聚酰亞胺在軸承中的應(yīng)用摘要：作者洛陽軸承研究所王子君性能特性概述聚酰亞胺一種新型耐高溫工程塑料具有獨特性能現(xiàn)代工業(yè)尤其是高技術(shù)領(lǐng)域不可作用軸承基礎(chǔ)部件廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域滿足不同工況條件軸承性能要求聚酰亞胺滾動軸承保持材料滑動軸承材料應(yīng)用顯示出優(yōu)越性能良好發(fā)展前景聚酰亞胺最早 液體動靜壓軸承常用軸殼配軸

作者：洛陽軸承研究所 王子君

1、性能特性概述：

聚酰亞胺是一種新型耐高溫工程塑料，它具有獨特的性能。在現(xiàn)代工業(yè)，尤其是高技術(shù)領(lǐng)域起著不可替代的作用。軸承作為基礎(chǔ)部件，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，滿足不同工況條件對軸承的性能要求。聚酰亞胺在滾動軸承中可作為保持架材料，也可作為滑動軸承材料，在應(yīng)用中顯示出優(yōu)越的性能和良好的發(fā)展前景。

聚酰亞胺最早由美國杜邦公司于上世紀(jì)六十年代首先發(fā)明并投入工業(yè)化生產(chǎn)。它是利用四酸二酐與二胺的反映，然后亞胺化而成為高分子材料。由于分子鏈上有大量的苯環(huán)和雙鍵，使分子的剛性增加，分子鏈熱運動的能級較高，當(dāng)它在較高溫度下吸收較多能量的情況下仍能保持原來的形狀不變，并且分子鏈不發(fā)生斷裂，這是該種材料耐高溫環(huán)境的內(nèi)在原因。

有些品種的聚酰亞胺耐熱性非常好，使用溫度可達(dá)300℃，可以在250℃高溫環(huán)境中長期使用。然而這種分子結(jié)構(gòu)增加了加工成型的難度，雖然聚酰亞胺是一種熱塑性工程塑料，但它很難用注塑成型的加工方法進(jìn)行成型。在酸酐分子鏈中引入活動性較強的醚鍵是改善其分子柔性和成型的有效途徑。當(dāng)然還有許多其他方法，也可以合成柔性聚酰亞胺，該材料可以注塑成型。

聚酰亞胺的常用成型方法有壓鑄成型法和注塑成型法兩種，壓鑄成型是在模腔內(nèi)將材料加熱加壓，在保壓狀態(tài)下使材料冷卻成型。用這種方法成型的材料其機械性能十分穩(wěn)定可靠，工件尺寸可以較大，但效率很低，不利于大批量的工業(yè)化生產(chǎn)，有些品種的聚酰亞胺只能采用這種工藝方法。為了提高生產(chǎn)效率，對于小型制件或結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的制品可以采用注塑成型工藝，此時要求這種材料流動性好。

還有一種方法，即利用類似于粉末冶金的方法制成微孔材料，使材料的機械性能和微孔性能達(dá)到某種特定指標(biāo)，滿足特殊工況條件需求。聚酰亞胺由于其獨特的分子鏈結(jié)構(gòu)，使它能在輻射環(huán)境中長期使用而機械性能沒有明顯降低，這是它與其它高分子材料相比的優(yōu)越所在。大部分高分子材料在輻射狀態(tài)下會導(dǎo)致分子鏈斷裂，使其性能顯著下降。甚至不再具有機械強度，所以在一些空間領(lǐng)域，聚酰亞胺材料的這一性能使它得到廣泛應(yīng)用。

