碳纤维增强复合材料在自润滑轴承中的应用2

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1、碳纤维增强复合材料的研究开发以热固性树脂制成的轴承在市场上出现以来，在轴承领域里，各种聚合物和聚合物为主的各种混合物的应用已不断增加。可以用作轴承材料的塑料品种很多，如聚四氟乙烯、尼龙、聚酰亚胺、聚甲醛、低压聚乙烯等，它们都有很好的自润滑性，摩擦系数小，功率损耗比金属轴承约小15％。聚四氟乙烯为目前氟塑料中综合性能最突出、应用最广、产量最大的一个品种，它有高度的化学稳定性，耐强腐蚀，极好的自润滑性，摩擦系数极小等特点。但纯聚四氟乙烯尺寸稳定性差，耐磨性差，而加入填充剂可以改善其摩擦性能，提高其硬度和强度。经过反复试验，我公司开发出新型热固型钨-碳纤维轴承，相比

2、传统轴承，钨-碳纤维轴承具有更好的性能和性价比。2W-CFRP轴承的工作机理与摩擦特性2.1W-CFRP轴承的工作原理W-CFRP轴承一般与金属轴形成一对旋转摩擦副。在跑合阶段，由于旋转轴表面有一定的粗糙度，具有不同的“凸峰”和“凹谷”，夸大来讲就好像钢锉一样对W-CFRP轴承内表面产生磨削作用，磨削下来的W-CFRP大部分填充到凹谷中。随着转轴运动的持续进行，磨削下来的W-CFRP粉末累积量不断增加，填充更多的凹谷。“磨削一填充”过程持续进行，导致转轴表面上所有凹谷均填满了W-CFRP微屑。在转子重力作用下，凹谷内W-CFRP微屑被压实，使轴外表面紧密粘附一

3、层W-CFRP膜层，且形成连续光滑面。这全过程完成了轴承内表面W-CFRP的部分“转移”，转移的结果是：由金属与W-CFRP两种材料变为W-CFRP一种材料之间的相互摩擦。由于CFRP良好的自润滑性能，因此在跑合以后的工作阶段，轴承表面的磨损量随之下降到一个极低的水平，从而使摩擦副表面得到保护，大大减轻了转轴与轴承表面的磨损，延长了工作寿命。2.2W-CFRP轴承的摩擦磨损特性自润滑轴承属于干摩擦，因此可根据古典摩擦理论的基本公式求出其摩擦力，进而求出轴承的耗功量。F=fW式中F—摩擦力，kgf；f—摩擦系数：W—接触面积的法向载荷，kgf。公式中的摩擦系数f

4、只适用于干摩擦或边界摩擦的状况。对于任一给定摩擦副的表面，其摩擦力大致与载荷成比例，因而摩擦系数f为一常数。就初步近似而言，摩擦力也与物体的面积无关。然而摩擦系数f不能视为接触时材料的恒定特征值，因为摩擦力取决于许多可变因素，例如表面的宏观形状、表面粗糙度、表面可能形成的膜、滑动速度等。我们测得CFRP轴承与碳钢对摩的摩擦系数f≈O.17～0.24。磨损决定无润滑轴承的使用寿命，而磨损率取决于材料的机械性质和摩擦特性，并随载荷和速度的增加而增大，但不与运转时间成线性比例关系，即磨损率一般不是常数。W-CFRP轴承的制造有一定的难度，首先是热固型材料有常温下就有

5、一定的粘度,跟钨的烧结过程前段要均匀的将钨和碳纤维表面充分接触，量的控制要相当均匀，否则就有可能造成钨堆积，或钨缺失，这样都不能最大限度发挥两种材料的优势。根据我们的实际情况，我们选用三步成型工艺。先解决两种材料的结合问题，然后解决固化过程中的流动性问题，这影响固化后的强度和固化后的表面致密度和光滑度。再就是解决3.1原料的选择与处理(1)碳纤维(简称CF)。是PNA经过预氧化和碳化处理后制成的一种增强骨架材料，它具有高强度、高模量、底密度、耐高温、抗烧蚀、耐腐蚀等特殊性质，有很底的线胀系数，室温时差不多为负值(约为1.0×10-8/摄式度以下)，而在200~

6、400摄式度时则接近于零。它的摩擦系数很小，特别在与金属对摩时更是如此。我公司采用的CF是PAN系列，主要性能如表1拉伸强度拉伸模量密度g/cm34950MPa230GPa1.75CF经过一系列工艺处理过程，最后达到要求的含水量和纤维长径比。(3)PTFE树脂选用悬浮树脂，其性能参数见表2。表2选用PTFE的性能参数密度g/cm3拉伸强度MPa加热失重（﹥400℃）2.8~2.2﹥30﹤0.04%3.2配方研究根据用户提出的不同机种工况条件和轴承的工作原理，要求材料刚性好、硬度强度高、耐磨损，我们研制出不同的材料配方。通过实验，我们发现在PTFE中加入适当比例

7、的碳纤维、玻璃纤维及不同的金属粉等填料，能改善材料的性质，提高其硬度强度和刚度。这些填料的加入还使CFRP轴承抗蠕变性比PTFE提高了10倍，耐磨提高了约20倍，硬度增加了300％而且轴承工作稳定性得到大大改善。选择合理配方，必须弄清使用工况条件，然后才能设计出CF、PTFE等填充剂的最佳配比。通过三年多的试验，先后研制出十几种配方，从中优选出5种配方供生产使用。3.3成型工艺将各种原材料选定后，按一定配方混合。混合必须均匀，然后进行中温固化等工艺过程，直至加工出成品轴承，全过程主要分四部分：(1)配方设计与混合，这一步是关键。(2)预成型工艺。成型压力的大小

8、与收缩率有很大关系(3)精磨工艺(4)