低溫陶瓷軸承自潤(rùn)滑材料制備及其轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑機(jī)理分析.pdf

1、隨著空間技術(shù)的發(fā)展，一些深冷高速重載極苛刻工況條件下工作的軸承如氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵用滾動(dòng)軸承只能依靠保持架提供的轉(zhuǎn)移膜來(lái)潤(rùn)滑，工作條件十分惡劣，我國(guó)正在研制的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與將來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載系統(tǒng)都對(duì)發(fā)展長(zhǎng)壽命高可靠轉(zhuǎn)移膜潤(rùn)滑材料提出了迫切而苛刻的要求，因此，研制新型自潤(rùn)滑保持架材料并揭示其潤(rùn)滑機(jī)理對(duì)解決超低溫條件下軸承的延壽及可靠性問(wèn)題具有重要意義。
　　本文分析了在超低溫條件下與保持架有關(guān)的滾動(dòng)軸承的主要失效形式，提出了相

2、應(yīng)的自潤(rùn)滑保持架材料的成分設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)了四種材料組分方案。研究了PTFE基自潤(rùn)滑復(fù)合材料成型工藝條件，確定了合理的攪拌速度、壓制壓力和燒結(jié)溫度曲線?？疾炝嗣糠N方案中增強(qiáng)劑含量對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明：四種方案中，碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的摩擦系數(shù)最大，其范圍在0.2～0.25之間，磨損率也較高，當(dāng)碳纖維含量由10％增加到20%時(shí)，復(fù)合材料抗沖擊能力較好；其它三種方案中復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在0.15～0.18

3、之間，磨損率也較低，其中聚苯酯和PAB纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的耐磨性最好，石墨和納米ZnO均能降低復(fù)合材料的沖擊韌性，當(dāng)聚苯酯含量低于15%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊韌性較高。
　　綜合考慮摩擦磨損特性和沖擊韌性，在每種方案中優(yōu)選出摩擦系數(shù)較低、耐磨性適中和沖擊韌性較好的復(fù)合材料。測(cè)試了優(yōu)選出的復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，研究結(jié)果表明：在25℃～200℃之間，在同一溫度下，除填充碳纖維復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量與純PTFE接近外，其它復(fù)合材料的儲(chǔ)能

4、模量均比純PTFE高；在實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度范圍內(nèi)，填充增強(qiáng)劑后，可明顯降低復(fù)合材料的損耗因子，從而可降低復(fù)合材料的形變遲滯摩擦系數(shù)。
　　研究了PTFE及其復(fù)合材料的熱膨脹特性及導(dǎo)熱性能。研究結(jié)果表明：PTFE及其復(fù)合材料在15℃～32℃之間發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變與結(jié)晶松弛，宏觀表現(xiàn)為體積突然膨脹，而保持架的加工溫度恰好在此范圍內(nèi)，因此，保持架在加工和檢測(cè)時(shí)，要考慮復(fù)合材料由于結(jié)晶轉(zhuǎn)變和結(jié)晶松弛造成的尺寸誤差。由于復(fù)合材料線膨脹系數(shù)比金屬線膨脹系

5、數(shù)大，在大溫差環(huán)境下導(dǎo)向配合間隙受溫度的影響變化顯著。PTFE中填充石墨可明顯改善其導(dǎo)熱性能，除石墨外，填充纖維對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱率的提高比填充粉末材料顯著。研究結(jié)果為精確設(shè)計(jì)保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)和優(yōu)化加工工藝提供了依據(jù)。
　　探討了PTFE基自潤(rùn)滑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性和環(huán)境溫度及工況條件對(duì)其摩擦性能影響機(jī)理；并且用XPS分析了在干摩擦和在液氮介質(zhì)中形成的轉(zhuǎn)移膜的化學(xué)成分及轉(zhuǎn)移膜與對(duì)偶件表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。研究結(jié)果表明：影響聚合物基復(fù)合材料摩擦

6、系數(shù)的主要因素是復(fù)合材料與對(duì)偶件之間的分子作用力、名義接觸應(yīng)力、復(fù)合材料的損耗因子、硬度、儲(chǔ)能模量。納米ZnO/PAB/PTFE復(fù)合材料與9Cr18對(duì)摩，在干摩擦條件下形成的轉(zhuǎn)移膜厚而致密，在低溫條件下形成的轉(zhuǎn)移膜薄且不連續(xù)。兩種條件下形成的轉(zhuǎn)移膜都存在PTFE中的部分CF2鍵斷裂，F(xiàn)原子與鋼銷表面的Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成FeF3。
　　研制了低溫高速摩擦實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了5種PTFE基復(fù)合材料在液氮介質(zhì)中的摩擦性能及極限PV值，并

7、計(jì)算了復(fù)合材料接觸表面的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在液氮介質(zhì)中，碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料與9Cr18對(duì)摩的摩擦系數(shù)和與Si3N4對(duì)摩的摩擦系數(shù)比較接近，其它四種復(fù)合材料與9Cr18對(duì)摩的摩擦系數(shù)比與Si3N4對(duì)摩的小。聚苯酯和PAB纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料在液氮介質(zhì)中與9Cr18和Si3N4對(duì)摩，當(dāng)載荷一定的情況下，摩擦系數(shù)都隨著速度的增大而增大，當(dāng)速度一定時(shí)，摩擦系數(shù)都隨著載荷的增大而減小。無(wú)論復(fù)合材料與9Cr18對(duì)摩還是與Si3N4對(duì)摩