氟乙烯复合材料，轴承用聚四氟乙烯复合保持架及其制备方法技术领域
本发明属于高分子复合材料制造技术领域，具体涉及一种聚四氟乙烯复合材料，
轴承用聚四氟乙烯复合保持架及其制备方法。
背景技术
目前，超低温高速轴承保持架通常采用玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合材料，该复
合材料具有良好的耐磨性及自润滑性等优点。但随着主机对轴承要求的进一步提高，现有
玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合材料已无法满足dn值大于150万的轴承工况需求，主要表现
为轴承噪音、摩擦力矩及温升突增，钢球磨损严重，保持架变形较大甚至出现断裂现象，严
重影响轴承的正常运转、使用寿命和安全可靠性。
开发一种低温拉伸和抗压强度高、耐磨自润滑、热导率大且能在dn值大于150万的
轴承工况下正常工作的聚四氟乙烯复合保持架材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚四氟乙烯复合材料，从而解决现有的用于超低温高速
轴承保持架的玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合材料无法满足dn值大于150万的轴承工况需求
的问题。
本发明的第二个目的是提供一种轴承用聚四氟乙烯复合保持架。
本发明的第三个目的是提供一种上述轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：偶联剂改性的纳米三
氧化二铝3～8％，二硫化钼2～5％，聚四氟乙烯90～95％。
所述纳米三氧化二铝的粒径为30nm。二硫化钼的粒径为40μm。
向硅烷偶联剂溶液中加入纳米三氧化二铝，超声分散，过滤，即得偶联剂改性的纳
米三氧化二铝。优选的，向质量浓度为2％的硅烷偶联剂KH-570无水乙醇溶液中加入纳米三
氧化二铝，超声分散，即得。优选的，超声频率为20±2KHz，超声时间20～30分钟。
本发明的聚四氟乙烯复合材料，采用聚四氟乙烯、偶联剂改性纳米三氧化二铝与
二硫化钼复配制成，其中纳米三氧化二铝热导率大、粒径小能显著改善复合材料的抗压性、
热传导性和耐磨性，纳米三氧化二铝经偶联剂改性后可提高材料表面活性，增加表面结合
力，从而减少纳米聚四氟乙烯复合材料的缺陷；二硫化钼可增强复合材料的摩擦磨损性能；
纳米三氧化二铝和二硫化钼作为填充剂对聚四氟乙烯进行改性，制得的聚四氟乙烯复合材
料具有优良的自润滑性能和较高的拉伸强度，抗压性、热传导性和摩擦磨损性能得到明显
改善，满足了超低温高速轴承对保持架材料的要求。
上述聚四氟乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将偶联剂改性的纳米三氧化二铝、二硫化钼、聚四氟乙烯混合得到混合料；将混
合料压制成型，得到毛坯；
2)将毛坯加热至322～332℃进行一次烧结，再加热至370～380℃进行二次烧结，
降温至310～320℃，保温；炉冷至室温，即得。
一种轴承用聚四氟乙烯复合保持架，由以下质量百分比的组分组成：偶联剂改性
的纳米三氧化二铝3～8％，二硫化钼2～5％，聚四氟乙烯90～95％。
本发明的轴承用聚四氟乙烯复合保持架，以聚四氟乙烯为基材，纳米三氧化二铝
和二硫化钼分别作为增强和润滑改性材料，常温拉伸强度达到30MPa以上，液氮温度(-196
℃)下拉伸强度达到120MPa以上。与玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合材料相比，常温下拉伸强
度提高了70％以上，液氮温度(-196℃)下拉伸强度提高了60％以上。常温抗压强度达到
45MPa以上，液氮温度(-196℃)下抗压强度达到78MPa以上。与玻璃纤维改性聚四氟乙烯复
合材料相比，常温下抗压强度提高了40％以上，液氮温度(-196℃)下抗压强度提高了38％
以上。
上述轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法，包括以下步骤：
