Rulon耐磨材料的粘接工艺研究

辛存良，何世安，何玉龙，吴维薇

（中国电子科技集团公司第十六研究所，低温技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230043）

Rulon耐磨材料的粘接工艺研究

辛存良，何世安，何玉龙，吴维薇

（中国电子科技集团公司第十六研究所，低温技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230043）

选用Rulon1337耐磨材料，分别使用超声波清洗、等离子清洗和钠萘溶液表面处理工艺等表面处理方法，探讨了Rulon1337和不锈钢活塞的粘接工艺，同时利用喷涂方法进行了胶层的制备，并对粘接性能进行了分析。结果表明，多种混合清洗工艺和真空旋转粘接能够保证粘接的强度，粘接强度相对最高达3.6 MPa，能够较好地在压缩机中长期使用。

Rulon；清洗；活塞；喷胶；剪切强度

Rulon材料是一类经由聚四氟乙烯改性后的复合材料，其具有良好的自润滑性能和耐磨性能[1]，常用作自润滑耐磨材料的基体材料。Rulon材料具有很宽的工作温度范围，使用温度可以达到300 ℃以上，而且具有极低的摩擦系数，减磨性能较好。不同型号的Rulon材料具有不同的适用领域，由于Rulon1337在压缩机活塞环表面具有优异的耐磨性能，因此，常用作压缩机活塞环的表面耐磨材料。压缩机是斯特林制冷机中重要的组成部分，而压缩机中活塞表面的耐磨材料是其斯特林制冷机性能和寿命的关键影响因素。目前，在压缩机中普通活塞的耐磨性较差、可靠性较低，因此，研究活塞表面的耐磨材料至关重要。现在一般是将耐磨材料粘接在活塞表面起耐磨的作用，具体的模型如图1所示。

图1 模型图Fig.1 Schematic of model

本研究选用Rulon1337和不锈钢材质的活塞作为研究对象，对表面处理工艺和粘接工艺进行研究，对Rulon1337和活塞的粘接性能进行分析，以获得满足压缩机使用的性能要求。

1 实验部分

1.1 主要原料

Rulon1337，法国进口；活塞、钠萘溶液，自制；环氧胶粘剂，三键化工（上海）有限公司；丙酮、无水乙醇，市售。

1.2 仪器与设备

Jk-10A型超声波清洗机，合肥金尼克机械制造有限公司；DQX-206E型等离子清洗设备，中国电子科技集团公司第二研究所；MTS810型材料拉伸试验机，美国MTS系统公司；DZF-1B型真空干燥箱，上海贺德实验设备有限公司；MM-400型光学显微镜，日本尼康公司；荷花牌2#喷枪，上海喷枪厂。

1.3 试样制备

所需的试样先经过丙酮超声清洗、等离子清洗、纳萘溶液处理，最后再用丙酮超声清洗。

1.4 性能测试

（1）微观形貌：采用光学显微镜进行观察。

（2）剪切强度：按照GB/T7124—2008标准，采用材料拉伸试验机进行测试。

2 结果与讨论

2.1 清洗工艺对粘接强度的影响

为了彻底清除粘接面的污物，保证粘接强度，有必要对粘接面进行多道工序的清洗。丙酮超声清洗方法主要通过超声波作用在丙酮溶剂中将样件表面的油脂和污物清洗掉；等离子清洗除了更彻底地将油脂和污物清洗掉之外，最主要的是通过等离子体的活性组分（包括离子、电子、活性基团、激发态的核素和光子等）来处理样件表面，从而达到常规清洗方法无法达到的清洗效果。等离子清洗具有良好的均匀性、重复性和可控性，故清洗效果较明显[2]。待等离子清洗之后，在1 h内对Rulon1337耐磨材料进行钠萘溶液的表面活化处理，由于Rulon1337是聚四氟乙烯改性的复合材料，聚四氟乙烯是“不粘材料”[3]，因此，通过钠萘溶液的处理可使Rulon1337表面达到活化的目的。待钠萘溶液处理后再次进行丙酮超声清洗以除去残留的钠萘溶液。多种清洗工艺保证了粘接面洁净无污物，有利于提高粘接强度和稳定粘接面。

清洗后的活塞和Rulon1337耐磨材料表面的显微形貌如图2所示。由图2可以看出：材料表面无污物且微观下材料表面凹凸不平，这样就可以保证粘接过程中胶层能够充满粘接面，使活塞和耐磨材料环粘接牢固。

图2 清洗后的活塞（左）和Rulon1337（右）表面形貌Fig.2 Surface appearances of piston（left）and Rulon1337（right）after cleaning

2.2 粘接工艺对粘接强度的影响

2.2.1 胶层制备对粘接强度的影响

常规粘接是在被粘接的2个样件表面涂覆一层胶粘剂，然后将2样件进行粘接固化成型。这种粘接方法的缺点是胶粘剂在涂覆时不均匀且导致混入较多的空气进入胶层，使胶层固化后易出现气泡空隙，使样件粘接不牢固，寿命较短。因此，胶层的制备极为关键。

