复合材料轴承设计与制造技术的应用
摘要:本文主要介绍作为新型轴承材料的聚酰亚胺(PI)和短纤维填充聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能,举例阐述了高速转动轴承的设计要点、制造技术及应用。
关键词:复合材料;轴承;聚四氟乙烯
高速转动轴承常采用在真空、高速、高温等严苛条件,高速转动轴承的工作情况决定了所要采用的复合材料应该具有优越的摩擦磨损性能、阻尼性能、导热性能、耐腐蚀性能等特点。由于性能的多样性,一般的材料是不能满足这些性能的,需要选取可以部分满足这些性能指标的常用材料合成新的复合材料。
一、复合材料的性能指标
高速转动轴承的性能跟所采用材料的磨损量、摩擦系数、损耗因子和高度都有直接关系,总结分析性能较好的高速转动轴承的采用材料应该具有以下几个性能:
(1)摩擦系数。摩擦系数对高速转动轴承的影响很大,特别是在玻璃化温度范围外。
(2)粘弹性能。粘弹性能主要体现在较大的平均损耗因子和较大的损耗因子峰值、较宽的玻璃化转变温度范围。同时,在经济成本允许的情况下,材料的动态力学性能最低值不能低于0.05。
(3)导热、耐热性能。复合材料能在高温下工作,快速有效地排出减振过程产生的热能。
(4)耐磨性能。良好的耐磨性能可以延长材料的使用寿命,减少轴承的拆卸次数,提高生产效率。因此,磨损率越低越好。
(5)耐腐蚀性能。复合材料轴承可以适应油污等恶劣的工作环境。
二、复合材料轴承的设计
(一)复合材料的选取
根据高速转动轴承的性能指标,采用的基体材料是满足条件的具有化学惰性、自润滑、耐高低温、摩擦系数稳定的聚四氟乙烯(PTFE)。为了改善聚四氟乙烯的耐磨损差、导热性不好的等缺点,可以用短纤维,如玻璃纤维和碳纤维,填充PTFE可以减小磨损、提高摩擦系数和改善导热性。由于短纤维的自身特点,填充后的复合材料的摩擦系数变得不稳定,需要添加摩擦系数较大、力学性能优良的聚酰亚胺(PI)。这样不仅可以避免摩擦系数不稳定,PTFE和PI混合之后还可以改善聚四氟乙烯的粘弹性能、扩大复合材料的使用温度区间。
(1)聚四氟乙烯(PTFE)。聚四氟乙烯的相对密度为2.17~2.19,分解温度为400℃,熔点为327℃,其可在260℃以下的环境里持续长期使用,摩擦系数较小,具有优良的耐腐蚀性。由于聚四氟乙烯熔融化粘度很大,要采用冷压和烧结结合的成型方式。
(2)聚酰亚胺(PI)。聚酰亚胺的长期使用温度范围在-200~300℃之间,具有高绝缘性能、无明显熔点、耐腐蚀...
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