1)将偶联剂改性的纳米三氧化二铝、二硫化钼、聚四氟乙烯混合得到混合料；将混
合料压制成型，得到保持架毛坯；
2)将保持架毛坯加热至322～332℃进行一次烧结，再加热至370～380℃进行二次
烧结，降温至310～320℃，保温；炉冷至室温，即得。
步骤1)中，采用以下方法对原料进行预处理：
将适量的纳米三氧化二铝置于盛有质量浓度为2％的硅烷偶联剂KH-570的无水乙
醇溶液的容器中，将容器放入超声槽内，对纳米三氧化二铝进行偶联、超声分散，超声频率
20±2KHz，超声时间20～30分钟。将上述容器中溶液过滤后，将过滤物——硅烷偶联剂KH-
570改性的纳米三氧化二铝置于真空干燥箱中干燥，于-0.08～-0.1MPa、140±5℃下，干燥6
～10小时。干燥后密封保存备用。
将二硫化钼放在真空干燥箱内进行真空干燥，于-0.08～-0.1MPa、120±5℃下，干
燥2～4小时。干燥后密封保存备用。
干燥处理时原料平铺在真空干燥箱内，平铺厚度不超过25mm。纳米三氧化二铝进
行偶联、超声分散主要是提高材料表面活性，增加表面结合力，纳米三氧化二铝和二硫化钼
易吸水，真空干燥的作用是去除水分和空气。
步骤1)中所述混合是在10000～11000r/min下，搅拌混合20～30秒。优选在上述混
合条件下搅拌混合3～5次。
进一步的，采用以下方法进行混合：将硅烷偶联剂改性的纳米三氧化二铝过300目
筛，二硫化钼过100目筛；按配方量取原料加入机械搅拌机中，在转速10000～11000r/min条
件下搅拌3～5次，每次搅拌时间20～30秒，每次搅拌后均需打开搅拌机，清理搅拌机死角，
出料后密封保存备用。使用前上述混合料均需再过80目筛，以去除未搅拌均匀的小颗粒等，
对筛下混合料进行目视观察，无明显色差即为合格。上述混料工艺设计合理，使填充剂纳米
三氧化二铝与二硫化钼在聚四氟乙烯中均匀分散。
步骤1)中，所述压制成型为双向压制成型，先将混合料加压至100～180kg/cm2进
行一次压制，卸压；再加压至400～500kg/cm2进行二次压制，卸压。
优选的，一次压制时，加压速率为18～22mm/min，卸压速率为8～12mm/min；二次压
制时，加压速率为3～7mm/min，卸压速率为1～3mm/min。一次压制的保压时间为0.5～1min，
二次压制的保压时间为4～8min。
步骤2)中，以40～80℃/h的升温速率加热至322～332℃，再以20～50℃/h的升温
速率加热至370～380℃。一次烧结的时间为1～2h；二次烧结的时间为1～3h。
该步骤中，以20～60℃/h的降温速率降温至310～320℃，保温1～2h。
本发明的轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法，压制成型过程的工艺参数选
配得当，所得聚四氟乙烯复合保持架具有较好的尺寸稳定性、批次稳定性及承载性；烧结过
程中的温度控制点、升温速度、降温速度及保温时间参数选配得当，使得所得聚四氟乙烯复
合保持架具有极佳的综合性能；聚四氟乙烯材料属结晶型高分子聚合物，降温冷却过程实
质上是聚四氟乙烯由无定型相转变为结晶相的过程，冷却速度的快慢决定着制品的结晶
度，冷却速度太快会导致制品结晶度小且内部冷却不均匀，制品收缩变形，甚至产生应力开
裂现象。
本发明的轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法，烧结、冷却结晶过程衔接合
理，制品晶粒细小、均匀度好，产品无开裂且具有超低温下机械强度高、承载能力强、自润滑
性能优良、耐磨性好及热传导率大等特点，用在超低温高速轴承上可显著提高轴承的可靠
性和稳定性，满足dn值大于150万的超低温高速轴承工况对复合保持架材料的要求，可广泛
用于超低温高速轴承领域。
本发明的轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法，工艺简单，可使用程控式压
力机压制生产，使得复合材料批次稳定性得到极大提高。
附图说明
图1为本发明所用轴承保持架模具的示意图；
