碳纖維增強復合材料在自潤滑軸承中的應用2

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1、碳纖維增強復合材料的研究開發(fā)以熱固性樹脂制成的軸承在市場上出現(xiàn)以來，在軸承領域里，各種聚合物和聚合物為主的各種混合物的應用已不斷增加。可以用作軸承材料的塑料品種很多，如聚四氟乙烯、尼龍、聚酰亞胺、聚甲醛、低壓聚乙烯等，它們都有很好的自潤滑性，摩擦系數(shù)小，功率損耗比金屬軸承約小15％。聚四氟乙烯為目前氟塑料中綜合性能最突出、應用最廣、產(chǎn)量最大的一個品種，它有高度的化學穩(wěn)定性，耐強腐蝕，極好的自潤滑性，摩擦系數(shù)極小等特點。但純聚四氟乙烯尺寸穩(wěn)定性差，耐磨性差，而加入填充劑可以改善其摩擦性能，提高其硬度和強度。經(jīng)過反復試驗，我公司開發(fā)出新型熱固型鎢-碳纖維軸承，相比

2、傳統(tǒng)軸承，鎢-碳纖維軸承具有更好的性能和性價比。2W-CFRP軸承的工作機理與摩擦特性2.1W-CFRP軸承的工作原理W-CFRP軸承一般與金屬軸形成一對旋轉(zhuǎn)摩擦副。在跑合階段，由于旋轉(zhuǎn)軸表面有一定的粗糙度，具有不同的“凸峰”和“凹谷”，夸大來講就好像鋼銼一樣對W-CFRP軸承內(nèi)表面產(chǎn)生磨削作用，磨削下來的W-CFRP大部分填充到凹谷中。隨著轉(zhuǎn)軸運動的持續(xù)進行，磨削下來的W-CFRP粉末累積量不斷增加，填充更多的凹谷?！澳ハ饕惶畛洹边^程持續(xù)進行，導致轉(zhuǎn)軸表面上所有凹谷均填滿了W-CFRP微屑。在轉(zhuǎn)子重力作用下，凹谷內(nèi)W-CFRP微屑被壓實，使軸外表面緊密粘附一

3、層W-CFRP膜層，且形成連續(xù)光滑面。這全過程完成了軸承內(nèi)表面W-CFRP的部分“轉(zhuǎn)移”，轉(zhuǎn)移的結(jié)果是：由金屬與W-CFRP兩種材料變?yōu)閃-CFRP一種材料之間的相互摩擦。由于CFRP良好的自潤滑性能，因此在跑合以后的工作階段，軸承表面的磨損量隨之下降到一個極低的水平，從而使摩擦副表面得到保護，大大減輕了轉(zhuǎn)軸與軸承表面的磨損，延長了工作壽命。2.2W-CFRP軸承的摩擦磨損特性自潤滑軸承屬于干摩擦，因此可根據(jù)古典摩擦理論的基本公式求出其摩擦力，進而求出軸承的耗功量。F=fW式中F—摩擦力，kgf；f—摩擦系數(shù)：W—接觸面積的法向載荷，kgf。公式中的摩擦系數(shù)f

4、只適用于干摩擦或邊界摩擦的狀況。對于任一給定摩擦副的表面，其摩擦力大致與載荷成比例，因而摩擦系數(shù)f為一常數(shù)。就初步近似而言，摩擦力也與物體的面積無關。然而摩擦系數(shù)f不能視為接觸時材料的恒定特征值，因為摩擦力取決于許多可變因素，例如表面的宏觀形狀、表面粗糙度、表面可能形成的膜、滑動速度等。我們測得CFRP軸承與碳鋼對摩的摩擦系數(shù)f≈O.17～0.24。磨損決定無潤滑軸承的使用壽命，而磨損率取決于材料的機械性質(zhì)和摩擦特性，并隨載荷和速度的增加而增大，但不與運轉(zhuǎn)時間成線性比例關系，即磨損率一般不是常數(shù)。W-CFRP軸承的制造有一定的難度，首先是熱固型材料有常溫下就有

5、一定的粘度,跟鎢的燒結(jié)過程前段要均勻的將鎢和碳纖維表面充分接觸，量的控制要相當均勻，否則就有可能造成鎢堆積，或鎢缺失，這樣都不能最大限度發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢。根據(jù)我們的實際情況，我們選用三步成型工藝。先解決兩種材料的結(jié)合問題，然后解決固化過程中的流動性問題，這影響固化后的強度和固化后的表面致密度和光滑度。再就是解決3.1原料的選擇與處理(1)碳纖維(簡稱CF)。是PNA經(jīng)過預氧化和碳化處理后制成的一種增強骨架材料，它具有高強度、高模量、底密度、耐高溫、抗燒蝕、耐腐蝕等特殊性質(zhì)，有很底的線脹系數(shù)，室溫時差不多為負值(約為1.0×10-8/攝式度以下)，而在200~

6、400攝式度時則接近于零。它的摩擦系數(shù)很小，特別在與金屬對摩時更是如此。我公司采用的CF是PAN系列，主要性能如表1拉伸強度拉伸模量密度g/cm34950MPa230GPa1.75CF經(jīng)過一系列工藝處理過程，最后達到要求的含水量和纖維長徑比。(3)PTFE樹脂選用懸浮樹脂，其性能參數(shù)見表2。表2選用PTFE的性能參數(shù)密度g/cm3拉伸強度MPa加熱失重（﹥400℃）2.8~2.2﹥30﹤0.04%3.2配方研究根據(jù)用戶提出的不同機種工況條件和軸承的工作原理，要求材料剛性好、硬度強度高、耐磨損，我們研制出不同的材料配方。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)在PTFE中加入適當比例

7、的碳纖維、玻璃纖維及不同的金屬粉等填料，能改善材料的性質(zhì)，提高其硬度強度和剛度。這些填料的加入還使CFRP軸承抗蠕變性比PTFE提高了10倍，耐磨提高了約20倍，硬度增加了300％而且軸承工作穩(wěn)定性得到大大改善。選擇合理配方，必須弄清使用工況條件，然后才能設計出CF、PTFE等填充劑的最佳配比。通過三年多的試驗，先后研制出十幾種配方，從中優(yōu)選出5種配方供生產(chǎn)使用。3.3成型工藝將各種原材料選定后，按一定配方混合?；旌媳仨毦鶆颍缓筮M行中溫固化等工藝過程，直至加工出成品軸承，全過程主要分四部分：(1)配方設計與混合，這一步是關鍵。(2)預成型工藝。成型壓力的大小

8、與收縮率有很大關系(3)精磨工藝(4)