一种应用于高温宽温域苛刻工况下的高强度低磨损自润滑织物衬垫复合材料及其制备方法和应用

本发明属于自润滑材料，涉及一种应用于高温宽温域苛刻工况下的高强度低磨损自润滑织物衬垫复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、自润滑关节轴承广泛应用于航空航天、船舶工程及工业装备等领域，构成高端装备的关键运动部件，其服役性能直接决定装备的传动精度、运行可靠性及使用寿命。该类轴承的摩擦副由内圈球面、外圈球面及自润滑衬垫组成，其中衬垫材料的摩擦学性能是影响轴承整体性能的核心因素。

2、织物复合自润滑衬垫因其兼具轻质、高承载能力及稳定的摩擦学特性而得到广泛应用。然而，随着航空航天及重型机械等领域向高温、高载、高速等极端工况发展，传统以ptfe/芳纶增强的酚醛基织物复合材料在高温环境下易发生基体组分（如酚醛树脂）的热分解及增强纤维（如芳纶）的性能退化，从而难以满足对耐热性、润滑性、承载能力及服役寿命日益严苛的要求。

3、近年来，提升纤维织物复合材料的高温摩擦学性能，并开发适用于极端高温环境的新型自润滑材料，已成为该领域的研究热点。然而，现有材料体系（如聚四氟乙烯纤维/芳纶纤维增强酚醛复合材料）在长期处于300℃以上高温环境时，难以维持热稳定性与力学性能：酚醛树脂在超过200℃时会发生热分解，芳纶纤维在260℃以上性能显著退化，由此导致界面结合劣化、承载能力下降以及润滑失效。当前主要的改进策略包括：对纤维进行表面改性以增强界面结合，以及在树脂基体中引入固体润滑剂或导热填料，从而构建润滑/导热网络。但这些方法在长期300℃以上工况下仍存在根本性局限：界面改性无法弥补纤维与树脂基体自身在高温下的固有缺陷；而填料分散性差及相容性不佳等问题则会破坏复合材料的结构连续性，使得润滑性能与力学性能难以实现协同提升。目前，虽然国内已开发出采用耐热性更高的树脂或纤维体系的高温自润滑衬垫，但仍未在材料设计与结构设计层面实现协同创新，其在300 ℃以上工况下的长期服役可靠性尚难以得到充分保障。

4、例如，中国专利申请cn112277399a、cn116556075a、cn111286196a及cn111844968a中，分别采用玄武岩纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维作为增强纤维，并以改性氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂等树脂基体作为粘结剂，然而，现有织物结构仍沿用传统设计，即通过平纹、斜纹或缎纹等机织方式，将增强纤维束与润滑纤维束进行物理交织。此类“混合编织”结构在高温环境下暴露出“结构-功能耦合失效”的根本性缺陷：在300℃以上的极端高温条件下，聚四氟乙烯（ptfe）润滑纤维发生软化乃至熔融，力学性能急剧衰减。在摩擦应力作用下，润滑纤维进一步发生塑性流动甚至熔断，进而破坏织物增强体的交织形态及其力学互锁机制，最终导致织物复合材料整体解体，润滑功能与承载结构同步失效。

5、可见，现有技术虽然对于面向高温极端工况，开发兼具低摩擦、低磨损、高承载及长寿命特性的自润滑织物材料已经做出了一系列研究，但并不能说是充分的，具有进一步探究的空间。

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、基于上述现有技术存在的问题，本发明需要提供一种自润滑织物材料，其能够克服由“混合编织”结构等材料体系固有缺陷在高温环境下暴露出“结构-功能耦合失效”的问题，以实现300℃以上的高温极端工况下长期服役过程中润滑与承载一体化应用需求。

3、发明人发现，要突破现有性能瓶颈，不仅需要引入具有更优耐高温性能的材料体系，更应从增强体基本构筑单元的空间拓扑结构出发，构建一种在高温环境下既能实现润滑供给与力学支撑的相对独立、又能使二者协同作用的新型结构方案。

4、基于上述发现，发明人从纤维束尺度出发，开展功能一体化设计，突破传统构型，提出了一种基于纬纱“芯-鞘”结构的新型自润滑织物复合材料，以协同提升复合材料在高温环境下的承载能力与自润滑性能。

5、用于解决问题的方案

6、本发明从材料体系与结构设计两个层面开展创新，提出并研制了一种面向高温极端工况、具有结构的新型自润滑织物复合材料。

7、在材料体系层面，摒弃耐热性不足的酚醛树脂/芳纶纤维体系，选用长期使用温度超过300℃的热固性聚酰亚胺树脂作为粘结剂，并以热分解温度高于600℃的聚对苯撑苯并二噁唑（pbo）纤维束作为核心增强骨架，从而从材料本源上保障织物复合材料在极端环境下的结构稳定性与承载能力。

8、在结构设计层面，通过对纤维束进行“芯-鞘”构型的创新设计，验证了“内层承载、外层润滑”物理分区的可行性，实现了润滑功能与承载功能的解耦及其长期协同。

9、本发明首先提供一种应用于高温宽温域苛刻工况下的高强度低磨损自润滑织物衬垫复合材料，其包括混纺织物和作为粘结剂材料的热固性树脂，其中，所述热固性树脂渗透于所述混纺织物中，所述混纺织物由具有芯鞘结构的复合纱线与增强纤维织造得到；

