非鋼制關(guān)節(jié)軸承制造材料研究進(jìn)展

孫澤，陳輝，肖光春，羅婷，劉香港

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250353；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031）

關(guān)節(jié)軸承的滑動面為球面，可以實(shí)現(xiàn)一定角度的擺動，是需要實(shí)現(xiàn)一定角度傾斜運(yùn)動機(jī)構(gòu)的重要組成部件，其失效原因主要為內(nèi)外圈的摩擦磨損［1］。關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈材料的選擇對其摩擦磨損、承載能力、耐沖擊和耐腐蝕等性能有重要影響。大部分自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈之間存在一層潤滑層，其材料的選擇是影響自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損的關(guān)鍵因素。

開展關(guān)節(jié)軸承各零件材料的研究對其性能和壽命的提高有重要意義。關(guān)節(jié)軸承按承載方向、公稱接觸角和結(jié)構(gòu)形式分為向心關(guān)節(jié)軸承、角接觸關(guān)節(jié)軸承、推力關(guān)節(jié)軸承和桿端關(guān)節(jié)軸承，向心關(guān)節(jié)軸承在工程中應(yīng)用較廣，本文以向心關(guān)節(jié)軸承為例（下文無特殊說明的關(guān)節(jié)軸承均為向心關(guān)節(jié)軸承）介紹了關(guān)節(jié)軸承零件材料的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納總結(jié)各種材料及其經(jīng)過處理后的性能，并在此基礎(chǔ)上對關(guān)節(jié)軸承零件材料的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈材料

2022年7月實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 304.9—2021《關(guān)節(jié)軸承 第9部分：通用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈材料一般選用軸承鋼、不銹鋼或滲碳鋼；擠壓型外圈和鑲嵌型外圈一般采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、調(diào)質(zhì)鋼［2］，鋼制關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)用已相對成熟。隨著機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，一些特殊應(yīng)用場合對關(guān)節(jié)軸承的摩擦性能、承載能力和耐腐蝕性等提出了更高要求。為提高關(guān)節(jié)軸承的各項(xiàng)性能，研究人員對各類合金在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈上的應(yīng)用進(jìn)行了研究［3］；對于無法應(yīng)用襯墊和涂層的場合，還研究了能實(shí)現(xiàn)自潤滑的內(nèi)外圈材料。

1.1 鋁合金材料

鋁合金是一種耐腐蝕、耐磨損、質(zhì)量輕的合金材料，早在1998年，國內(nèi)就開始了鋁合金自潤滑關(guān)節(jié)軸承的研究，但受限于當(dāng)時的技術(shù)，研究并不全面。經(jīng)過十多年的發(fā)展，已有選用2 系列和7 系列鋁合金材料制備的新型鋁合金自潤滑關(guān)節(jié)軸承［4］，并得到了工程化應(yīng)用；文獻(xiàn)［5］則通過內(nèi)外圈材料為7075 鋁合金的關(guān)節(jié)軸承的性能測試，證明了其作為擠壓型自潤滑關(guān)節(jié)軸承的可行性。

鋁合金因優(yōu)異的性能，質(zhì)量輕的特點(diǎn)成為輕量化航空關(guān)節(jié)軸承的理想材料。目前，制約鋁合金關(guān)節(jié)軸承發(fā)展的最大問題是鋁合金加工時變形大，加工困難。近年來飛速發(fā)展的3D 打印技術(shù)可以有效解決鋁合金內(nèi)外圈加工難的問題。文獻(xiàn)［6］在7075 鋁合金粉末中添加Al3Zr 核試劑顆粒制備了高強(qiáng)度3D 打印鋁合金，比傳統(tǒng)3D 打印鋁合金的強(qiáng)度提高了80%。隨著3D 打印技術(shù)的日趨成熟，制備高性能的鋁合金3D 打印材料可能是鋁合金關(guān)節(jié)軸承的重要研究方向。

