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基于現代高端裝備對系統可靠性與長壽命等的技術需求,自潤滑耐磨工程塑料已廣泛應用于制造各種耐磨機械零部件。本文綜述自潤滑耐磨工程塑料的基體材料以及自潤滑耐磨工程塑料在民用高技術領域的應用,指出目前我國在此領域的差距以及今后的發展方向。

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.


自潤滑耐磨工程塑料是一種摩擦系數很低、耐磨性能優良且有自潤滑性的高分子材料,廣泛應用于制造耐磨零部件,如軸承、齒輪、凸輪、軸套、密封件、輥子和滑軌等,可以代替金屬(尤其是有色金屬制造滑動軸承、密封組件及各種摩擦組件),能用于油潤滑以外的無油潤滑或水潤滑,甚至在更苛刻的條件下使用。

 

隨著現代高端裝備對系統可靠性與長壽命等的技術需求,減摩耐磨等工程塑料零部件的應用領域變得更加廣泛。同時,單一的工程塑料往往不能同時滿足系統對材料自潤滑性和耐磨性能的需求,因而需要針對工況特點,對工程塑料材料進行改性,以滿足更加廣泛的應用需求。長期以來,改善工程塑料的自潤滑性和耐磨性能已成為人們關心和重視的課題。

 

通常,可以作為自潤滑耐磨工程塑料基體材料的熱塑性聚合物有聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、尼龍(PA)、聚甲醛(POM)以及聚醚醚酮(PEEK)等高分子材料,熱固性材料有環氧樹脂(EP)、聚氨酯(PU)、酚醛樹脂以及聚酰亞胺(PI)等。可作為自潤滑以及耐磨損的高分子材料必須滿足基體材料在特定環境與工況條件下對耐溫性、承載力等性能的要求。

 

聚合物減摩與潤滑理論

 

聚合物的摩擦磨損特性主要取決于聚合物材料的化學成分、分子結構等固有特性,除了聚合物的本征特性以外,聚合物材料在摩擦磨損過程中的服役環境與工況參數,如摩擦表面的組織結構、表面粗糙度、表面化學特征以及摩擦對偶材質、載荷、滑動速度、環境溫度、濕度等,對聚合物的摩擦磨損性能均有很大的影響。

 

眾所周知,當兩固體表面接觸并產生相對滑動時就會產生摩擦,同時會導致表面破壞,即磨損,并產生摩擦熱。對于大多數對熱敏感的聚合物材料,強烈的摩擦熱作用會導致聚合物材料表面發生塑性變形或熔融,因此需要通過添加具有長徑比的纖維(如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及陶瓷纖維等)或具有特殊結構的硬質填料(如二氧化硅、三氧化二鋁及氮化硅等)對聚合物進行增強改性,以防止在高載、高速或高溫條件下材料表面的變形與磨損。已有研究表明,硬質顆粒會對接觸表面產生磨粒作用,通常會刮傷對摩材料表面,使得摩擦系數增大。

 

工程塑料的耐磨性與其物理機械性能緊密相關。摩擦系數與材料的本征特性也具有緊密關系。因此,通過化學手段改善聚合物分子鏈結構,以及通過物理共混等方法改善聚合物材料的物理機械性能均能提高材料的摩擦磨損性能。

 

通常,提高工程塑料的摩擦學性能主要有以下兩種技術手段。第一,在聚合物基體中添加具有低剪切強度和自潤滑性的潤滑粒子,如添加二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等,以降低材料的摩擦系數。第二,在聚合物基體中添加硬質顆粒或纖維增強劑,以提高材料的耐磨性。隨著工程應用領域對工程塑料摩擦磨損性能要求的進一步提高,采用耐磨劑與潤滑劑共同添加的方式,以期獲得具有良好綜合性能的自潤滑耐磨工程塑料。

 

自潤滑耐磨工程塑料

 

下面就自潤滑耐磨工程塑料在民用高技術領域的應用做以介紹。

 

隨著汽車工業對成本與性能可靠性方面的需求增加,業界對汽車零部件的使用壽命與低摩擦提出了較高的技術要求。據美國環保局(EPA)依據典型汽車測得如下數據,汽車消耗在各種摩擦損失中的能量占其燃料能量消耗的10.5%,摩擦伴隨著磨損的產生,汽車零部件的主要失效形式之一是磨損,磨損故障約占50%,由磨損故障帶來的維修費用約占汽車使用總費用的25%。因此,如何正確選擇聚合物自潤滑耐磨復合材料的配方、設計合理的結構及采取何種潤滑方式,以達到最佳的綜合使用效果,是長期以來重要的研究課題。

 

例如,聚甲醛(POM)是在汽車工業領域應用廣泛的自潤滑耐磨工程塑料,在汽車泵、汽化器部件、動力閥、萬向節軸承、彈簧襯套、馬達齒輪、曲軸及汽車窗升降機裝置、安全帶扣等方面具有重要的應用前景。PTFE復合材料在汽車中的應用主要是利用其摩擦性能和耐熱性能制造各種墊圈、緩沖環、密封圈、閥座等。為了提高工程塑料的承載能力,將各種填充劑改性的PTFE與金屬進行復合,制造成PTFE-鋼背復合材料(DU),可用作自潤滑軸承、活塞環等制造各種襯套與軸承。聚酰亞胺(PI)也具有優異的高溫摩擦磨損性能,在汽車上主要用于與發動機、變速箱等有關的功能部件,如懸掛支撐盤、電機、齒輪及活塞裙、火花塞及車輪、制動蹄片等。