图2为图1轴承保持架模具的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。以下实施例中，所用纳米三氧化二
铝的粒径为30nm；二硫化钼的粒径为40μm。
轴承保持架模具的示意图如图1和图2所示。所述保持架模具包括模芯2、模套1、冲
头3和底座4，所述模芯2为长度沿轴线方向延伸的圆柱体；所述底座4为横截面为圆环形的
套体且吻合套设在所述模芯2一端的外径处；所述模套1为横截面为圆环形的套体且吻合套
设在底座4的外径处；所述冲头3为内径表面与所述模芯2的外径表面吻合插接配合、外径表
面与所述模套1的内径表面吻合插接配合的管状体；模套底部设有用于支撑模套的垫片6；
为了改善压制过程中因复合材料粉料与模具间及复合材料自身颗粒间摩擦作用形成的压
力差，减小复合保持架材料上下密度差问题，本发明中复合保持架材料采用两次压制的方
法，两次压制过程均是对冲头和底座双面加压；一次压制时，垫片主要起到支撑和抬高模套
的作用，二次压制时，去除垫片，使得冲头和底座双向压制力更直接的作用到复合保持架材
料上，减小复合保持架材料上下密度差；模芯2、模套1、冲头3和底座4之间形成用于使轴承
保持架成型的模腔5。所述冲头和底座的内径尺寸与模芯的外径尺寸相匹配，所述冲头和底
座的外径尺寸与模套的内径尺寸相匹配。
聚四氟乙烯复合保持架的内径为d、外径为D、高度为H，则在保持架模具选取中，所
述模套的内径＝D+5mm，所述模芯的外径＝d-3mm，所述模套的高度＝模芯的高度≥3.5×(H
+2)。
采用图1及图2的模具进行压制时，将模具置于程控式压力机之上，在保持架模具
的模套与底座结合处左右两边各设置一个高度一致且比底座低的垫片(垫片形状无特殊要
求)，对混合料进行双向压制，以20±2mm/min的速度加压至100～180kg/cm2(初压压力)并
力保载0.5～1min，再以10±2mm/min的卸压，去除垫片，从而使底座露出模套外，保证对复
合保持架材料进行的二次加压时是从底座和冲头两边同时受力，然后以5±2mm/min的速度
加压至400～500kg/cm2(终压压力)并力保载4～8min，再以2±1mm/min的速度缓慢卸压，脱
模，即得保持架毛坯。
根据聚四氟乙烯复合保持架的直径不同，初压压力及终压压力也可不同，本领域
技术人员可根据需要进行调整。优选的，聚四氟乙烯复合保持架的外径(D)与初压压力、终
压压力的选择如下表1所示。
表1程序压制成型工艺参数
保持架的外径
D≥100mm
50mm≤D＜100mm
D＜50mm
初压压力/kg/cm2
100～120
120～150
150～180
终压压力/kg/cm2
400～425
425～450
450～500
将保持架毛坯装入程控烧结炉内烧结成型，相邻毛坯之间间距不小于毛坯最大直
径的1/5。
根据聚四氟乙烯复合保持架的直径不同，各温度控制点的保温时间也可不同，本
领域技术人员可根据需要进行调整。优选的，复合材料保持架的外径(D)与各温度控制点的
保温时间的选择如下表2所示。
表2程序烧结成型的工艺参数
实施例1
本实施例的聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：KH-570改性的
纳米三氧化二铝3％、二硫化钼5％、聚四氟乙烯92％。
本实施例的轴承用聚四氟乙烯复合保持架，由以下质量百分比的组分组成：KH-
570改性的纳米三氧化二铝3％、二硫化钼5％、聚四氟乙烯92％。
本实施例的轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法，包括下列步骤：
1)将纳米三氧化二铝置于盛有质量浓度为2％的硅烷偶联剂KH-570的无水乙醇溶
液的容器中，将容器放入超声槽内，对纳米三氧化二铝进行偶联、超声分散，超声频率为
18KHz，超声时间为30分钟；将上述偶联、超声处理过的纳米三氧化二铝置于真空干燥箱中
进行真空干燥，干燥处理时原料平铺在真空干燥箱中，平铺厚度不超过25mm，控制真空度
为-0.08MPa，温度为135℃，真空干燥10h后取出冷却；对所得kH-570改性的纳米三氧化二铝
进行300目过筛处理，取筛下物密封保存备用；