1.2 鈦合金材料

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈上也有廣泛的應(yīng)用前景［7］。文獻(xiàn)［8］將60NiTi 鈦鎳合金用于關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈制造，其摩擦性能與440C 不銹鋼相當(dāng)，但質(zhì)量較輕，耐腐蝕性好，非常適合飛機(jī)、船舶、食品機(jī)械等領(lǐng)域。文獻(xiàn)［9］發(fā)現(xiàn)TC4 鈦合金與PTFE/Kevlar 自潤滑織物之間的摩擦因數(shù)在0.10 ～ 0.25 之間波動，波動很大的原因?yàn)殁伜辖鹉湍バ圆睿瑸楦纳柒伜辖鹋c織物之間的摩擦性能，可通過改性的方式提高鈦合金的耐磨性。

通常，鈦合金含有昂貴的V，Mo 等元素，生產(chǎn)成本高，難以在關(guān)節(jié)軸承中廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［10］通過減少Al 含量，并用Fe 和Cr 替代V 制備了Ti?3Al?2.1Cr?1.3Fe和Ti?2.1Cr?1.3Fe進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Ti?3Al?2.1Cr?1.3Fe 的強(qiáng)度更高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可達(dá)1235，1130 MPa。文獻(xiàn)［11］通過減少Al，并用Cr 和Mn 替代V 制備了Ti?4.5Al?6.9Cr?2.3Mn，其斷裂強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別可達(dá)1191.3，928.4 MPa，伸長率為10.7%。目前，低成本鈦合金的研究雖然有一定進(jìn)展，但主要應(yīng)用于汽車、體育等民用領(lǐng)域，仍無法推廣到對綜合性能要求高的航天領(lǐng)域。研究低成本、高綜合性能的鈦合金材料是鈦合金關(guān)節(jié)軸承的迫切需要。

1.3 自潤滑材料

對于襯墊、涂層無法應(yīng)用的高溫、高腐蝕等場合，可將自潤滑材料置入內(nèi)外圈中，甚至直接用自潤滑材料制作關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)外圈以實(shí)現(xiàn)自潤滑。文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)了一種摩擦因數(shù)約0.05的鑲嵌型自潤滑關(guān)節(jié)軸承，其內(nèi)圈采用鐵基合金材料，外圈采用鑄造鋁青銅材料，固體潤滑劑采用某型復(fù)合材料（其中一種成分為MoS2超細(xì)粉），經(jīng)混料、烘干、壓制成形、燒結(jié)、車加工后鑲嵌在外圈內(nèi)表面的孔中。文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)了一種高溫核用自潤滑關(guān)節(jié)軸承，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，外圈為H1025不銹鋼，內(nèi)圈為C96900 銅合金，將石墨粉體鑲嵌在內(nèi)圈中，內(nèi)外圈之間鋪設(shè)一層MoS2粉末，該結(jié)構(gòu)有效降低了軸承的摩擦因數(shù)。文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)了一種40Cr/石墨的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，其外圈由40Cr 制成并在表面進(jìn)行磷化處理，內(nèi)圈由石墨擠壓燒結(jié)成形，其可以在載荷為10 kN 和傾斜擺動頻率為1 Hz 的工況下安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 鑲嵌型關(guān)節(jié)軸承模型 （1/4模型）Fig.1 Inlaid spherical plain bearing model （quarter model）

無論是將自潤滑材料直接加入內(nèi)外圈還是用石墨等潤滑材料作為內(nèi)外圈材料，都會對關(guān)節(jié)軸承的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的優(yōu)點(diǎn)，作為自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈材料可以有效提高關(guān)節(jié)軸承的力學(xué)性能。文獻(xiàn)［15］設(shè)計(jì)了Si3N4材料的關(guān)節(jié)軸承，其摩擦因數(shù)為0.03 ～ 0.20，適用于高載荷的擺動場合。文獻(xiàn)［16］研究發(fā)現(xiàn)隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增加，Si3N4表現(xiàn)出更好的耐磨性和自潤滑性，適當(dāng)增加載荷和轉(zhuǎn)速有利于Si3N4全陶瓷關(guān)節(jié)軸承在無潤滑條件下的運(yùn)行。由于陶瓷關(guān)節(jié)軸承裝配困難，相關(guān)研究相對較少，但耐高溫、耐腐蝕的陶瓷材料是極端環(huán)境下關(guān)節(jié)軸承的理想材料，有很大的應(yīng)用前景。

