碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在自潤滑軸承中的應(yīng)用綜述

1、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究開發(fā)嘉興天翼科技有限責(zé)任公司唐清 2013 年2月16日以熱 固性 樹 脂制成 的 軸 承在 市場 上出 現(xiàn) 以 來 ，在 軸 承 領(lǐng)域里，各種聚合物和聚合物為主的各種混合物的應(yīng)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(yīng)用最廣、產(chǎn) 量最大的一個品種，它有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，耐強(qiáng)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

2、擦性能， 提高其硬度和強(qiáng)度。經(jīng)過反復(fù)試驗，我公司開發(fā)出新型熱固 型鎢-碳纖維軸承，相比傳統(tǒng)軸承，鎢-碳纖維軸承具有更好 的性能和性價比。2 W-CFRP 軸 承 的 工 作 機(jī) 理 與 摩 擦 特 性2.1 W-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(jìn)行，磨削 下來的 W

3、-CFRP 粉 末累 積量 不斷 增加 ，填 充更 多 的 凹谷?！?磨削 一 填 充”過 程 持 續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)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)?W-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(hù)，大大減輕了轉(zhuǎn)軸與軸承表面的 磨損，

4、延長了工作壽命。2.2 W-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(jìn)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 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(guān) 。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

5、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(jī)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(guān)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(dāng)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

6、化過程中的流動性問 題，這影響固化后的強(qiáng)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(yù)氧化和碳化處理 后制成的一種增強(qiáng)骨架材料，它具有高強(qiáng)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(fù)值 （ 約為 1.0 10 -8 / 攝式度 以下 ） ，而在 200 400 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(qiáng)度 拉伸模量 密度 g/cm 34950MPa230GPa1.75CF 經(jīng) 過一系 列

7、工 藝處 理過程 ，最后 達(dá)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/cm 3 拉 伸 強(qiáng) 度 MPa 加 熱 失 重 ( 400 )2 . 82 . 2 30 0.04%3.2 配 方研 究根據(jù)用戶提出的不同機(jī)種工況條件和軸承 的工作原理，要求 材料剛性好、硬度強(qiáng)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(dāng) 比 例 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(qiáng)度和剛度。這些填

8、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(shè)計出 C F 、 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。混 合必須均勻，然 后進(jìn)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(shè)計與 混合 ， 這 一步是 關(guān)

9、鍵。(2) 預(yù) 成型工藝 。成 型 壓 力的大 小 與收 縮 率 有很 大 關(guān)系(3) 精 磨工 藝(4) 后 整理 工藝W- CFRP 材 料 固 化時 發(fā) 生 的 變化 是 物 理 化 學(xué)變 化 的 交 替 過 程。從體積上看是膨脹和收縮的過程，升溫時體積增大，降 溫時體積減??；從相變上看，是一個晶相與無定型的相互轉(zhuǎn) 變的過程，當(dāng)制品加熱到一定溫度時，其結(jié)晶區(qū)破壞，開始 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu)的膠態(tài)，此過程是可逆的，將制品冷卻至 轉(zhuǎn)變點，又會由無定型態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)。固化過程分升溫、保 溫、降 溫三部分，其 中每一部分都能影 響制品質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制溫度梯度。(5) 機(jī)加 工 。將 半 成 品按 照

10、 結(jié)構(gòu)設(shè) 計 要 求進(jìn) 行機(jī) 加工 。加 工 CFRP 與金屬材料不同 ，需設(shè)計合 理的工裝，特 殊刀具和特 殊加工方法。3.4 W-CFRP 軸 承 性能研 制 出 的 W-CFRP 軸 承 性 能 參 數(shù) 見 表 3 。表 3 W-CFRP 軸 承 性 能 參 數(shù)密 度 g/cm 3 1.6 硬 度 HB5 抗 壓 強(qiáng) 度 1200MPa 磨 擦 系 數(shù) 0.13 磨 痕 寬 度 5mm 使 用 壽 命 大 于 10000 h4 CFRP 軸承 的 結(jié)構(gòu)與 設(shè) 計 特點W-CFRP 軸承可做成滑動軸承和推力軸承，根 據(jù)使用要求，大 致有三種形式：一是制作整體軸承；二是用金屬作軸瓦，然 后壓

11、入薄的 W-CFRP 襯套；這種表面來看可以降低成本，但 是操作不方便，增加了裝配難度。三是在金屬瓦背上涂覆一 層 W-CFRP 襯 。 目 前 就 國 內(nèi) 的 技 術(shù) 條 件 來 看 ， 前 兩 種 成 型 方 法比 較成 熟， 使用 效 果 好。其 形 狀見 圖 3 。設(shè) 計 使 用 W-CFRP 軸 承 時 ，要 針 對 其 特 點 ，著 重 考 慮 散 熱 及 熱膨脹等問題。4.1 配 合間 隙W-CFRP 材質(zhì)的膨 脹系數(shù)比金屬 小，導(dǎo)熱 系數(shù)也小， 因此其 間隙比金屬軸承 小一些，通常取軸承內(nèi)徑間隙為 :2c =(O.006 0.015)d式 2c 軸 承 內(nèi) 徑 與 軸 徑 的

