低溫陶瓷軸承自潤滑材料制備及其轉移膜潤滑機理分析.pdf

1、隨著空間技術的發(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)動機渦輪泵用滾動軸承只能依靠保持架提供的轉移膜來潤滑，工作條件十分惡劣，我國正在研制的大推力火箭發(fā)動機與將來可重復使用運載系統(tǒng)都對發(fā)展長壽命高可靠轉移膜潤滑材料提出了迫切而苛刻的要求，因此，研制新型自潤滑保持架材料并揭示其潤滑機理對解決超低溫條件下軸承的延壽及可靠性問題具有重要意義。
　　本文分析了在超低溫條件下與保持架有關的滾動軸承的主要失效形式，提出了相

2、應的自潤滑保持架材料的成分設計依據，設計了四種材料組分方案。研究了PTFE基自潤滑復合材料成型工藝條件，確定了合理的攪拌速度、壓制壓力和燒結溫度曲線?？疾炝嗣糠N方案中增強劑含量對復合材料摩擦磨損性能和力學性能的影響。測試結果表明：四種方案中，碳纖維增強PTFE復合材料的摩擦系數最大，其范圍在0.2～0.25之間，磨損率也較高，當碳纖維含量由10％增加到20%時，復合材料抗沖擊能力較好；其它三種方案中復合材料的摩擦系數在0.15～0.18

3、之間，磨損率也較低，其中聚苯酯和PAB纖維增強PTFE復合材料的耐磨性最好，石墨和納米ZnO均能降低復合材料的沖擊韌性，當聚苯酯含量低于15%時，復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)選出摩擦系數較低、耐磨性適中和沖擊韌性較好的復合材料。測試了優(yōu)選出的復合材料的動態(tài)力學特性，研究結果表明：在25℃～200℃之間，在同一溫度下，除填充碳纖維復合材料的儲能模量與純PTFE接近外，其它復合材料的儲能

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

5、數大，在大溫差環(huán)境下導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熱性能，除石墨外，填充纖維對復合材料導熱率的提高比填充粉末材料顯著。研究結果為精確設計保持架結構參數和優(yōu)化加工工藝提供了依據。
　　探討了PTFE基自潤滑復合材料結構特性和環(huán)境溫度及工況條件對其摩擦性能影響機理；并且用XPS分析了在干摩擦和在液氮介質中形成的轉移膜的化學成分及轉移膜與對偶件表面發(fā)生的化學反應。研究結果表明：影響聚合物基復合材料摩擦

6、系數的主要因素是復合材料與對偶件之間的分子作用力、名義接觸應力、復合材料的損耗因子、硬度、儲能模量。納米ZnO/PAB/PTFE復合材料與9Cr18對摩，在干摩擦條件下形成的轉移膜厚而致密，在低溫條件下形成的轉移膜薄且不連續(xù)。兩種條件下形成的轉移膜都存在PTFE中的部分CF2鍵斷裂，F原子與鋼銷表面的Fe發(fā)生化學反應，生成FeF3。
　　研制了低溫高速摩擦實驗系統(tǒng)，測試了5種PTFE基復合材料在液氮介質中的摩擦性能及極限PV值，并

7、計算了復合材料接觸表面的溫度。實驗結果表明：在液氮介質中，碳纖維增強PTFE復合材料與9Cr18對摩的摩擦系數和與Si3N4對摩的摩擦系數比較接近，其它四種復合材料與9Cr18對摩的摩擦系數比與Si3N4對摩的小。聚苯酯和PAB纖維增強PTFE復合材料在液氮介質中與9Cr18和Si3N4對摩，當載荷一定的情況下，摩擦系數都隨著速度的增大而增大，當速度一定時，摩擦系數都隨著載荷的增大而減小。無論復合材料與9Cr18對摩還是與Si3N4對摩