聚四氟乙烯纤维织物在关节轴承上的应用
2010-04-09 摘 要：聚四氟乙烯纤维织物是PTFE与Nomex、玻璃纤维（或芳纶纤维）等材料，采用特定方法纺织，并经特殊浸渍处理后制成的复合织物，具有强度高，摩擦系数小的特点。将这种纤维织物应用于关节轴承上，使关节轴承既保持了高承载、自动调心的特性，又兼有自润滑、耐冲击、长寿命等特点。这种自润滑关节轴承可广泛应用于航空、航天等高新技术领域中的关键承载部位。
关键词：聚四氟乙烯纤维织物；衬垫应用；自润滑关节轴承
1 引言
自润滑关节轴承是航空、航天领域，及众多新技术领域中不可缺少的产品，其中自润滑材料的性能是保证关节轴承具备重载、耐冲击、长寿命的关键因素。聚四氟乙烯纤维织物作为一种新型高分子材料，具有韧性好、高强度、低摩擦等优点，是作为关节轴承润滑层的理想材料。本文着重就该种材料在关节轴承上的应用作一简单地介绍。
2 聚四氟乙烯纤维织物结构及性能
2.1 自润滑关节轴承衬垫简介
自润滑关节轴承由内、外圈及润滑层三部分组成，其结构如图1所示。轴承内圈与外圈为球面接触，其间是润滑层，在使用过程中起到自润滑作用。
关键词：聚四氟乙烯纤维织物；衬垫应用；自润滑关节轴承
1 引言
自润滑关节轴承是航空、航天领域，及众多新技术领域中不可缺少的产品，其中自润滑材料的性能是保证关节轴承具备重载、耐冲击、长寿命的关键因素。聚四氟乙烯纤维织物作为一种新型高分子材料，具有韧性好、高强度、低摩擦等优点，是作为关节轴承润滑层的理想材料。本文着重就该种材料在关节轴承上的应用作一简单地介绍。
2 聚四氟乙烯纤维织物结构及性能
2.1 自润滑关节轴承衬垫简介
自润滑关节轴承由内、外圈及润滑层三部分组成，其结构如图1所示。轴承内圈与外圈为球面接触，其间是润滑层，在使用过程中起到自润滑作用。
以往关节轴承的润滑层多为二硫化钼、特氟龙等涂层材料(或使用PU铜网衬垫)，通过在轴承外圈内表面涂层(或粘贴衬垫)后，再与轴承内圈合套挤压而成。使用这些材料的自润滑关节轴承耐磨性能较差，轴承间隙大，在某些方面制约着部件的整体性能，选用PTFE纤维织物为自润滑材料的关节轴承，则能弥补上述缺陷，并从承载强度、耐蚀性、摩擦磨损、使用寿命等方面大大改善轴承的使用性能，扩大了轴承的适用范围。
2.2 聚四氟乙烯纤维织物结构
聚四氟乙烯（以下简称：PTFE）纤维织物是PTFE纤维与其他纤维交织而成的双层织物，通常选择平纹、斜纹或缎纹等纺织结构，按设计的织造密度，将组合纤维纺织而成需要的织物结构，图2即为其中的一种。
2.2 聚四氟乙烯纤维织物结构
聚四氟乙烯（以下简称：PTFE）纤维织物是PTFE纤维与其他纤维交织而成的双层织物，通常选择平纹、斜纹或缎纹等纺织结构，按设计的织造密度，将组合纤维纺织而成需要的织物结构，图2即为其中的一种。
PTFE纤维织物上富含PTFE纤维的织物表面，即为摩擦工作面，另一面则以强度高、粘结性好的纤维为主，即为粘结面，这种PTFE的双层结构充分发挥了PTFE的低摩擦和纤维的高强度特性。一般用作增强或粘结性的纤维种类很多，如高强耐蚀的Nomex、耐温性能好的芳纶纤维、高强耐热的玻璃纤维、高强低摩擦的碳纤维等。
PTFE纤维织物表面经过特殊浸渍处理后，加大了纤维间结合度，使织物在受到重压摩擦时纤维间不错动，同时可增强织物与金属基体的粘着力，从而大大提高了织物的使用性能。
2.3 聚四氟乙烯纤维织物性能
PTFE纤维织物摩擦面具有良好润滑性能的机理在于固体润滑膜的形成，固体润滑膜可以耐106次以上的摩擦，也有超过108次的。资料表明[1]，PTFE是迄今所发现的具有特别低的摩擦系数的固体物质。在无润滑油的条件下，金属的摩擦系数μ为0.5～1，而PTFE仅为0.04，比二硫化钼和石墨还要低，这是金属在良好润滑条件下也难达到的。PTFE的长碳链四周为氟原子所包围且没有支链，氟原子的体积与聚乙烯分子中的氢原子相比要大得多，正好无间隙地遮蔽了碳原子的正电荷，而相邻氟原子上的负电荷由于相斥作用造成分子间的内聚能很低，因而容易产生滑移，显示了极低的抗剪强度。当PTFE与金属接触摩擦时，因其表面凸峰温度升高，剪切强度下降，促使PTFE分子粘附在对磨表面，向金属表面平移并填平了金属表面的凹坑，实际形成了PTFE/PTFE间摩擦，因而表现出极低的摩擦系数[2]。