10、所述具有芯鞘结构的复合纱线包括芯纱和通过包缠的方式以螺旋状缠绕于所述芯纱表面的润滑鞘层，其中，所述芯纱包括聚对苯撑苯并二噁唑纤维，所述润滑鞘层包括聚四氟乙烯纤维，所述包缠的捻度为800-1500t/m；

11、所述增强纤维为聚对苯撑苯并二噁唑纤维；

12、所述热固性树脂包括聚酰亚胺树脂。

13、根据本发明所述的应用于高温宽温域苛刻工况下的高强度低磨损自润滑织物衬垫复合材料，其中，所述芯纱还包括聚四氟乙烯纤维，并且，所述芯纱中，聚对苯撑苯并二噁唑纤维与聚四氟乙烯纤维通过平行并纱加捻形成合股芯纱，优选地，所述加捻的捻度为100-200t/m，所述合股芯纱的捻回角为5-30°。

14、根据本发明所述的应用于高温宽温域苛刻工况下的高强度低磨损自润滑织物衬垫复合材料，其中，所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的单丝直径为10-25μm，线密度为250-1000d，优选单丝直径为10-20μm，线密度为400-600d；

15、所述聚四氟乙烯纤维的单丝直径为10-25μm，线密度为100-500d，优选单丝直径为10-20μm，线密度为350-450d；

16、所述聚酰亚胺树脂的含量为所述复合材料总质量的20-50质量%。

17、根据本发明所述的应用于高温宽温域苛刻工况下的高强度低磨损自润滑织物衬垫复合材料，其中，所述织造为平纹、斜纹和缎纹中的至少一种，优选为斜纹，更优选为1/3破斜纹；

18、所述混纺织物中，所述具有芯鞘结构的复合纱线为纬纱，所述增强纤维为经纱，优选地，所述纬纱的编织密度为150-250根/cm，所述经纱的编织密度为150-300根/cm。

19、本发明也提供一种根据本发明所述的应用于高温宽温域苛刻工况下的高强度低磨损自润滑织物衬垫复合材料的制备方法，其中，包括以下步骤：

20、s1：将润滑鞘层通过包缠的方式以螺旋状缠绕于芯纱表面，得到具有芯鞘结构的复合纱线，所述包缠的捻度为800-1500t/m；

21、s2：将具有芯鞘结构的复合纱线与增强纤维进行编织得到混纺织物；

22、s3：将混纺织物进行空气等离子体改性处理得到改性混纺织物；

23、s4：将改性混纺织物浸渍于热固性树脂溶液并干燥得到织物复合材料预浸料；

24、s5：将织物预浸料进行热压得到自润滑织物衬垫复合材料。

25、根据本发明所述的制备方法，其中，当所述芯纱包括聚对苯撑苯并二噁唑纤维与聚四氟乙烯纤维的组合时，在步骤s1前还包括将聚对苯撑苯并二噁唑纤维和聚四氟乙烯纤维进行前处理得到芯纱的步骤，所述前处理包括并纱与加捻工序，优选地，所述并纱的速率为5～15m/min，所述加捻的捻度为100-200t/m，捻向为z捻，速比为0.95~1.05。

26、根据本发明所述的制备方法，其中，步骤s3中，所述空气等离子体改性处理的功率为60-150w，时间为5-20min。

27、根据本发明所述的制备方法，其中，步骤s4中，所述热固性树脂溶液的含固量为30-60质量%，优选40-50质量%；

28、所述织物复合材料预浸料中，热固性树脂质量为所述织物复合材料预浸料总质量的20~50质量%；

29、所述浸渍的温度为40~80℃，浸渍的时间为15~30min；

30、所述干燥的温度为40~80℃，干燥的时间为60~100min。

31、根据本发明所述的制备方法，其中，步骤s5中，所述热压是在0.05~3mpa压力下升温至150~300℃的温度，保温处理0.5~4h；

32、优选地，所述升温的速率为2~8℃/min；

33、更优选地，所述热压为分段式热压，其包括：在170~180℃下0.1~0.3mpa载荷压制30~60min，在220~230℃下1~2mpa载荷压制30~60min，在260~270℃下1~2mpa载荷压制30~60min，在290~300℃下1~2mpa载荷压制30~60min。

34、本发明还提供一种根据本发明所述的自润滑织物衬垫复合材料在于航空航天、船舶工程及工业装备中的应用。

35、发明的效果

36、在面向高温极端工况下自润滑织物复合材料所面临的润滑失效与结构失稳瓶颈，本发明提出的自润滑织物衬垫复合材料以热固性聚酰亚胺树脂为粘结剂，以pbo纤维为承载骨架，通过对纬纱实施“芯-鞘”构型设计，实现了润滑组分（ptfe）与承载组分（pbo）的空间解耦与功能协同，从根源上切断了传统材料在高温下“结构-功能耦合失效”的连锁反应。该复合材料在宽温域范围内展现出优异的力学性能与摩擦学性能，可在高达350℃的极端工况下实现稳定服役。本发明提出的“芯-鞘”结构设计策略，从纤维束尺度破解了传统材料在300℃以上难以兼顾润滑性能与承载能力的固有矛盾，为高温关节轴承等关键部件在极端工况下实现长寿命、高可靠运行提供了高性能材料解决方案。