12、總 徑 向 間 隙 ， mm ； d 軸 徑 ， mm ；但 一 般 情 況 下 2c 可 小 于 0.1mm ( 當(dāng) d 10mm 時 ，允 許2c 0.1mm 的 情 況 出 現(xiàn) ) ， 一 般 不 會 發(fā) 生 軸 承 膨 脹 抱 軸 。4.2 長 徑比 1/d 與壁厚軸 承 長徑比 1/d=0.7 1.0 為 最 佳 ，此時容 易 散 熱，摩 擦 系數(shù) 也小 ，一 般情 況 下 應(yīng)保證 (1/d)max 1.5 。 1/d 比 值小，便于排出磨屑，對軸的變形和兩軸承孔不同軸的敏感 性亦低。 W-CFRP 軸承的壁厚，在保證強(qiáng) 度和成型工藝許 可 的情況下，愈 薄愈好，壁厚約為其內(nèi)徑的 1

13、/8 1/15 。然 而，在考慮長徑比與壁厚時，還應(yīng)考慮到軸承的承載能力。4.3 表 面粗 糙度W-CFRP 軸承跑臺 期的磨損量和 穩(wěn)定運行期的 磨損率均與其 對摩軸表面的粗糙度有關(guān)。通 常表面粗糙度愈低磨損量愈小， 但也不要太低，W-CFRP 軸承對摩件的粗糙度最好不要低于 0.8 m ，使 W-CFRP 在 開始跑 合 時，就有 少量 轉(zhuǎn)移 到 對 摩 件表面上去，形成 W-CFRP 與 W-CFRP 間的摩擦。當(dāng)然軸的 粗糙 度也 不能 太高 ，一 般取 3.2 0.8 m 為 宜，否 則 對 軸承內(nèi)表面切削太嚴(yán)重，加劇磨損，引起機(jī)器工作不平穩(wěn)。5 結(jié) 論根據(jù)對 W-CFRR 軸承與材

14、料的研制以及工業(yè)考核使用情況， 可得出如下看法：(1)W-CFRP 軸 承 價格 低 廉 、結(jié)構(gòu) 簡 單、 成 型 加工 制 造容易 ， 根據(jù)需要可做成各種形狀，還 可做成卷制 軸套式滑動軸承 ( 見 圖 3a ) 。(2) 優(yōu)異的自潤滑性、耐磨性、摩擦系 數(shù)底 (f=0.17 0 . 24) ， 10000 小時 磨 損 量約為 0.15mm 。在 有油 潤滑 下 運 行 時，其性能往往 成 10 地增長， 摩擦系數(shù)又 非常穩(wěn)定，比金 屬優(yōu)越的多，所以建議在工藝允許情況下盡量在開始工作前 涂以潤滑脂或定期加少量潤滑油。(3) 有 較高的強(qiáng) 度與 硬 度 。(4) 優(yōu)良的防污染性和防腐蝕性。

15、W-CFRP 軸承受灰塵、雜 質(zhì)污染的影響很小，它 有較好的“ 鑲嵌性”，能 把灰塵、金 屬 微粒之類的物質(zhì)“ 吃”進(jìn) 去，使它們在壓力作用下嵌入到 W- CFRP 界面下 邊 ， 減小 對摩擦 副 的 磨損 。(5) 特 別適合于 具有 高 真 空、強(qiáng) 放射 性照 射 、高 溫和 超低溫 、 腐蝕性介質(zhì)以及容易遇油中毒介質(zhì)等工況。(6) 軸 的粗糙度 應(yīng)保 持 在 3.2 0.8 m 范 圍 內(nèi) 。(7) 相對金屬軸承來說， W-CFRP 軸承線脹系數(shù)是金屬的十 分之一不到，導(dǎo)熱性較差，設(shè)計制造時應(yīng)很好掌握摩擦副間 的配 合間 隙， 一般 取 間 隙 2c =(0.006 0.015)d 為

16、 宜 市場前景： 由于 W-CFRP軸承的良好性能， 它可以在多種場合下取代金 屬材料有尼龍材料使用，特別是在大型；超大型軸承上使用，能大大 降低生產(chǎn)成本； 減少生產(chǎn)的周期； 同時在大型軸承上使用， 能減少 75% 的軸承重量；減少裝配及調(diào)整時間，增加使用壽命，減少設(shè)備維護(hù)時 間等。主要的應(yīng)用領(lǐng)域：大型機(jī)械設(shè)備；風(fēng)電設(shè)備；礦山設(shè)備；大型輪 船等。 跟傳統(tǒng)的金屬軸承優(yōu)勢：材料成本高于金屬材料，按噸來講計算，基 本上金屬材料的近 30倍。按體積來計算是金屬材料的 8倍。但是生產(chǎn)成 本卻降低到原來 30%，維護(hù)成本減少 70%，軍用膨脹系數(shù)是金屬的十分 之一，精度跟金屬材料一樣，后加工方案同金屬材料，使用壽命提高 一倍，安裝方便，綜合來看， W-CFRP軸承有絕對的優(yōu)勢。 我們的目標(biāo)是在國內(nèi)生產(chǎn)最輕最大的 W-CFRP軸承，最終在多個行業(yè)取 代金屬材料，成為國內(nèi) W-CFRP軸承的開導(dǎo)者。 為中國機(jī)