除良好的润滑性能外，PTFE纤维织物还有：较高的承载能力，可以承540MPa静载，240MPa动载；较宽的温度适用范围，54～163℃；较好的耐腐蚀性，抗多种油脂污染的能力；及经浸渍处理后有很好的粘结牢度。
PTFE纤维织物的以上性能，为其在关节轴承的应用提供了良好的基础。
3 PTFE纤维织物在关节轴承上的应用
3.1 PTFE纤维织物用于关节轴承润滑层
用PTFE纤维织物取代涂层材料（或PU铜网衬垫）用于关节轴承润滑层，除具备良好的关节轴承自润滑材料的综合优势外，还有很好的工艺性能。关节轴承加工中的关键技术为粘结和挤压工序，当加工好轴承内、外圈后，将衬垫粘结到轴承外圈内表面，再与轴承内圈合套挤压成型，然后通过控制轴承启动力矩等后续加工而形成关节轴承。实践证明，PTFE纤维织物在适宜的粘结工艺下，有很好的粘结性能，能保证与基体的结合强度；纤维衬垫的高强度也很好地承受了挤压工艺的考核；另外，PTFE纤维织物优于其他自润滑材料的弹、韧性，可使关节轴承无径向与轴向间隙，从而整体上提高了自润滑关节轴承的制造水平与使用性能。
3.2 PTFE纤维织物自润滑关节轴承性能试验
应用PTFE纤维织物的自润滑关节轴承（以φ25轴承为例），经按MIL-B-81820全部要求试验考核，结果如下：
PTFE纤维织物表面经过特殊浸渍处理后，加大了纤维间结合度，使织物在受到重压摩擦时纤维间不错动，同时可增强织物与金属基体的粘着力，从而大大提高了织物的使用性能。
2.3 聚四氟乙烯纤维织物性能
PTFE纤维织物摩擦面具有良好润滑性能的机理在于固体润滑膜的形成，固体润滑膜可以耐106次以上的摩擦，也有超过108次的。资料表明[1]，PTFE是迄今所发现的具有特别低的摩擦系数的固体物质。在无润滑油的条件下，金属的摩擦系数μ为0.5～1，而PTFE仅为0.04，比二硫化钼和石墨还要低，这是金属在良好润滑条件下也难达到的。PTFE的长碳链四周为氟原子所包围且没有支链，氟原子的体积与聚乙烯分子中的氢原子相比要大得多，正好无间隙地遮蔽了碳原子的正电荷，而相邻氟原子上的负电荷由于相斥作用造成分子间的内聚能很低，因而容易产生滑移，显示了极低的抗剪强度。当PTFE与金属接触摩擦时，因其表面凸峰温度升高，剪切强度下降，促使PTFE分子粘附在对磨表面，向金属表面平移并填平了金属表面的凹坑，实际形成了PTFE/PTFE间摩擦，因而表现出极低的摩擦系数[2]。
除良好的润滑性能外，PTFE纤维织物还有：较高的承载能力，可以承540MPa静载，240MPa动载；较宽的温度适用范围，54～163℃；较好的耐腐蚀性，抗多种油脂污染的能力；及经浸渍处理后有很好的粘结牢度。
PTFE纤维织物的以上性能，为其在关节轴承的应用提供了良好的基础。
3 PTFE纤维织物在关节轴承上的应用
3.1 PTFE纤维织物用于关节轴承润滑层
用PTFE纤维织物取代涂层材料（或PU铜网衬垫）用于关节轴承润滑层，除具备良好的关节轴承自润滑材料的综合优势外，还有很好的工艺性能。关节轴承加工中的关键技术为粘结和挤压工序，当加工好轴承内、外圈后，将衬垫粘结到轴承外圈内表面，再与轴承内圈合套挤压成型，然后通过控制轴承启动力矩等后续加工而形成关节轴承。实践证明，PTFE纤维织物在适宜的粘结工艺下，有很好的粘结性能，能保证与基体的结合强度；纤维衬垫的高强度也很好地承受了挤压工艺的考核；另外，PTFE纤维织物优于其他自润滑材料的弹、韧性，可使关节轴承无径向与轴向间隙，从而整体上提高了自润滑关节轴承的制造水平与使用性能。
3.2 PTFE纤维织物自润滑关节轴承性能试验
应用PTFE纤维织物的自润滑关节轴承（以φ25轴承为例），经按MIL-B-81820全部要求试验考核，结果如下：