通过喷涂的方式制备胶层（简称喷胶）是一种新型方法，具体的制备流程如图3所示。将一定量的胶粘剂溶解在盛有适量无水乙醇的烧杯中，然后在均质搅拌机的作用下均质搅拌使胶粘剂溶解充分，接着倒入喷枪中，以喷涂的方式在样件表面进行喷胶，最终形成一层薄薄的胶层，而胶层中的无水乙醇在加热过程中快速挥发，同时带走混入胶层的空气，保证了胶层均匀无气泡。

图3 胶层制备流程Fig.3 Preparation process of adhesive layer

2.2.2 旋转粘接对粘接强度的影响

旋转粘接是通过一定转速的旋转机在转动的活塞上进行粘接的过程。其步骤是：先将Rulon1337材料放置在60～80 ℃的真空烘箱中保温30 min，真空烘箱的真空负压度控制在0.1 MPa，之后将活塞固定在旋转机上夹好，然后设置旋转机一定的转速，将喷枪里的胶粘剂在氮气压力作用下均匀地喷涂在活塞表面，喷涂结束之后均匀加热活塞表面以加速无水乙醇的挥发，同时带走胶层中混入的空气，然后将在真空烘箱里保温的Rulon1337材料取出均匀地与匀速旋转的活塞进行旋转粘接，以保证粘接的均匀性。粘接后的样件放在真空烘箱中按照胶粘剂的固化工艺进行固化，并用显微镜观察固化后粘接样件粘接部位的显微形貌，结果如图4所示。图4a是粘接界面处的显微形貌，图4b是粘接样件的一体显微形貌，由图4可以看出：粘接界面处无气泡、也无粘接残缺结构的存在，即粘接面完好。

图4 粘接界面处的显微形貌Fig.4 Microscopic appearances of bonding interface

2.3 粘接性能

对粘接样件进行拉伸剪切强度的测试，同一批次进行5件的粘接及性能测试，结果如表2所示。

表2 不同批次粘接样件的粘接性能Tab.2 Bonding properties of different batch bonding specimens

由表2可知：同一批次粘接样件的剪切强度 基 本 一 致 ， 即1#、 2#和 4#的 数 值 为3.6 MPa，而3#和 5#的数值为3.5 MPa，性能稍有下降。这可能是由于在固化时局部温度过高，在固化过程中导致整个粘接面局部发生了快速固化，这一部分固化后的交联点会比较集中；还有一些部分则比较稀疏，表现出一定的脆性，在受力时容易发生脆性断裂，因此，在整个粘接面进行测试时会出现性能下降的现象。但通过观察测试后的样件，其断裂层的表现都为以内聚破坏为主的破坏形式。

3 结论

（1）经丙酮超声清洗、等离子清洗、钠萘溶液活化处理和丙酮超声清洗等表面处理后，Rulon1337表面起到了彻底清洗的效果和表面活化的作用，有利于粘接性能的提高。

（2）通过引入喷胶这一配胶工艺，消除了粘接过程中空气的混入，同时保证了粘接胶层的均匀性和牢固度。

（3）对粘接后的同批次样件在同种条件下进行拉伸剪切强度的测试，活塞与Rulon1337耐磨材料的粘接强度为3.6 MPa，效果较好，能够满足在压缩机中的长期使用。

[1]宫德利,薛群基.聚四氟乙烯及其复合材料的转移与磨损[J].固体润滑,1990,10(2):73-83.

[2]唐娟,程凯,钟明全,等.等离子清洗多层陶瓷外壳的研究[J].表面技术,2011,40(6):98-100.

[3]黄丽,杨儒,郭江江,等.微米和纳米SiO2改性聚四氟乙烯的摩擦磨损性能[J].复合材料学报,2004,21(4):82-86.

Study of bonding process of rulon wear-resisting material

XIN Cun-liang, HE Shi-an, HE Yu-long, WU Wei-wei
(Key Laboratory of Low Temperature Technology in Anhui province, The 16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Hefei, Anhui 230043, Chinaa)

Choosing Rulon1337 as the wear-resisting material and using the ultrasonic cleaning, plasma cleaning and sodium naphthalene etching solution cleaning as the mixed surface treatment method, we discussed the bonding process of stainless steel piston and Rulon1337, prepared the adhesive layer on the stainless steel piston by spraying and analyzed the results of bonding property. The results indicate that using the mixed cleaning technique and the vacuum keeping warmrotation bonding-vacuum curing can essure the bonding strength, and the shear strength is 3.6 MPa, which can be used in the compressors over a long period of time.

Rulon; cleaning; piston; adhesive spreaying; shear strength

TG494

A

1001-5922（2017）11-0064-03

2017-03-16

辛存良（1988-），男，硕士，工程师，主要从事耐磨材料、DLC镀膜相关研究。E-mail：cunliangxin@163.com。