 

自潤滑耐磨工程塑料在工程機械領域中同樣具有廣泛的應用。在起重機吊臂升降系統中,吊臂與承載高分子滑塊之間摩擦阻力較大會導致機械振動和異常噪聲,采用具有低摩擦特性的尼龍材料作為吊臂滑塊,可以顯著降低摩擦副之間的摩擦系數,提高系統的可靠性與穩定性。在挖掘機領域中,挖斗部位的摩擦調節片采用POM自潤滑耐磨材料,既可以防止灰塵污染,又可以起到良好的自潤滑作用,大幅延長了軸承的使用壽命。

 

在海洋工程領域,輕質的高分子材料在水環境中表現出良好的潤滑、耐磨以及耐腐蝕特性。例如,在船舶領域中,船舶艉系、舵系及甲板機械的軸承部件通常是以水作為潤滑與冷卻劑,采用以輕質高分子材料作為軸承可以顯著降低摩擦系數及摩擦噪聲,使得系統的隱蔽性與舒適性提到提高。在海洋鉆井平臺中,也常使用自潤滑工程塑料作為襯套及密封件,可大幅度提高鉆井設備的使用壽命。

 

同樣,自潤滑耐磨工程塑料在鐵路以及軌道交通領域中具有重要的應用。道岔是鐵路線路上的重要部件,其正常運轉是行車安全的基本保證。多年來設法減小道岔尖軌的轉換阻力,提高道岔的轉換可靠性,一直是鐵路部門關注的課題。要減小道岔的轉換阻力,除了在道岔的結構設計、鋪設安裝設備等方面進行改進外,減小尖軌和滑床板間的摩擦力也是有效的方法之一。長期以來,主要采用在尖軌和滑床板間涂油潤滑的方法來減小摩擦力。但是,由于缺油或粉塵及各種雜物粘附在滑床板上,會使轉換阻力增大從而導致轉換不良的情況時有發生。而且,需要安排專人定期進行道岔涂油養護,不僅增加了道岔的養護工作量,還會造成線路環境污染。采用以澆鑄尼龍為基體的自潤滑滑床板,其尖軌轉換阻力大大低于涂油道岔的轉換阻力,經三年多的運行塑料板沒有發現任何損壞,最大磨耗不超過0。5mm,解決了安排專人定期涂油養護的問題。

 

另外,斜楔和磨耗板是鐵路機車交叉支撐轉向架摩擦減振裝置中的主要摩擦副。在機車運行過程中,斜楔與磨耗板摩擦將部分振動動能轉換成摩擦熱能,減少了車輛的振動和沖擊,同時枕簧被壓縮儲存了大量彈性勢能,緩和了振動,從而改善了轉向架的動力學性能。因此,斜楔和磨耗板組成的摩擦副性能對列車的正常運行具有重要意義。傳統機車采用的斜楔材料主要是等溫淬火球墨鑄鐵斜楔,配對的磨耗板材料采用45 鋼,隨著貨車提速,列車制動力相應增加,非正常振動的次數也隨之增加,導致摩擦副材料磨損嚴重,磨耗板使用壽命較短。采用自潤滑耐磨工程塑料制成的磨耗板,摩擦系數與體積磨損量會明顯降低。

 

問題與展望

 

我國在借鑒國外技術的基礎上在自潤滑耐磨工程塑料的技術能力和工業化應用取得了顯著提高。可是,在材料的種類、技術開發能力以及應用深度與發達國家相比相距甚遠,主要原因在于:(1)機械零部件設計者對于減摩、潤滑等理論與相應的技術方法了解不夠全面,很多領域仍采用傳統潤滑技術方案,造成新型材料技術的推廣難度增大;(2)我國自潤滑耐磨工程塑料的產業與技術水平較低,從事工程塑料的企業只關注材料改性研究,并且專業從事高分子材料潤滑與耐磨的企業很少,大多數企業以潛在的銷售額或市場利潤作為導向標,忽略了長期專業技術的積累與沉積,導致產品種類分散、專業性不強,技術人員不高;(3)產學研深度融合不足,自潤滑耐磨材料的研究與技術往往需要材料、化學、機械等領域的交叉,需要企業與科研院所的廣泛交流與融合,目前我國提供此類技術交流的平臺,如企業的行業會議與科研部門的學術交流深度融合不足,無法將優質的科技資源與市場信息緊密結合。

 

隨著相關科技與產業政策的部署與實施,我國在聚合物復合材料和聚合物摩擦磨損等領域基礎研究的實力不斷加強,會影響工程技術人員對自潤滑耐磨工程塑料的認識與積累不斷增強。同時,在工程塑料、機械零部件等產業部門在應用研究及技術集成的基礎上,相信自潤滑耐磨工程塑料的應用會更加廣泛與深入。
作者:中國塑料機械網 來源:中國塑料機械網信息中心
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