1.4 內(nèi)外圈材料的處理工藝

為提高非自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈之間的摩擦性能，對內(nèi)外圈接觸面材料進(jìn)行滲碳和滲氮［17］、超聲表面滾壓［18］、激光硬化［19］、表面微織構(gòu)［20］等表面強(qiáng)化。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步減少內(nèi)外圈之間的磨損，可將微織構(gòu)與超聲表面滾壓技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于關(guān)節(jié)軸承，經(jīng)該工藝處理后，關(guān)節(jié)軸承的摩擦性能提高了55%以上［21］。

為進(jìn)一步改善自潤滑關(guān)節(jié)軸承的摩擦性能，許多研究人員嘗試使用其他表面處理工藝并取得了良好的改善效果：文獻(xiàn)［22］采用超音速火焰噴涂在自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外表面噴涂了厚度約350 μm 的WC?10Co?4Cr 陶瓷涂層并測試其摩擦性能，發(fā)現(xiàn)陶瓷涂層具有良好的耐磨性，有效降低了PTFE 襯墊的磨損，比鍍鉻處理關(guān)節(jié)軸承的壽命提升了4 ～ 8 倍；為使關(guān)節(jié)軸承滿足大載荷直升機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求，文獻(xiàn)［23］通過磁控濺射法在9Cr18 關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外表面分別制備了鉻摻雜類金剛石（Cr DLC）和鎢摻雜類金剛石（W DLC）的2種薄膜，240 min對磨后的掃描電鏡圖像如圖2所示，相對于9Cr18?Cr DLC，9Cr18?W DLC的摩擦過程更加平穩(wěn)，更易形成自潤滑轉(zhuǎn)移膜，摩擦因數(shù)更低，耐磨性更好。

圖2 9Cr18關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外表面磨損后的掃描電鏡圖像Fig.2 Scanning electron microscope after wear of inner ring outer surface of 9Cr18 spherical plain bearing

合金材料通常需要進(jìn)行各種處理以滿足關(guān)節(jié)軸承的使用要求。文獻(xiàn)［4］為提高鋁合金的表面強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和使用壽命，在軸承成形后對接觸表面進(jìn)行了硬質(zhì)陽極化和鉻酸陽極化處理。文獻(xiàn)［9］發(fā)現(xiàn)可以通過鈦合金的改性處理減少堆積碎片，從而減少鈦合金表面的劃傷和襯墊的磨損。文獻(xiàn)［24］將熱氧（Thermal Oxidative，TO）處理應(yīng)用于Ti6Al4V 合金，使Ti6Al4V 合金的磨損率下降了2 個數(shù)量級。文獻(xiàn)［25］對Ti6Al4V 合金進(jìn)行了激光表面織構(gòu)（Laser Surface Texture， LST）和TO 雙相處理，如圖3 所示，LST?TO 雙相處理后的Ti6Al4V 合金（DT?Ti6Al4V）摩擦因數(shù)有所上升，但耐磨性得到了顯著提高，與未處理的材料相比，磨損率下降了95.2%，與單獨(dú)的LST 或TO 處理相比，磨損率也大幅下降。

圖3 Ti6Al4V，LST?Ti6Al4V，TO?Ti6Al4V 和DT?Ti6Al4V樣品的平均摩擦因數(shù)和磨損率Fig.3 Average friction coefficient and wear rate of Ti6Al4V，LST?Ti6Al4V， TO?Ti6Al4V and DT?Ti6Al4V samples

對內(nèi)外圈材料進(jìn)行處理的目的是提高其耐腐蝕性并降低磨損，從而提高關(guān)節(jié)軸承的壽命。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，將來勢必會出現(xiàn)更先進(jìn)的材料處理工藝，將其應(yīng)用在關(guān)節(jié)軸承中以提高軸承壽命，是關(guān)節(jié)軸承材料的一個重要研究方向。

