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基于现代高端装备对系统可靠性与长寿命等的技术需求,自润滑耐磨工程塑料已广泛应用于制造各种耐磨机械零部件。本文综述自润滑耐磨工程塑料的基体材料以及自润滑耐磨工程塑料在民用高技术领域的应用,指出目前我国在此领域的差距以及今后的发展方向。

The demand for better reliability and durability led to the growth of engineering plastics with high abrasive resistance, particularly in substituting metal in mechanical parts. The article comprehensively reports on the different types of base materials, abrasive reduction and lubricating theories, as well as applications in high-end sectors. It comes to the conclusion that China lags behind the world’s elites in material development and is in need of a clear plan to move forward.


自润滑耐磨工程塑料是一种摩擦系数很低、耐磨性能优良且有自润滑性的高分子材料,广泛应用于制造耐磨零部件,如轴承、齿轮、凸轮、轴套、密封件、辊子和滑轨等,可以代替金属(尤其是有色金属制造滑动轴承、密封组件及各种摩擦组件),能用于油润滑以外的无油润滑或水润滑,甚至在更苛刻的条件下使用。

 

随着现代高端装备对系统可靠性与长寿命等的技术需求,减摩耐磨等工程塑料零部件的应用领域变得更加广泛。同时,单一的工程塑料往往不能同时满足系统对材料自润滑性和耐磨性能的需求,因而需要针对工况特点,对工程塑料材料进行改性,以满足更加广泛的应用需求。长期以来,改善工程塑料的自润滑性和耐磨性能已成为人们关心和重视的课题。

 

通常,可以作为自润滑耐磨工程塑料基体材料的热塑性聚合物有聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、尼龙(PA)、聚甲醛(POM)以及聚醚醚酮(PEEK)等高分子材料,热固性材料有环氧树脂(EP)、聚氨酯(PU)、酚醛树脂以及聚酰亚胺(PI)等。可作为自润滑以及耐磨损的高分子材料必须满足基体材料在特定环境与工况条件下对耐温性、承载力等性能的要求。

 

聚合物减摩与润滑理论

 

聚合物的摩擦磨损特性主要取决于聚合物材料的化学成分、分子结构等固有特性,除了聚合物的本征特性以外,聚合物材料在摩擦磨损过程中的服役环境与工况参数,如摩擦表面的组织结构、表面粗糙度、表面化学特征以及摩擦对偶材质、载荷、滑动速度、环境温度、湿度等,对聚合物的摩擦磨损性能均有很大的影响。

 

众所周知,当两固体表面接触并产生相对滑动时就会产生摩擦,同时会导致表面破坏,即磨损,并产生摩擦热。对于大多数对热敏感的聚合物材料,强烈的摩擦热作用会导致聚合物材料表面发生塑性变形或熔融,因此需要通过添加具有长径比的纤维(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及陶瓷纤维等)或具有特殊结构的硬质填料(如二氧化硅、三氧化二铝及氮化硅等)对聚合物进行增强改性,以防止在高载、高速或高温条件下材料表面的变形与磨损。已有研究表明,硬质颗粒会对接触表面产生磨粒作用,通常会刮伤对摩材料表面,使得摩擦系数增大。

 

工程塑料的耐磨性与其物理机械性能紧密相关。摩擦系数与材料的本征特性也具有紧密关系。因此,通过化学手段改善聚合物分子链结构,以及通过物理共混等方法改善聚合物材料的物理机械性能均能提高材料的摩擦磨损性能。

 

通常,提高工程塑料的摩擦学性能主要有以下两种技术手段。第一,在聚合物基体中添加具有低剪切强度和自润滑性的润滑粒子,如添加二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯等,以降低材料的摩擦系数。第二,在聚合物基体中添加硬质颗粒或纤维增强剂,以提高材料的耐磨性。随着工程应用领域对工程塑料摩擦磨损性能要求的进一步提高,采用耐磨剂与润滑剂共同添加的方式,以期获得具有良好综合性能的自润滑耐磨工程塑料。

 

自润滑耐磨工程塑料

 

下面就自润滑耐磨工程塑料在民用高技术领域的应用做以介绍。

 

随着汽车工业对成本与性能可靠性方面的需求增加,业界对汽车零部件的使用寿命与低摩擦提出了较高的技术要求。据美国环保局(EPA)依据典型汽车测得如下数据,汽车消耗在各种摩擦损失中的能量占其燃料能量消耗的10.5%,摩擦伴随着磨损的产生,汽车零部件的主要失效形式之一是磨损,磨损故障约占50%,由磨损故障带来的维修费用约占汽车使用总费用的25%。因此,如何正确选择聚合物自润滑耐磨复合材料的配方、设计合理的结构及采取何种润滑方式,以达到最佳的综合使用效果,是长期以来重要的研究课题。

 