将二硫化钼放在真空干燥箱内进行真空干燥，干燥处理时原料平铺在真空干燥箱
中，平铺厚度不超过25mm，控制真空度为-0.08MPa，温度为115℃，干燥4小时后取出冷却，并
对二硫化钼进行100目过筛处理，取筛下物密封保存备用；
2)依次称取配方量的聚四氟乙烯及步骤1)所得的kH-570改性的纳米三氧化二铝、
二硫化钼，加入机械搅拌机内，以10000r/min的转速搅拌3次，每次搅拌时间20s，每次搅拌
后打开搅拌机，清理搅拌机死角，出料后对搅拌后的粉料进行80目过筛处理，以去除未搅拌
均匀的小颗粒，对筛下物进行目视观察，无明显色差即为合格，密封保存备用，得到混合料；
3)将步骤2)所得混合料均匀填充入保持架模具的模腔内，然后压上冲头进行合
模；
4)将步骤3)模具合模后置于程控式压力机上，对混合料进行双向压制，以22mm/
min的速度加压至180kg/cm2并力保载1min，再以12mm/min的卸压；去除垫片，然后以7mm/
min的速度加压至500kg/cm2并力保载5min，再以3mm/min的卸压，脱模即得保持架毛坯；
5)将步骤4)所得保持架毛坯放入程控式烧结炉中烧结成型，相邻毛坯之间间距不
小于7.66mm；以80℃/小时的升温速率加热至327℃保温1小时，再以45℃/小时的升温速率
加热至370℃后保温1小时；后以60℃/小时的降温速率降温至315℃保温1小时，最后随炉冷
却至室温，即得超低温高速轴承用聚四氟乙烯复合保持架。
本实施例所得的聚四氟乙烯复合保持架成品的内径d＝30.6mm、外径D＝38.3mm、
高度H＝6mm，则保持架模具中，所述模套的内径＝D+5mm＝43.8mm，所述模芯的外径＝d-3mm
＝27.6mm，所述模套的高度＝模芯的高度≥3.5×(H+2)(即28mm)。
实施例2
本实施例的聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：KH-570改性的
纳米三氧化二铝5％、二硫化钼4％、聚四氟乙烯91％。
本实施例的轴承用聚四氟乙烯复合保持架，由以下质量百分比的组分组成：KH-
570改性的纳米三氧化二铝5％、二硫化钼4％、聚四氟乙烯91％。
本实施例的轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法，包括下列步骤：
1)将纳米三氧化二铝置于盛有质量浓度为2％的硅烷偶联剂KH-570的无水乙醇溶
液的容器中，将容器放入超声槽内，对纳米三氧化二铝进行偶联、超声分散，超声频率为
18KHz，超声时间为28分钟；将上述偶联、超声处理过的纳米三氧化二铝置于真空干燥箱中
进行真空干燥，干燥处理时原料平铺在真空干燥箱中，平铺厚度不超过25mm，控制真空度
为-0.09MPa，温度为140℃，真空干燥8h后取出冷却，并对所得KH-570改性的纳米三氧化二
铝进行300目过筛处理，取筛下物密封保存备用；
将二硫化钼放在真空干燥箱内进行真空干燥，干燥处理时原料平铺在真空干燥箱
中，平铺厚度不超过25mm，控制真空度为-0.08MPa，温度为120℃，真空干燥3小时后取出冷
却，并对二硫化钼进行100目过筛处理，取筛下物密封保存备用；
2)依次称取配方量的聚四氟乙烯及步骤1)所得的KH-570改性的纳米三氧化二铝、
二硫化钼，加入机械搅拌机内，以11000r/min的转速搅拌4次，每次搅拌时间15s，每次搅拌
后打开搅拌机，清理搅拌机死角，出料后对搅拌后的粉料进行80目过筛处理，以去除未搅拌
均匀的小颗粒，对筛下物进行目视观察，无明显色差即为合格，密封保存备用；
3)将步骤2)所得混合料均匀填充入保持架模具的模腔内，然后压上冲头进行合
模；
4)将步骤3)模具合模后置于程控式压力机上，对混合料进行双向压制，以20mm/
min的速度加压至150kg/cm2并力保载1min，再以10mm/min的卸压；去除垫片，然后以5mm/
min的速度加压至430kg/cm2并力保载6min，再以2mm/min的卸压，脱模即得保持架毛坯；
5)将步骤4)所得保持架毛坯放入程控式烧结炉中烧结成型，相邻毛坯之间间距不
小于14.44mm；以60℃/小时的升温速率加热至327℃保温1.5小时，再以40℃/小时的升温速