聚酰亞胺材料吸水性低，對于大多數(shù)化學(xué)介質(zhì)都能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，它可以長期在有腐蝕的的環(huán)境下使用，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。它的機械性能優(yōu)良，抗拉強度達(dá)90Mpa，剛性較好，能長期保持尺寸穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^通用的機械加工方式進(jìn)行車、銑、鉆等加工，得到尺寸精度和表面質(zhì)量較好的制品。絕緣性優(yōu)良，可作為高性能的電子零部件和機械零件。聚酰亞胺有自潤滑性能，在相對運動的磨擦面之間它可以轉(zhuǎn)移到對磨面上，形成固體潤滑層。在干摩擦狀態(tài)下若有相對滑動速度較高時，就會在摩擦面上產(chǎn)生大量熱量，局部溫度可達(dá)到聚酰亞胺的分解溫度，在空氣環(huán)境中氧化就不可避免，生成氧化物粉末，同時摩擦熱使接觸部件的聚酰亞胺軟化粘附脫落，增大了磨損量，因此對于干摩擦狀態(tài)，聚酰亞胺材料使用的PV值應(yīng)有所控制，否則會使磨損增加，壽命縮短。試驗表明，聚酰亞胺雖有一定自潤滑性，但其摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定，隨著連續(xù)運轉(zhuǎn)時間的延長，有緩慢增加的趨勢，這對于一些對摩擦力要求較高的應(yīng)用部位應(yīng)該注意。為了改善這種性能，有效的辦法是對聚酰亞胺進(jìn)行復(fù)合改性。把粉末狀的潤滑劑分散到材料中制成復(fù)合材料，在保持材料基本性能的基礎(chǔ)上使摩擦系數(shù)降低，摩擦生成熱減少。

通常把二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等潤滑材料以不同比例進(jìn)行配合，試驗結(jié)果表明其潤滑性能有明顯改善。對于有潤滑油脂存在的應(yīng)用工況，可以在很高的速度狀態(tài)下使用，表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，它表面吸附的潤滑油可以在很高的速度狀態(tài)下使用，表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，它表面吸附的潤滑油可以形成穩(wěn)定而且可靠的潤滑油膜，極大地降低了摩擦系數(shù)和生成熱。它的較高的機械性能使它能在高速狀態(tài)下保持穩(wěn)定的尺寸。

由于聚酰亞胺是熱塑性高分子材料，溫度對它的作用明顯，當(dāng)超過一定溫度范圍之后，首先導(dǎo)致材料軟化及氧化分解，使其機械性能喪失。摩擦部分的溫度受環(huán)境溫度和摩擦生熱兩個因素共同影響，當(dāng)環(huán)境溫度一定時溫度升高主要來源于摩擦熱。聚酰亞胺作為軸承及軸承部件時，運動部位升溫由摩擦熱引起。負(fù)荷和摩擦系數(shù)以及工作時間都會影響熱量大小。塑料的導(dǎo)熱系數(shù)低，致使熱量容易在某些部位聚集，產(chǎn)生局部高溫。降低摩擦系數(shù)是減少發(fā)熱量的有效手段，增加散熱速度也可以有效降低工作面溫度，這些因素需要根據(jù)使用環(huán)境具體加以分析。溫升后使熱膨脹增大，減少了配合間隙，有的甚至出現(xiàn)緊配合，使摩擦熱更大，導(dǎo)致惡性循環(huán)。

因此聚酰亞胺軸承制品的設(shè)計及加工同樣重要。綜上所述，我們可以看出，雖然聚酰亞胺是一種耐溫良好的工程塑料，但其使用過程中仍要采取各種可能的手段減少發(fā)熱量，避免溫度過高造成的損害。

2、在軸承中的應(yīng)用情況

聚酰亞胺及其復(fù)合材料可以作為耐磨材料廣泛應(yīng)用于高溫，耐化學(xué)介質(zhì)、耐輻射、自潤滑等多種領(lǐng)域。

在滾動軸承中它主要作為保持架材料。

滾動軸承主要由內(nèi)外圈、滾動體及保持架四部分構(gòu)成。由于功能不同，內(nèi)外圈及滾動體只能由硬度很高，剛性很大的軸承鋼或不銹鋼制造。滾道和滾動體表面的光潔度很高，對于其尺寸和公差均有著十分嚴(yán)格的技術(shù)要求。保持架的作用是把滾動體分開，使它們均勻承擔(dān)軸承的負(fù)荷，減少滾動體運動所產(chǎn)生的摩擦力。對于聚酰亞胺或其復(fù)合材料制成的保持架還能向軸承提供固體潤滑轉(zhuǎn)移膜。