2 襯墊材料

目前，自潤滑關(guān)節(jié)軸承的襯墊材料有聚四氟乙烯（PTFE）纖維織物復(fù)合材料、聚合物及其填充復(fù)合材料、金屬背襯層狀復(fù)合材料3 類［26］。其中金屬背襯層狀復(fù)合材料加工工藝復(fù)雜，產(chǎn)品精度和質(zhì)量不易控制，對其研究的很少。

2.1 PTFE纖維織物復(fù)合材料

PTFE 具有摩擦因數(shù)小，潤滑性能好，化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的潤滑材料，但其耐磨性差，蠕變率高，往往需要與其他增強(qiáng)纖維編織在一起使用。PTFE 纖維織物襯墊由PTFE 纖維與其他高性能增強(qiáng)纖維編織成形，再用樹脂填充纖維間的縫隙?；w材料需具有一定的抗熱變形能力，通常選用熱固性樹脂作為黏結(jié)劑，常用樹脂有酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、環(huán)氧樹脂等［26］。目前，主要通過改變編織工藝、增強(qiáng)纖維類型、填料類型和界面改性等方法來提高PTFE 纖維織物復(fù)合材料的摩擦磨損性能［27］。

2.1.1 編織工藝

PTFE 纖維織物復(fù)合材料常采用的編織結(jié)構(gòu)有平紋、斜紋和緞紋3 種。文獻(xiàn)［28］將Kevlar/PTFE 織物分為潤滑區(qū)、增強(qiáng)區(qū)和鍵接區(qū)，制備了平紋、1/3 斜紋和8/5 緞紋3 種形式的Kevlar/PTFE織物，如圖4 所示。在輕載場合，織物的磨損區(qū)域位于潤滑區(qū)，平紋織構(gòu)在潤滑區(qū)內(nèi)PTFE 的占比最低，形成穩(wěn)定潤滑膜需要消耗更多的織物材料，故輕載場合下平紋織構(gòu)磨損量最大；在重載場合，織物的磨損區(qū)域會進(jìn)入增強(qiáng)區(qū)，在增強(qiáng)區(qū)PTFE 的占比最高，平紋織構(gòu)只需要較少的織物材料便可形成穩(wěn)定的潤滑膜，故重載場合下平紋織構(gòu)擁有最好的潤滑性能。文獻(xiàn)［29］進(jìn)一步制備了2/2 雙斜紋、1/3 斜紋、4 枚緞紋和4 枚加強(qiáng)緞紋4 種相同組織循環(huán)數(shù)和紗線支數(shù)的PTFE/S?玻璃纖維織物，如圖5 所示：PTFE/S?玻璃纖維織物材料的摩擦性能與紗線的拔出性能、織物的結(jié)構(gòu)完整性密切相關(guān)；4 枚加強(qiáng)緞紋織物緯向和經(jīng)向的紗線拔出性能最好，拉伸強(qiáng)度最高，耐磨性能最優(yōu)，結(jié)構(gòu)最完整且連續(xù)交叉點(diǎn)最多；2/2 雙斜紋織物自潤滑復(fù)合材料的耐磨性能和力學(xué)性能最差。

圖4 不同結(jié)構(gòu)織物的剖視圖Fig.4 Sectional view of fabrics with different structures

圖5 PTFE/S?玻璃纖維織物示意圖Fig.5 Diagram of PTFE/S?fiber glass fabrics

除織物結(jié)構(gòu)外，織物密度、編織方向等也會對襯墊的摩擦性能產(chǎn)生影響：文獻(xiàn)［30］測試了不同織物密度的PTFE/Kevlar 復(fù)合材料的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)織物密度從每英寸65 根減少到50 根時，材料磨損率下降約14.4%，摩擦因數(shù)提高了6.1%；文獻(xiàn)［31］制備2種不同斜紋取向的PTFE/Kevlar 織物并測試了各自的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)向左傾斜的斜紋織物在低PV值時摩擦性能更好，摩擦性能受施加載荷的影響更大，最適合低載荷的場合，向右傾斜的斜紋織物則在高PV值時表現(xiàn)出更好的摩擦性能，摩擦性能受滑動速度的影響更大，適用于滑動速度較低的場合。