率加热至375℃后保温2小时；后以40℃/小时的降温速率降温至320℃保温1.5小时，最后随
炉冷却至室温，即得超低温高速轴承用聚四氟乙烯复合保持架。
本实施例所得的聚四氟乙烯复合保持架成品的内径d＝54.8mm、外径D＝67.2mm、
高度H＝8.7mm，则保持架模具中，所述模套的内径＝D+5mm＝72.2mm，所述模芯的外径＝d-
3mm＝51.8mm，所述模套的高度＝模芯的高度≥3.5×(H+2)(即37.45mm)。
实施例3
本实施例的聚四氟乙烯复合材料，由以下质量百分比的组分组成：KH-570改性的
纳米三氧化二铝8％、二硫化钼2％、聚四氟乙烯90％。
本实施例的轴承用聚四氟乙烯复合保持架，由以下质量百分比的组分组成：KH-
570改性的纳米三氧化二铝8％、二硫化钼2％、聚四氟乙烯90％。
本实施例的轴承用聚四氟乙烯复合保持架的制备方法，包括下列步骤：
1)将纳米三氧化二铝置于盛有质量浓度为2％的硅烷偶联剂KH-570的无水乙醇溶
液的容器中，将容器放入超声槽内，对纳米三氧化二铝进行偶联、超声分散，超声频率为
22KHz，超声时间为20分钟；将上述偶联、超声处理过的纳米三氧化二铝置于真空干燥箱中
进行真空干燥，干燥处理时原料平铺在真空干燥箱中，平铺厚度不超过25mm，控制真空度
为-0.1MPa，温度为142℃，真空干燥6h后取出冷却，并对所得KH-570改性的纳米三氧化二铝
进行300目过筛处理，取筛下物密封保存备用；
将二硫化钼放在真空干燥箱内进行真空干燥，干燥处理时原料平铺在真空干燥箱
中，平铺厚度不超过25mm，控制真空度为-0.1MPa，温度为125℃，真空干燥2小时后取出冷
却，并对二硫化钼进行100目过筛处理，取筛下物密封保存备用；
2)依次称取配方量的聚四氟乙烯及步骤1)所得的KH-570改性的纳米三氧化二铝、
二硫化钼，加入机械搅拌机内，以10000r/min的转速搅拌5次，每次搅拌时间20s，每次搅拌
后打开搅拌机，清理搅拌机死角，出料后对搅拌后的粉料进行80目过筛处理，以去除未搅拌
均匀的小颗粒，对筛下物进行目视观察，无明显色差即为合格，密封保存备用；
3)将步骤2)所得混合料均匀填充入保持架模具的模腔内，然后压上冲头进行合
模；
4)将步骤3)模具合模后置于程控式压力机上，对混合料进行双向压制，以18mm/
min的速度加压至120kg/cm2并力保载1min，再以8mm/min的卸压；去除垫片，然后以4mm/min
的速度加压至400kg/cm2并力保载5min，再以2mm/min的卸压，脱模即得保持架毛坯；
5)将步骤4)所得保持架毛坯放入程控式烧结炉中烧结成型，相邻毛坯之间间距不
小于22.5mm；以40℃/小时的升温速率加热至327℃保温2小时，再以30℃/小时的升温速率
加热至385℃后保温3小时；后以20℃/小时的降温速率降温至312℃保温2小时，最后随炉冷
却至室温，即得超低温高速轴承用聚四氟乙烯复合保持架。
本实施例所得的聚四氟乙烯复合保持架成品的内径d＝91.5mm、外径D＝107.5mm、
高度H＝12.5mm，则保持架模具中，所述模套的内径＝D+5mm＝112.5mm，所述模芯的外径＝
d-3mm＝88.5mm，所述模套的高度＝模芯的高度≥3.5×(H+2)(即50.75mm)。
试验例
本实验例对实施例1～3所得聚四氟乙烯复合保持架进行性能测试。结果如表3所
示，其中对比例1为传统聚四氟乙烯复合保持架，即玻璃纤维改性聚四氟乙烯复合保持架。
表3各实施例和对比例所得聚四氟乙烯复合保持架的性能测试结果
通过表3可以看出，实施例1～3所得聚四氟乙烯复合保持架与传统玻璃纤维改性
PTFE复合保持架相比，无论常温还是液氮温度下，拉伸强度和抗压强度均有明显提高；热传
导性能也得以提升，其摩擦系数、磨损量及磨痕宽度均有所降低。试验结果表明，本发明的
聚四氟乙烯复合保持架具有机械强度高、承载能力强、自润滑性能优良、耐磨性好及热传导
率大等特点，用在超低温高速轴承上可显著提高轴承的可靠性和稳定性，满足dn值大于150
万的超低温高速轴承工况对复合保持架材料的要求，可广泛用于超低温高速轴承领域。