2.1 聚酰亞胺在高速軸承中的應(yīng)用

高速軸承一般都是角接觸球軸承或深溝球軸承。鋼球作為滾動體由于接觸點小，滾動體相對較輕，可以實現(xiàn)高速性能，速度中徑積可達(dá)100萬以上，適合于高速牙鉆和高速磨床主軸軸承。在這些領(lǐng)域內(nèi)使用的軸承保持架用聚酰亞胺材料制成管料，然后通過機械加工方法得到所需要的形狀和尺寸?，F(xiàn)在常用的牙鉆軸承尺寸較小，軸承尺寸為￠8×￠3×4，保持架也很小，內(nèi)部有七?！?的鋼球。轉(zhuǎn)速必須達(dá)到35萬轉(zhuǎn)/分以上才能發(fā)揮其性能，它用在牙鉆機的空氣渦輪轉(zhuǎn)軸支撐處，在高壓空氣帶動下，渦輪高速旋轉(zhuǎn)，頭部的牙鉆修復(fù)牙齒。該部位的軸承工作條件相當(dāng)苛刻，首先是高速帶來的一系列問題，由于速度很高，如果保持架的強度不夠，極易產(chǎn)生斷裂而導(dǎo)致軸承失效。

軸承的潤滑也較難解決，按照常規(guī)方法，如此高轉(zhuǎn)速的軸承應(yīng)使用油氣潤滑裝置，通過壓縮空氣將霧化的潤滑油帶到軸承的潤滑部位，但由于它用于口腔治療，這種方法是不允許的，只能在工作間隙采用滴油的方式加入微量潤滑油，在軸承起動階段這部分潤滑油絕大部分被甩出工作面，因此軸承潤滑狀況十分惡劣。

所幸的是軸承連續(xù)工作時間不長，壓縮空氣帶走了熱量。這種軸承還應(yīng)承受130℃左右連續(xù)四個小時的高溫消毒處理，一般的工程塑料都會很快老化，因此選用了綜合性能都很好的聚酰亞胺，這是聚酰亞胺在我國軸承工業(yè)中應(yīng)用的開始。

從1978年開始試制工作，當(dāng)時是利用模壓成型的方法將聚酰亞胺制成管狀物，然后機械加工為所需要的尺寸和精度的保持架。它的應(yīng)用十分成功，可以使軸承轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在35萬轉(zhuǎn)/分以上。噪音及壽命達(dá)到國外同種軸承的水平。由于工序較多，效率低，這種工藝制成的保持架成本高，不適合現(xiàn)代社會大批量生產(chǎn)的需求，現(xiàn)在也正在利用注塑成型的工藝方法一次性注塑保持架，注塑工藝和技術(shù)，注塑原料性能都在研究之中。

除此之外的高速軸承保持架也同樣可以由聚酰亞胺材料制成。現(xiàn)在聚酰亞胺的價格較高，成型工藝較復(fù)雜是限制其大量推廣的重要原因。隨著合成技術(shù)的日益完善以及產(chǎn)量的增加，降低聚酰亞胺的價格，開發(fā)適于注塑成型的新型材料和工藝方法是該種材料能在軸承行業(yè)得到推廣應(yīng)用的必要條件。它可以代替目前廣泛使用的膠木材料用于高速軸承，提高軸承的生產(chǎn)效率和使用性能