選擇合適的編織工藝將顯著改善PTFE 纖維織物襯墊關(guān)節(jié)軸承的摩擦性能。

2.1.2 增強(qiáng)纖維類型

PTFE 的增強(qiáng)纖維種類很多，如耐高溫性能良好的芳綸纖維，高強(qiáng)度低摩擦的碳纖維，高強(qiáng)度又耐高溫的玻璃纖維等。文獻(xiàn)［32］研究了Kevlar、玻璃纖維和棉纖維增強(qiáng)PTFE 的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)在考慮較小摩擦因數(shù)和較低溫度時，玻璃纖維具有最好的減摩性；在考慮耐磨性時，玻璃纖維最差，石棉纖維次之，芳綸纖維最好，僅有輕微的黏著磨損。文獻(xiàn)［33］研究了一種基體為酚醛樹脂的PTFE/聚酯織物，該織物在重載時磨損量很大，但在高速滑動下仍能保持良好的潤滑性能，適用于高速和低載荷的場合。

目前常用的增強(qiáng)纖維都存在一定的缺陷，尋找一種擁有良好力學(xué)性能，耐高溫、摩擦性能好的增強(qiáng)纖維是PTFE 纖維織物襯復(fù)合材料的一個重要方向。

2.1.3 填料類型

為使織物復(fù)合材料獲得更好的摩擦磨損性能，許多研究人員在織物復(fù)合材料中添加無機(jī)納米粒子、固體潤滑劑等各類填料進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［34］研究了添加石墨、石墨烯和氧化石墨烯（GO）對PTFE/Nomex 織物/酚醛復(fù)合材料性能的影響，如圖6 所示，石墨、石墨烯、GO 的最佳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分別為4%，2%，2%；當(dāng)含量均為4%時，在載荷（壓強(qiáng)）為85 MPa，滑動速度為0.364 m/s 的工況下，添加GO 的織物表現(xiàn)出最好的力學(xué)性能和耐磨性。文獻(xiàn)［35］發(fā)現(xiàn)添加適當(dāng)?shù)你娤鳛r青碳纖維可在保持PTFE/Kevlar 織物復(fù)合材料低摩擦因數(shù)的同時，提高其耐磨性。文獻(xiàn)［36］采用2?巰基苯并咪唑（MB）減少臭氧氧化對航空用織物復(fù)合材料摩擦性能和使用壽命的影響，發(fā)現(xiàn)MB 可有效提高織物復(fù)合材料的摩擦性能和耐臭氧性能，其最佳含量為4%，在不同臭氧老化時間下，可使自潤滑織物復(fù)合材料的磨損率降低42.4% ～ 61.8%。

圖6 石墨、石墨烯和氧化石墨烯對PTFE/Nomex 織物/酚醛復(fù)合材料性能的影響Fig.6 Effects of graphite， graphene and graphene oxide on properties of PTFE / Nomex fabric/phenolic composites

多種填料之間具有一定的協(xié)同效應(yīng)，使用2種以上填料時，材料性能更優(yōu)，文獻(xiàn)［37］研究了石墨/石墨烯對PTFE/Nomex 酚醛樹脂基織物摩擦性能的影響，如圖7 所示，在石墨烯正向滾動效應(yīng)和石墨賦予材料高承載能力的協(xié)同作用下，石墨/石墨烯填充復(fù)合材料的摩擦磨損性能優(yōu)于單一填充的復(fù)合材料。文獻(xiàn)［38］制備了PA40@SiO2含油微膠囊（PSMS）并研究其對PTFE/芳綸織物復(fù)合材料摩擦性能的影響，PSMS 顯著降低了PTFE/芳綸織物復(fù)合材料的磨損，當(dāng)PSMS 含量為6%時的摩擦性能最好，摩擦因數(shù)和磨損率分別下降了42.9%和31.5%，壽命提高了5.3倍。

圖7 PTFE/Nomex織物復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率Fig.7 Friction coefficient and wear rate of PTFE/Nomex fabric composites

