魏佳平，孫小波，謝鵬飛,張亦弛

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;2.南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)、軟件學(xué)院，南京 210046)

多孔聚酰亞胺保持架是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型保持架，已廣泛應(yīng)用在各種高精度陀螺電機(jī)軸承中。經(jīng)真空浸油后得到的含油多孔聚酰亞胺保持架既是軸承的重要零件，又是潤(rùn)滑油的載體，對(duì)陀螺電機(jī)軸承的旋轉(zhuǎn)精度及壽命有很大影響。目前，自由燒結(jié)法、定容燒結(jié)法是制備多孔聚酰亞胺復(fù)合保持架材料(以下簡(jiǎn)稱“聚酰亞胺復(fù)合材料”)的主要方法[1]，其工藝簡(jiǎn)單，成本低廉， 且能通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制微孔參數(shù)，已廣泛應(yīng)用于各類長(zhǎng)壽命軸承領(lǐng)域。

孔隙率相同時(shí)，不同工藝制備的聚酰亞胺復(fù)合材料的力學(xué)性能、摩擦學(xué)特性，尤其是微孔孔徑差異較大。下文采用自由燒結(jié)和定容燒結(jié)2種成形工藝分別制備聚酰亞胺復(fù)合材料，并對(duì)比了兩者的力學(xué)性能和摩擦學(xué)特性，為選擇適宜的成形工藝提供借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及試樣制備

制備聚酰亞胺復(fù)合材料所用原料為聚酰亞胺塑粉和聚四氟乙烯塑粉，其中聚酰亞胺模塑粉密度為1.40 g/cm3，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為265 ℃，粒度為150目；聚四氟乙烯塑粉粒度為150目。

取適量聚酰亞胺模塑粉和聚四氟乙烯模塑粉置于高速攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢杌旌虾髠溆?。聚酰亞胺?fù)合材料分別采用自由燒結(jié)和定容燒結(jié)成形工藝制得。

1.1.1 自由燒結(jié)成形工藝

稱取一定量的原料裝入模具中，然后在壓力機(jī)上壓制成形，保壓數(shù)分鐘后脫模，最后將其置于溫控?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，孔隙率控制在22%～23%；微孔半徑為1.0～1.2 μm。

1.1.2 定容燒結(jié)成形工藝

稱取一定量的原料裝入模具中，通過限位裝置將其壓制成形，然后將整個(gè)裝置置于溫控?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)成形，最后脫模即可，孔隙率控制在22%～23%，微孔半徑為0.6～0.8 μm。

1.2 材料性能測(cè)試

采用DNS20型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試環(huán)狀拉伸強(qiáng)度，拉伸速度為5 mm/min；用CFT-1型表面性能測(cè)量?jī)x測(cè)定摩擦學(xué)性能，采用往復(fù)式干摩，頻率20 Hz，Ф4 mm對(duì)磨鋼球，時(shí)間為30 min；用Auto Pore IV 9500型壓汞儀測(cè)定聚酰亞胺復(fù)合材料的微孔參數(shù)；用邵氏硬度計(jì)測(cè)定材料硬度；用EL-04KA高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱進(jìn)行吸濕性能試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 成形工藝對(duì)材料力學(xué)性能的影響

抗拉強(qiáng)度是軸承保持架的重要指標(biāo)之一，由不同成形工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料性能見表1。

表1 聚酰亞胺復(fù)合材料的性能(平均值)

從表1可以看出，定容燒結(jié)成形工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料的密度、環(huán)狀抗拉強(qiáng)度以及邵氏硬度均高于自由燒結(jié)成形工藝制得材料的相應(yīng)指標(biāo)，其中環(huán)狀抗拉強(qiáng)度達(dá)到73.0 MPa，提高了82.0%。其差異主要是由于燒結(jié)成形工藝不同所致：自由燒結(jié)成形工藝當(dāng)溫度升高到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，復(fù)合材料進(jìn)入黏彈態(tài)，此時(shí)，因沒有外力施加于材料，自由膨脹現(xiàn)象顯著；定容燒結(jié)成形工藝是將復(fù)合材料固定在一限定的空間內(nèi)，對(duì)材料施加一定的壓力，使復(fù)合材料的體積不變，自由膨脹小。定容燒結(jié)制得的復(fù)合材料微孔半徑更小，在相同孔隙率的情況下，定容燒結(jié)能制得微孔分布更加致密、結(jié)構(gòu)更加牢固的復(fù)合材料，因而環(huán)狀抗拉伸強(qiáng)度和邵氏硬度也更大。