2.2在固體自潤滑軸承中的使用

在空間領(lǐng)域，許多軸承的潤滑只能靠固體潤滑方式解決。它是在軸承的滾動面上利用各種方法形成固體潤滑膜，減少摩擦力。

固體潤滑膜是不能再生的一次性膜，該種工況的軸承如果不能補充潤滑，就有可能導(dǎo)致失效。自潤滑保持架可以補充潤滑膜層。

由于太空中輻射較強，其它塑料的應(yīng)用受到限制，現(xiàn)在主要采用聚酰亞胺復(fù)合材料保持架，利用聚酰亞胺作為機體材料，內(nèi)部加入二硫化鉬等固體潤滑劑制成。在軸承轉(zhuǎn)動過程中，軸承的滾動體與保持架兜孔面接觸，相對運動使保持架內(nèi)的固體潤滑劑和聚酰亞胺轉(zhuǎn)移到滾動體表面，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到溝道中，補充固體潤滑膜，達(dá)到長壽命的目的。這種類型的軸承在航天等高科技領(lǐng)域中已得到多次應(yīng)用，效果十分理想，圓滿的完成了工作任務(wù)。

2.3 在多孔含油保持架中的應(yīng)用

在陀螺馬達(dá)軸承中利用多空含油聚酰亞胺保持架，已解決其長壽命、高精度和高可靠性問題，該項技術(shù)的核心即是多孔保持架材料的制備。

陀螺馬達(dá)是一種高精度的電機馬達(dá)，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣量確定空間飛行器的基準(zhǔn)方向，對于現(xiàn)代航天、航空及航海等領(lǐng)域是十分關(guān)鍵的部件。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和要求的不斷提高，要求陀螺馬達(dá)的壽命都很長，國際上的陀螺馬達(dá)壽命達(dá)8萬小時。陀螺馬達(dá)的壽命主要有軸承壽命決定，當(dāng)軸承運轉(zhuǎn)失敗時馬達(dá)的壽命即終止。

而運轉(zhuǎn)過程中該部位的潤滑無法進(jìn)行補充，只能采取一次性潤滑技術(shù)。剛開始利用潤滑脂作為潤滑劑，但潤滑脂稠度較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動力矩增加，潤滑脂的質(zhì)量偏移會損傷陀螺精度，同時壽命要求，脂潤滑無法實現(xiàn)。多孔聚酰亞胺材料則是利用聚酰亞胺粉料采取獨特的工藝制成的特殊材料。它具有一定的機械強度，可用機械加工的方法成型保持架，內(nèi)部之間相互貫通，在微孔之內(nèi)貯存潤滑油，當(dāng)軸承運轉(zhuǎn)時由于離心力和熱運動使保持架表面轉(zhuǎn)移，形成完整油膜，實現(xiàn)軸承潤滑。同時微孔把它接觸到多余的潤滑油重新吸附到保持架內(nèi)，實現(xiàn)內(nèi)部油，達(dá)到長壽命之目的。

聚酰亞胺的綜合性能優(yōu)良，是制作微孔保持架的理想材料?，F(xiàn)在我國絕大多數(shù)長壽命陀螺馬達(dá)軸承都是采用多孔聚酰亞胺保持架，使陀螺壽命達(dá)五萬小時以上，精度及可靠性都滿足了主機要求。

聚酰亞胺作為一種性能優(yōu)異的特種高分子材料，肯定有其更加廣闊的使用范圍，在耐磨結(jié)構(gòu)件、絕緣材料、耐腐蝕等方面應(yīng)用會不斷拓展。

發(fā)前該材料應(yīng)用局限于高科技領(lǐng)域，產(chǎn)量較小，人們對它的熟知度不夠，研究生產(chǎn)單位有限，許多技術(shù)還未達(dá)到工業(yè)化水平，限制了它的應(yīng)用范圍。

許多工程塑料的發(fā)展歷史均表明，只有走工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的道路，才能降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品一致性，完善制造技術(shù)，為該類材料的拓展應(yīng)用提供條件。我們相信，聚酰亞胺的廣泛應(yīng)用已為時不遠(yuǎn)了，在實踐中不斷改善其性能，以批量化生產(chǎn)降低成本，以專業(yè)化設(shè)計滿足各種特殊的和需求，形成系列化產(chǎn)品，為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。