碳纤维增强复合材料在自润滑轴承中的应用综述

1、碳纤维增强复合材料的研究开发嘉兴天翼科技有限责任公司唐清 2013 年2月16日以热 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

2、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，相比传统轴承，钨-碳纤维轴承具有更好 的性能和性价比。2 W-CFRP 轴 承 的 工 作 机 理 与 摩 擦 特 性2.1 W-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

3、-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，

4、延长了工作寿命。2.2 W-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 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

5、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

6、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 200 400 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/cm 34950MPa230GPa1.75CF 经 过一系 列

7、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/cm 3 拉 伸 强 度 MPa 加 热 失 重 ( 400 )2 . 82 . 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 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

8、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 C F 、 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

9、键。(2) 预 成型工艺 。成 型 压 力的大 小 与收 缩 率 有很 大 关系(3) 精 磨工 艺(4) 后 整理 工艺W- CFRP 材 料 固 化时 发 生 的 变化 是 物 理 化 学变 化 的 交 替 过 程。从体积上看是膨胀和收缩的过程，升温时体积增大，降 温时体积减小；从相变上看，是一个晶相与无定型的相互转 变的过程，当制品加热到一定温度时，其结晶区破坏，开始 转变为无定型结构的胶态，此过程是可逆的，将制品冷却至 转变点，又会由无定型态变为结晶态。固化过程分升温、保 温、降 温三部分，其 中每一部分都能影 响制品质量，必须严格控制温度梯度。(5) 机加 工 。将 半 成 品按 照

10、 结构设 计 要 求进 行机 加工 。加 工 CFRP 与金属材料不同 ，需设计合 理的工装，特 殊刀具和特 殊加工方法。3.4 W-CFRP 轴 承 性能研 制 出 的 W-CFRP 轴 承 性 能 参 数 见 表 3 。表 3 W-CFRP 轴 承 性 能 参 数密 度 g/cm 3 1.6 硬 度 HB5 抗 压 强 度 1200MPa 磨 擦 系 数 0.13 磨 痕 宽 度 5mm 使 用 寿 命 大 于 10000 h4 CFRP 轴承 的 结构与 设 计 特点W-CFRP 轴承可做成滑动轴承和推力轴承，根 据使用要求，大 致有三种形式：一是制作整体轴承；二是用金属作轴瓦，然 后压

11、入薄的 W-CFRP 衬套；这种表面来看可以降低成本，但 是操作不方便，增加了装配难度。三是在金属瓦背上涂覆一 层 W-CFRP 衬 。 目 前 就 国 内 的 技 术 条 件 来 看 ， 前 两 种 成 型 方 法比 较成 熟， 使用 效 果 好。其 形 状见 图 3 。设 计 使 用 W-CFRP 轴 承 时 ，要 针 对 其 特 点 ，着 重 考 虑 散 热 及 热膨胀等问题。4.1 配 合间 隙W-CFRP 材质的膨 胀系数比金属 小，导热 系数也小， 因此其 间隙比金属轴承 小一些，通常取轴承内径间隙为 :2c =(O.006 0.015)d式 2c 轴 承 内 径 与 轴 径 的

12、总 径 向 间 隙 ， mm ； d 轴 径 ， mm ；但 一 般 情 况 下 2c 可 小 于 0.1mm ( 当 d 10mm 时 ，允 许2c 0.1mm 的 情 况 出 现 ) ， 一 般 不 会 发 生 轴 承 膨 胀 抱 轴 。4.2 长 径比 1/d 与壁厚轴 承 长径比 1/d=0.7 1.0 为 最 佳 ，此时容 易 散 热，摩 擦 系数 也小 ，一 般情 况 下 应保证 (1/d)max 1.5 。 1/d 比 值小，便于排出磨屑，对轴的变形和两轴承孔不同轴的敏感 性亦低。 W-CFRP 轴承的壁厚，在保证强 度和成型工艺许 可 的情况下，愈 薄愈好，壁厚约为其内径的 1

13、/8 1/15 。然 而，在考虑长径比与壁厚时，还应考虑到轴承的承载能力。4.3 表 面粗 糙度W-CFRP 轴承跑台 期的磨损量和 稳定运行期的 磨损率均与其 对摩轴表面的粗糙度有关。通 常表面粗糙度愈低磨损量愈小， 但也不要太低，W-CFRP 轴承对摩件的粗糙度最好不要低于 0.8 m ，使 W-CFRP 在 开始跑 合 时，就有 少量 转移 到 对 摩 件表面上去，形成 W-CFRP 与 W-CFRP 间的摩擦。当然轴的 粗糙 度也 不能 太高 ，一 般取 3.2 0.8 m 为 宜，否 则 对 轴承内表面切削太严重，加剧磨损，引起机器工作不平稳。5 结 论根据对 W-CFRR 轴承与材

14、料的研制以及工业考核使用情况， 可得出如下看法：(1)W-CFRP 轴 承 价格 低 廉 、结构 简 单、 成 型 加工 制 造容易 ， 根据需要可做成各种形状，还 可做成卷制 轴套式滑动轴承 ( 见 图 3a ) 。(2) 优异的自润滑性、耐磨性、摩擦系 数底 (f=0.17 0 . 24) ， 10000 小时 磨 损 量约为 0.15mm 。在 有油 润滑 下 运 行 时，其性能往往 成 10 地增长， 摩擦系数又 非常稳定，比金 属优越的多，所以建议在工艺允许情况下尽量在开始工作前 涂以润滑脂或定期加少量润滑油。(3) 有 较高的强 度与 硬 度 。(4) 优良的防污染性和防腐蚀性。

15、W-CFRP 轴承受灰尘、杂 质污染的影响很小，它 有较好的“ 镶嵌性”，能 把灰尘、金 属 微粒之类的物质“ 吃”进 去，使它们在压力作用下嵌入到 W- CFRP 界面下 边 ， 减小 对摩擦 副 的 磨损 。(5) 特 别适合于 具有 高 真 空、强 放射 性照 射 、高 温和 超低温 、 腐蚀性介质以及容易遇油中毒介质等工况。(6) 轴 的粗糙度 应保 持 在 3.2 0.8 m 范 围 内 。(7) 相对金属轴承来说， W-CFRP 轴承线胀系数是金属的十 分之一不到，导热性较差，设计制造时应很好掌握摩擦副间 的配 合间 隙， 一般 取 间 隙 2c =(0.006 0.015)d 为

16、 宜 市场前景： 由于 W-CFRP轴承的良好性能， 它可以在多种场合下取代金 属材料有尼龙材料使用，特别是在大型；超大型轴承上使用，能大大 降低生产成本； 减少生产的周期； 同时在大型轴承上使用， 能减少 75% 的轴承重量；减少装配及调整时间，增加使用寿命，减少设备维护时 间等。主要的应用领域：大型机械设备；风电设备；矿山设备；大型轮 船等。 跟传统的金属轴承优势：材料成本高于金属材料，按吨来讲计算，基 本上金属材料的近 30倍。按体积来计算是金属材料的 8倍。但是生产成 本却降低到原来 30%，维护成本减少 70%，军用膨胀系数是金属的十分 之一，精度跟金属材料一样，后加工方案同金属材料，使用寿命提高 一倍，安装方便，综合来看， W-CFRP轴承有绝对的优势。 我们的目标是在国内生产最轻最大的 W-CFRP轴承，最终在多个行业取 代金属材料，成为国内 W-CFRP轴承的开导者。 为中国机