2.2 成形工藝對(duì)材料摩擦磨損性能的影響

聚酰亞胺復(fù)合材料摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果如圖1和表2所示。從圖中可以看出，定容燒結(jié)工藝制得的復(fù)合材料摩擦因數(shù)大于自由燒結(jié)材料；但其耐磨性能較好，磨痕深度較自由燒結(jié)材料減小43.7%，磨損量減少22.8%(表2)。

表2 成形工藝對(duì)材料耐磨性(平均值)的影響

圖1 2種聚酰亞胺復(fù)合材料的摩擦因數(shù)

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是由于自由燒結(jié)成形工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料磨損量較大，而復(fù)合材料本身含有聚四氟乙烯潤(rùn)滑材料，摩擦過程中在接觸表面形成一層潤(rùn)滑膜，隨著磨損量的增多，潤(rùn)滑膜面積越大，摩擦因數(shù)越??；而定容燒結(jié)成形工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料微孔半徑較小，致密性及材料顆粒之間黏結(jié)性較好，加之硬度較大，耐磨性能較好,但不易形成潤(rùn)滑膜而使摩擦因數(shù)較大。

2.3 成形工藝對(duì)材料吸水性能的影響

聚酰亞胺材料能夠少量吸取空氣中的水分，引起保持架尺寸發(fā)生變化，還會(huì)對(duì)保持架的儲(chǔ)油性能產(chǎn)生一定的影響。

將自由燒結(jié)和定容燒結(jié)成形工藝制得的保持架放置在索格利特提取器中清洗24 h(石油醚清洗劑，82 ℃)，然后把保持架置于真空干燥箱內(nèi)干燥30 min，并在精密天平上稱重，最后把保持架放置在高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為25 ℃、濕度為60%，每隔1 h稱量一次，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可以看出，自由燒結(jié)成形工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料保持架放置在溫度為25 ℃、濕度為60%環(huán)境條件下1 h后吸濕速度變慢，4 h后質(zhì)量不再變化；定容燒結(jié)成形工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料保持架在相同溫、濕度條件下2 h后吸濕速度變慢，4 h后質(zhì)量也不再變化，均達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。

表3 多孔聚酰亞胺保持架質(zhì)量隨吸濕時(shí)間的變化

多孔材料吸濕是一個(gè)微孔流體流動(dòng)機(jī)制，液體在具有各向同性互相連通的毛細(xì)孔中的滲透可看作是一個(gè)擴(kuò)散過程[2]。多孔聚酰亞胺保持架的吸濕過程同樣可以看作是空氣中水分在其內(nèi)部的擴(kuò)散。相同配方的聚酰亞胺復(fù)合材料在孔隙率相同的情況下，吸濕能力基本相同，均約為1%，但達(dá)到吸濕平衡的時(shí)間略有差別。

3 結(jié)論

(1)定容燒結(jié)工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)于自由燒結(jié)。

(2)自由燒結(jié)成形工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料摩擦因數(shù)較小，耐磨性能較差。

(3)在孔隙率一致的情況下，2種工藝制得的聚酰亞胺復(fù)合材料的吸濕能力基本相同。

(4)實(shí)際應(yīng)用中，由于定容燒結(jié)與自由燒結(jié)成形工藝不同，兩者的應(yīng)用情況也各不相同。定容燒結(jié)工藝制備的聚酰亞胺復(fù)合材料力學(xué)性能較自由燒結(jié)工藝好，但自潤(rùn)滑性能較自由燒結(jié)工藝差。通常在選擇軸承用保持架材料時(shí)，載荷、自潤(rùn)滑性能是考慮的主要因素。定容燒結(jié)成形工藝制備的聚酰亞胺復(fù)合材料力學(xué)性能較好，使其在軸承應(yīng)用上的載荷量較自由燒結(jié)工藝大，但其自潤(rùn)滑性能較自由燒結(jié)工藝差，軸承工作時(shí)對(duì)潤(rùn)滑油需求量也較大。因此，軸承設(shè)計(jì)選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況而定。