例如,聚甲醛(POM)是在汽车工业领域应用广泛的自润滑耐磨工程塑料,在汽车泵、汽化器部件、动力阀、万向节轴承、弹簧衬套、马达齿轮、曲轴及汽车窗升降机装置、安全带扣等方面具有重要的应用前景。PTFE复合材料在汽车中的应用主要是利用其摩擦性能和耐热性能制造各种垫圈、缓冲环、密封圈、阀座等。为了提高工程塑料的承载能力,将各种填充剂改性的PTFE与金属进行复合,制造成PTFE-钢背复合材料(DU),可用作自润滑轴承、活塞环等制造各种衬套与轴承。聚酰亚胺(PI)也具有优异的高温摩擦磨损性能,在汽车上主要用于与发动机、变速箱等有关的功能部件,如悬挂支撑盘、电机、齿轮及活塞裙、火花塞及车轮、制动蹄片等。

 

自润滑耐磨工程塑料在工程机械领域中同样具有广泛的应用。在起重机吊臂升降系统中,吊臂与承载高分子滑块之间摩擦阻力较大会导致机械振动和异常噪声,采用具有低摩擦特性的尼龙材料作为吊臂滑块,可以显著降低摩擦副之间的摩擦系数,提高系统的可靠性与稳定性。在挖掘机领域中,挖斗部位的摩擦调节片采用POM自润滑耐磨材料,既可以防止灰尘污染,又可以起到良好的自润滑作用,大幅延长了轴承的使用寿命。

 

在海洋工程领域,轻质的高分子材料在水环境中表现出良好的润滑、耐磨以及耐腐蚀特性。例如,在船舶领域中,船舶艉系、舵系及甲板机械的轴承部件通常是以水作为润滑与冷却剂,采用以轻质高分子材料作为轴承可以显著降低摩擦系数及摩擦噪声,使得系统的隐蔽性与舒适性提到提高。在海洋钻井平台中,也常使用自润滑工程塑料作为衬套及密封件,可大幅度提高钻井设备的使用寿命。

 

同样,自润滑耐磨工程塑料在铁路以及轨道交通领域中具有重要的应用。道岔是铁路线路上的重要部件,其正常运转是行车安全的基本保证。多年来设法减小道岔尖轨的转换阻力,提高道岔的转换可靠性,一直是铁路部门关注的课题。要减小道岔的转换阻力,除了在道岔的结构设计、铺设安装设备等方面进行改进外,减小尖轨和滑床板间的摩擦力也是有效的方法之一。长期以来,主要采用在尖轨和滑床板间涂油润滑的方法来减小摩擦力。但是,由于缺油或粉尘及各种杂物粘附在滑床板上,会使转换阻力增大从而导致转换不良的情况时有发生。而且,需要安排专人定期进行道岔涂油养护,不仅增加了道岔的养护工作量,还会造成线路环境污染。采用以浇铸尼龙为基体的自润滑滑床板,其尖轨转换阻力大大低于涂油道岔的转换阻力,经三年多的运行塑料板没有发现任何损坏,最大磨耗不超过0。5mm,解决了安排专人定期涂油养护的问题。

 

另外,斜楔和磨耗板是铁路机车交叉支撑转向架摩擦减振装置中的主要摩擦副。在机车运行过程中,斜楔与磨耗板摩擦将部分振动动能转换成摩擦热能,减少了车辆的振动和冲击,同时枕簧被压缩储存了大量弹性势能,缓和了振动,从而改善了转向架的动力学性能。因此,斜楔和磨耗板组成的摩擦副性能对列车的正常运行具有重要意义。传统机车采用的斜楔材料主要是等温淬火球墨铸铁斜楔,配对的磨耗板材料采用45 钢,随着货车提速,列车制动力相应增加,非正常振动的次数也随之增加,导致摩擦副材料磨损严重,磨耗板使用寿命较短。采用自润滑耐磨工程塑料制成的磨耗板,摩擦系数与体积磨损量会明显降低。

 

问题与展望

 

我国在借鉴国外技术的基础上在自润滑耐磨工程塑料的技术能力和工业化应用取得了显著提高。可是,在材料的种类、技术开发能力以及应用深度与发达国家相比相距甚远,主要原因在于:(1)机械零部件设计者对于减摩、润滑等理论与相应的技术方法了解不够全面,很多领域仍采用传统润滑技术方案,造成新型材料技术的推广难度增大;(2)我国自润滑耐磨工程塑料的产业与技术水平较低,从事工程塑料的企业只关注材料改性研究,并且专业从事高分子材料润滑与耐磨的企业很少,大多数企业以潜在的销售额或市场利润作为导向标,忽略了长期专业技术的积累与沉积,导致产品种类分散、专业性不强,技术人员不高;(3)产学研深度融合不足,自润滑耐磨材料的研究与技术往往需要材料、化学、机械等领域的交叉,需要企业与科研院所的广泛交流与融合,目前我国提供此类技术交流的平台,如企业的行业会议与科研部门的学术交流深度融合不足,无法将优质的科技资源与市场信息紧密结合。

 

随着相关科技与产业政策的部署与实施,我国在聚合物复合材料和聚合物摩擦磨损等领域基础研究的实力不断加强,会影响工程技术人员对自润滑耐磨工程塑料的认识与积累不断增强。同时,在工程塑料、机械零部件等产业部门在应用研究及技术集成的基础上,相信自润滑耐磨工程塑料的应用会更加广泛与深入。
作者:中国塑料机械网 来源:中国塑料机械网信息中心
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