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3.3 PTFE织物衬垫与PU铜网衬垫性能比较
用相同规格，分别使用PU铜网与PTFE纤维为润滑材料的两种轴承，按相同条件完成多组摆动磨损试验进行对比试验，其中一组的试验结果见图4、图5。
用相同规格，分别使用PU铜网与PTFE纤维为润滑材料的两种轴承，按相同条件完成多组摆动磨损试验进行对比试验，其中一组的试验结果见图4、图5。
试验条件：径向载荷123kN；摆动频率12周/分；摆动角度±25°；试验温度20℃。
试验结果：PTFE纤维润滑材料，25000周后，衬垫磨损量0.08mm；
PU铜网润滑材料，12000周时，衬垫磨损量0.17mm，已被磨穿。
多组试验结果均显示出相同结果，因此PTFE纤维织物衬垫性能明显优于PU铜网衬垫性能。
4 PTFE纤维织物在关节轴承上的应用
PTFE纤维织物是一种高强度、低摩擦、长寿命的新型润滑材料，使用该纤维的关节轴承具有结构紧凑、重量轻、耐冲击、自润滑、安全可靠、寿命长等优点。它在自润滑关节轴承上的应用是集纺织、化工、高分子材料、摩擦学、机械制造等多学科交叉的综合性新技术，随着该技术的发展，一定会给自润滑关节轴承带来更深层次的应用前景。
5 PTFE纤维织物的发展与展望
轻质、高性能、长寿命自润滑材料是航空、航天等高技术领域中自润滑轴承材料的发展方向，为适用更复杂的工况需要，PTFE纤维织物也需要在产品性能上有新的发展与突破，这主要体现在：增加强度，承受更高的载荷，如动载345MPa或更大；降低摩擦系数，以适用于较高摆动速度，如15m/min或更快；适用于更宽的温度范围，如-73～316℃；同时，需要综合性能更优异的纤维织物，如承受高温环境中的高速摆动，或高温重载下的高速摆动等。
PTFE纤维织物的产品化、成系列的发展，也将有利于提升我国自润滑关节轴承的整体水平，使之在品种上、性能上充分满足高技术领域的需求，为我国航空、航天事业的快速发展贡献一点力量。
参考文献：
[1] 复合材料轴承[M]. 科学出版社, 1996.
[2] 曾竟成, 罗青, 唐羽章. 复合材料理化性能. [M]. 国防科技大学出版社, 1998.
作者简介：李如琰（1964－）女，河南人，工程师，上海市轴承技术研究所。
试验结果：PTFE纤维润滑材料，25000周后，衬垫磨损量0.08mm；
PU铜网润滑材料，12000周时，衬垫磨损量0.17mm，已被磨穿。
多组试验结果均显示出相同结果，因此PTFE纤维织物衬垫性能明显优于PU铜网衬垫性能。
4 PTFE纤维织物在关节轴承上的应用
PTFE纤维织物是一种高强度、低摩擦、长寿命的新型润滑材料，使用该纤维的关节轴承具有结构紧凑、重量轻、耐冲击、自润滑、安全可靠、寿命长等优点。它在自润滑关节轴承上的应用是集纺织、化工、高分子材料、摩擦学、机械制造等多学科交叉的综合性新技术，随着该技术的发展，一定会给自润滑关节轴承带来更深层次的应用前景。
5 PTFE纤维织物的发展与展望
轻质、高性能、长寿命自润滑材料是航空、航天等高技术领域中自润滑轴承材料的发展方向，为适用更复杂的工况需要，PTFE纤维织物也需要在产品性能上有新的发展与突破，这主要体现在：增加强度，承受更高的载荷，如动载345MPa或更大；降低摩擦系数，以适用于较高摆动速度，如15m/min或更快；适用于更宽的温度范围，如-73～316℃；同时，需要综合性能更优异的纤维织物，如承受高温环境中的高速摆动，或高温重载下的高速摆动等。
PTFE纤维织物的产品化、成系列的发展，也将有利于提升我国自润滑关节轴承的整体水平，使之在品种上、性能上充分满足高技术领域的需求，为我国航空、航天事业的快速发展贡献一点力量。
参考文献：
[1] 复合材料轴承[M]. 科学出版社, 1996.
[2] 曾竟成, 罗青, 唐羽章. 复合材料理化性能. [M]. 国防科技大学出版社, 1998.
作者简介：李如琰（1964－）女，河南人，工程师，上海市轴承技术研究所。