各類填料顯著改善了PTFE 纖維織物復(fù)合材料的摩擦性能，主要發(fā)展方向是嘗試新的填料類型或添加種類較多的填料使PTFE 纖維織物復(fù)合材料獲得更好的摩擦性能。

2.1.4 界面修飾和黏結(jié)性

由于纖維織物表面具有化學(xué)惰性，纖維織物與基材的黏結(jié)性較差，從而影響了襯墊的摩擦性能。提高織物黏結(jié)性的常用方法有物理改性、化學(xué)改性和構(gòu)建納米材料界面。

物理改性采用物理手段改變纖維織物的結(jié)構(gòu)，以提高織物的黏附能力。文獻(xiàn)［39］將PTFE/芳綸混合編織的纖維襯墊在超聲波清洗槽中進(jìn)行超聲波處理以降低纖維的表面能，并提高織物黏結(jié)性，超聲改性有效改善了襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承摩擦磨損時的成膜性能，其摩擦因數(shù)最大降低7%，磨損率最大降低31%，且只發(fā)生了黏著磨損?？赏ㄟ^空氣等離子改性［40］、冷凍處理［41］等物理改性方式提高織物的黏結(jié)性。

化學(xué)改性采用化學(xué)方法提高纖維表面活性或粗糙度，以提高織物黏結(jié)性。文獻(xiàn)［42］利用鈉一萘絡(luò)合物去除PTFE/Kevlar 織物中PTFE 表面的C?F鍵，改性后材料的摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定，PTFE轉(zhuǎn)移膜更加完整。按照圖8的反應(yīng)機(jī)理，文獻(xiàn)［43］將聚多巴胺/碳化硅/聚乙烯亞胺（PDA/SiC/PEI）功能涂層的混合物沉積到PTFE/玻璃織物表面，通過增加織物表面粗糙度和引入大量的胺官能團(tuán)改善了PTFE/玻璃織物與酚醛樹脂基質(zhì)之間的界面黏合，使織物/基質(zhì)界面的黏附性增強(qiáng)了47.8%。

圖8 PDA/SiC/PEI共沉積工藝的可能反應(yīng)機(jī)理示意圖Fig.8 Diagram of possible reaction mechanism of PDA/SiC/PEI codeposition process

在織物表面構(gòu)建納米界面可以提高織物的黏結(jié)性，從而改善襯墊的摩擦性能。文獻(xiàn)［44］通過一步水熱法將排列好的NiFe 層狀雙氫氧化合物（NiFe?LDH）納米片引入PTFE/Nomex 織物表面以提高織物表面粗糙度和活躍性，使織物的剝離強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了14.4%和11.9%。

上述方法顯著提高了織物的黏結(jié)性，但工藝十分復(fù)雜，增加了襯墊的制備難度；因此，尋找一種工藝簡單且能夠顯著改善織物黏結(jié)性的處理方式對于PTFE織物復(fù)合材料的發(fā)展十分重要。

2.1.5 小結(jié)

經(jīng)過編織工藝、增強(qiáng)纖維類型、填料類型和界面改性方法的研究，PTFE 纖維織物復(fù)合材料的摩擦磨損性能已得到了一定的提高。然而，由于影響PTFE 纖維織物復(fù)合材料性能的因素眾多，而且有些因素的影響機(jī)理尚不明確，目前尚未找到各個工藝的最優(yōu)組合。因此，確定PTFE 纖維織物復(fù)合材料摩擦性能影響因素的作用機(jī)理，從而進(jìn)一步制造出低摩擦因數(shù)、低磨損率的襯墊材料是PTFE 纖維織物復(fù)合材料在關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用中的主要發(fā)展方向。

