復(fù)合材料具備傳統(tǒng)單一材料難以比擬的多種性能優(yōu)勢,能夠彌補單一材料性能的不足,能夠在多領(lǐng)域環(huán)境中有更好的應(yīng)用表現(xiàn)。不同基體和增強(qiáng)體的復(fù)材也性能大不相同,為了產(chǎn)品的高性能,就需要不斷的進(jìn)行高性能復(fù)材的研發(fā)。不斷科研突破熱塑性碳纖維復(fù)材的原因也在于此,通過熱塑性樹脂的加持來提升碳纖維復(fù)材的性能,從而彌補傳統(tǒng)熱固性碳纖維復(fù)材的性能不足。比如熱塑性碳纖維就具備傳統(tǒng)熱固性碳纖維不具有的自潤滑性能,自潤滑性的突出表現(xiàn)就可以讓這種高性能復(fù)材能夠在軸承領(lǐng)域中得到應(yīng)用,并且取締傳統(tǒng)軸承材料,帶來更好的應(yīng)用效果。
自潤滑軸承的應(yīng)用領(lǐng)域
軸承機(jī)械設(shè)備中是非常重要的一個零部件,能夠有效的完成機(jī)械旋轉(zhuǎn),減少設(shè)備運動中的摩擦系數(shù),并且需要保證回轉(zhuǎn)精度,從而提升設(shè)備的工作效率。優(yōu)質(zhì)的軸承除了需要非常重要的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能之外,還具備潤滑性能就能夠使得軸承的效果更好。
自潤滑屬性是代表材料的一個特性,通常情況下,自潤滑屬性跟材料的表面摩擦系數(shù)有很大的關(guān)系,一般情況下摩擦系數(shù)越低的材料自潤滑屬性就會高,在材料摩擦的過程中,會在材料的表面形成一些致密的膜用于降低材料整個的摩擦系數(shù)。在軸承制品的應(yīng)用中,自潤滑屬性是非常重要的一個屬性,同時需要堅固表面硬度,這里面就是要涉及到耐磨性,抗咬合性,熱塑性碳纖維復(fù)材制作的軸承相較于傳統(tǒng)的熱固性碳纖維復(fù)材就能夠在耐磨性、自潤滑性上有非常突出的性能表現(xiàn)。就能夠彌補傳統(tǒng)熱固性碳纖維不能應(yīng)用到軸承上的缺失,更好的替代傳統(tǒng)金屬軸承,能夠不需要潤滑省去一部分維護(hù)的工作,極高的強(qiáng)度性能使得其能夠重載、真空、腐蝕性等無法加油或難加油情況)下使用。相比于金屬軸承,因具有更好的自潤滑性、更長的使用壽命、更小的摩擦系數(shù)、更低的功率損耗、更優(yōu)秀的耐腐蝕性等優(yōu)點,從而在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
Polygon Co的PolyLube系列纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軸承
航空航天領(lǐng)域中其實早就有了高性能纖維增強(qiáng)復(fù)材自潤滑軸承產(chǎn)品,你比如美國的Polygon Composites公司于2019年生產(chǎn)的航空航天軸承就是連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂+聚四氟乙烯(PTFE)材料,通過PTFE來彌補環(huán)氧樹脂基在潤滑性能上的缺失,再結(jié)合玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)材的高強(qiáng)度和穩(wěn)定性來實現(xiàn)軸承在高徑向和軸向強(qiáng)度。這種高性能纖維增強(qiáng)復(fù)材制作的軸承具有高承載能力、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕性以及自潤滑性能特點,還可以降低維護(hù)人工成本,增加設(shè)備維護(hù)的間隔時間,非常適合于建筑、采礦和農(nóng)業(yè)設(shè)備的使用。
連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂之所以能夠應(yīng)用到軸承,就在于樹脂基體,是不同于熱固性環(huán)氧樹脂,熱塑性樹脂具備非常好的自潤滑屬性,在力學(xué)性能上也遠(yuǎn)比玻璃纖維復(fù)材要高出很多,飛機(jī)上非常多的領(lǐng)域中可以應(yīng)用,如飛機(jī)機(jī)翼系統(tǒng)(襟翼、擾流板和縫翼)、飛行控制、駕駛艙控制、輔助動力裝置、起落架、艙門系統(tǒng)和飛機(jī)內(nèi)部(座椅、儲物箱、閂鎖和鉸鏈點)等地方,具備出色的耐磨性和低摩擦性,還具有非常好的咬合性能表現(xiàn)。
特瑞堡密封系統(tǒng)的HiMod系列輕量化熱塑性復(fù)合材料軸承
此外在2022年瑞典的特瑞堡密封系統(tǒng)公司推出了一款新型輕量化熱塑性復(fù)合材料軸承,這是一種增強(qiáng)型雙層軸承,其中一層為薄的低摩擦性的改性聚醚醚酮(PEEK)層,可以減少摩擦并提高耐磨性能,另一層為連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性樹脂層,二者通過使用特瑞堡的自動纖維鋪放(AFP)專利技術(shù)結(jié)合在一起。這種熱塑性復(fù)合材料軸承不會像金屬軸承那樣可能會卡住或磨損,其滑動摩擦系數(shù)很低(比標(biāo)準(zhǔn)軸承低50%),可以耐受極端溫度范圍的環(huán)境(-156℃∽+274℃),具有良好的耐久性和高韌性,吸水率幾乎為零,可以在潮濕環(huán)境中持續(xù)使用,且在極端條件下也不會膨脹或破裂,這使其應(yīng)用范圍非常廣泛。與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料不同,熱塑性復(fù)合材料在使用壽命結(jié)束時可以回收。
在跟國內(nèi)率先完成連續(xù)碳纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)材廠家智上新材的技術(shù)人員溝通中,了解到,相比較傳統(tǒng)的熱固性復(fù)材來說,熱塑性復(fù)材具備出色的自潤滑性就是跟熱塑性樹脂基體有關(guān),以智上新材生產(chǎn)的CFPPS復(fù)材為例,PPS(聚苯硫醚)樹脂材料中的分子鏈由剛性苯環(huán)和硫醚鍵交替排列,呈現(xiàn)出線性高分子結(jié)構(gòu),賦予了其出色的強(qiáng)度、硬度以及化學(xué)穩(wěn)定性。在自潤滑屬性上雖然PPS樹脂本身不具有固體潤滑劑,但是內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)是具有一定的“內(nèi)潤滑”特性,結(jié)構(gòu)內(nèi)的分子間作用力相對較強(qiáng),使得PPS樹脂在受力時能形成一個光滑且穩(wěn)定的表面層,減小了與接觸面間的摩擦。同時,PPS樹脂熱穩(wěn)定性好,在高溫下也能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度,不會因溫度升高而軟化變形,從而保證了在高溫工況下的自潤滑性能。
連續(xù)碳纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)材的自潤滑屬性除了能夠在軸承上應(yīng)用,也能在密封件、其他耐磨部件上應(yīng)用,在耐腐蝕、抗疲勞、降低損耗上也極具優(yōu)勢。