2.2 聚合物及其填充復(fù)合材料

聚合物及其填充復(fù)合材料主要是PTFE基復(fù)合材料，因PTFE耐磨性和力學(xué)性能較差，研究人員嘗試加入多種類型的填料改善復(fù)合材料的摩擦性能和力學(xué)性能。文獻(xiàn)［45］發(fā)現(xiàn)PTFE+17%玻璃纖維、PTFE+25%青銅、PTFE+35%碳在不同滑動速度和載荷下的摩擦磨損性能均顯著優(yōu)于純PTFE，PTFE+17%玻璃纖維的摩擦磨損性能最佳，摩擦因數(shù)和磨損率分別比純PTFE降低15%和98%。研究人員還將尼龍6（PA6）［46］，LaF3/CeF3［47］、納米SiO2［48］、石墨烯［49］等用作PTFE 的填充材料，研究發(fā)現(xiàn)PTFE 的性能均得到了一定程度的提升。目前，聚合物及其填充復(fù)合材料的主要研究方向仍是尋找合適的填充物，從而獲得最佳的摩擦性能和力學(xué)性能。

3 涂層材料

隨著航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，研究人員越來越重視在惡劣的太空環(huán)境（高真空、寬溫度范圍、原子氧、紫外線輻射等）中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵運(yùn)動部件的高可靠性和長使用壽命。涂層技術(shù)能夠很好地應(yīng)對太空環(huán)境［50］，大量學(xué)者對涂層自潤滑關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)［51］用無機(jī)磷酸鹽作為黏結(jié)劑制備了MoS2和石墨的混合物，并以不同的噴涂壓力將混合物涂覆到關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈外表面作為關(guān)節(jié)軸承的自潤滑涂層，當(dāng)噴槍壓強(qiáng)為0.2 MPa，MoS2與石墨的質(zhì)量比為3∶1 時，關(guān)節(jié)軸承在2.5 ～ 3.0 Hz 下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦性能，摩擦因數(shù)約0.04 和磨損高度約17 μm；文獻(xiàn)［52］制備了MoS2?TiO2涂層并測試其在不同條件下的摩擦性能，由于MoS2和TiO2的協(xié)同作用，復(fù)合MoS2?TiO2涂層比純MoS2涂層的摩擦性能更好，且當(dāng)TiO2含量為15%時，涂層在較高的接觸壓力和滑動速度下表現(xiàn)出最低的摩擦因數(shù)和磨損率。

目前，涂層材料的摩擦性能一般不如襯墊材料，這是涂層自潤滑關(guān)節(jié)軸承沒有襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用廣泛的主要原因，研究出更低摩擦因數(shù)的涂層材料是涂層自潤滑關(guān)節(jié)軸承發(fā)展的重中之重。

4 結(jié)束語

目前已有許多關(guān)節(jié)軸承材料的研究，使關(guān)節(jié)軸承的性能得到一定程度的提升，但現(xiàn)有關(guān)節(jié)軸承材料存在一些不足，仍需進(jìn)一步研究：

1）關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈材料。除目前應(yīng)用廣泛的常規(guī)鋼制材料外，具有優(yōu)良性能的鋁合金和鈦合金是關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈材料的合適之選；提高鋁合金的加工性能（如采用3D 打印技術(shù)）是鋁合金關(guān)節(jié)軸承的重要發(fā)展方向；采用低成本的元素替代鈦合金中的V，Mo 等昂貴元素制備出高性能且耐磨損的鈦合金材料是鈦合金關(guān)節(jié)軸承的迫切需要；應(yīng)用先進(jìn)材料處理工藝提高關(guān)節(jié)軸承的使用壽命，是關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈材料的發(fā)展趨勢。

2）襯墊和涂層材料。PTFE 纖維織物復(fù)合材料襯墊擁有優(yōu)異的摩擦性能，具有最廣闊的應(yīng)用前景，影響PTFE 纖維織物復(fù)合材料摩擦的因素眾多且關(guān)系復(fù)雜，在考慮眾多影響因素的情況下，制備出性能最優(yōu)的襯墊材料是關(guān)節(jié)軸承材料的重要任務(wù)；設(shè)計(jì)制造方便，摩擦性能好，耐高溫、耐腐蝕的材料是襯墊和涂層材料的主要研究方向。

3）陶瓷材料摩擦性能好，耐高溫、耐腐蝕，特別適合高溫、高腐蝕等極端環(huán)境，在關(guān)節(jié)軸承上有廣闊的應(yīng)用前景。