織物自潤滑襯墊的研究現(xiàn)狀與展望

楊育林，谷大鵬，齊效文，鄧 偉

（燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

自潤滑關(guān)節(jié)軸承由帶有內(nèi)球面的外圈、帶有外球面的內(nèi)圈以及內(nèi)、外球面之間的自潤滑襯墊組成。自潤滑襯墊復(fù)合材料大致又分為金屬背襯層狀復(fù)合材料、聚合物及其填充復(fù)合材料和PTFE纖維織物復(fù)合材料（即織物自潤滑襯墊）3類。織物自潤滑襯墊由PTFE纖維與芳綸、碳纖維、玻璃纖維等通過不同的編織方式編織，并在酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、氰丙烯酸酯等樹脂中浸漬，從而形成一種致密的結(jié)構(gòu)，黏結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈內(nèi)表面。織物自潤滑襯墊工作面以摩擦系數(shù)很低的PTFE纖維為主，背面則以強度高、易于黏結(jié)在軸承外圈的其他纖維為主?？椢镒詽櫥P(guān)節(jié)軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于裝拆，承載能力高，壽命長，轉(zhuǎn)動靈活，免維護等特點，并且具有很強的可設(shè)計性，可以根據(jù)具體的工作條件采用合適的編織方式，選用合適的編織材料和基體材料。因此，在軍用和民用直升機及固定翼飛機等需要高承載能力、免維護、抗微動損傷等場合得到了廣泛應(yīng)用；而在戰(zhàn)車、公共交通、越野裝備、海洋裝備、賽車等領(lǐng)域也得到越來越多地應(yīng)用。

1 發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代中期，織物自潤滑襯墊即因關(guān)節(jié)軸承自潤滑功能的需求應(yīng)運而生［1］。文獻［2-3］發(fā)明了一種由具有低摩擦系數(shù)的纖維構(gòu)成的織物型自潤滑材料，通過合適的編織方式，使大部分摩擦系數(shù)低的纖維位于襯墊的工作面，黏結(jié)性能好的纖維處于黏結(jié)面，并采用熱固性樹脂將織物黏結(jié)成一體，以提高其抗磨及承載能力。文獻［4］也提出了一種編織結(jié)構(gòu)潤滑材料。文獻［5］發(fā)明了一種低摩擦系數(shù)的織物軸承，軸承摩擦工作面為TFE纖維織物復(fù)合材料。文獻［6］采用PTFE纖維織物或其他一些自潤滑材料的纖維織物制成自潤滑襯墊，其能夠適應(yīng)更高的速度，且工作壽命更長。SKF公司在其新推出的TX自潤滑關(guān)節(jié)軸承中所用的新型自潤滑襯墊，通過改進織物結(jié)構(gòu)和基體材料使其在剛度、抗磨、減摩和抗潮濕性能以及襯墊的工作壽命方面都有很大的提高。RBC公司新推出的UNIFLON?自潤滑襯墊也有著優(yōu)異的性能，主要適用于低速、重載的工作條件，同時還適合與鋼、鋁、鈦等組成摩擦面［7］?？傮w上，國外對于織物自潤滑襯墊的研究技術(shù)已經(jīng)比較成熟。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代中期才著手這方面的研究，雖然已經(jīng)取得了一些成果，但是與國外相比還有一定差距［8］。

2 性能影響因素

2.1 載荷、速度、溫度等工況條件

織物自潤滑襯墊在重載磨損過程中會在關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈接觸面之間形成PTFE轉(zhuǎn)移膜，減少了接觸面的剪切應(yīng)力，從而明顯降低軸承內(nèi)、外圈之間的摩擦系數(shù)。隨著關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)速的增加，軸承的磨損量也在不斷增加。同時，轉(zhuǎn)移膜也會不斷地被擠向兩邊，PTFE自潤滑層不斷地減少，因此在磨損過程中軸承摩擦系數(shù)也在緩慢增加，直到PTFE自潤滑層被消耗完畢，軸承失效為止。隨著載荷的增加，織物自潤滑襯墊的摩擦系數(shù)逐漸減小，磨損率則逐漸增加。而滑動速度越高，摩擦系數(shù)和磨損率均越小，分析認為［9］：一方面，高速下磨損表面被迅速拋光，從而起到降低摩擦系數(shù)的效果；另一方面，相同時間內(nèi)，磨損深度雖然隨著滑動速度的升高而增加，但是滑動距離同樣增加，因此滑動速度增加，磨損率反而降低。文獻［10］考察了PTFE纖維織物在溫度（120±5）℃和（-45±5）℃下的擺動摩擦性能，指出溫度對纖維織物摩擦表面層物理狀態(tài)產(chǎn)生影響，進而對織物磨損表面和磨屑的形貌產(chǎn)生影響。120℃時，摩擦熱使表面層發(fā)生軟化并逐漸產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形和黏著磨損，在長時間摩擦過程中，織物表面纖維與偶件軸的摩擦面積增大，同時形成的犁溝也更寬更深，由于表面層軟化所發(fā)生的犁削和磨損比常溫下嚴(yán)重。-45℃時，織物纖維及滲膠構(gòu)成的表面微凸體在與偶件軸摩擦?xí)r，發(fā)生黏著轉(zhuǎn)移或犁削剝離，形成磨屑，磨損較大。文獻［11］研究了自潤滑襯墊在室溫和高溫下的摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)高溫時磨損率大概比室溫時的大2個數(shù)量級。

2.2 增強纖維

織物自潤滑襯墊由摩擦系數(shù)低的PTFE纖維與增強纖維，即芳綸、碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維編織而成。工作時，PTFE纖維起潤滑作用，而增強纖維則起承受載荷和提高黏結(jié)性能等作用［12］。一般來說，芳綸纖維織物復(fù)合材料的耐磨性能優(yōu)于碳纖維織物復(fù)合材料，而碳纖維織物復(fù)合材料的減摩性能優(yōu)于芳綸纖維織物復(fù)合材料［13］。

2.3 織物組織

通常按設(shè)計的織造密度，將組合纖維紡織成平紋、斜紋或緞紋等不同組織的織物［12］。3種織物組織各有特點，平紋組織因為經(jīng)緯紗線每隔一根紗線就交織一次，因而交織點最多，紗線屈曲次數(shù)最多，織物堅牢、耐磨，但彈性較??；斜紋組織經(jīng)緯紗線交織次數(shù)比平紋少，使經(jīng)緯紗線間的空隙較小，紗線可緊密排列，從而織物密度較大，織物較為厚實，彈性比平紋好，但由于紗線浮長較長，因此，在紗線粗細、密度相同條件下，耐磨性、堅牢度比平紋織物差；緞紋組織由于交織點相距較遠，單獨組織點被兩側(cè)浮長線覆蓋，正面看不出明顯交織點，因而織物表面平滑，質(zhì)地柔軟，懸垂性較好，但耐磨性較差?？椢镒詽櫥r墊作為紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，不同組織的織物襯墊表面PTFE含量不同，且織物組織對自潤滑襯墊的力學(xué)性能和摩擦性能有著重要影響。研究表明：平紋組織織物可以將PEI的抗磨損性能提高將近3倍，且摩擦系數(shù)較低，高載時與純PEI和其他兩種組織的織物增強PEI相比，摩擦系數(shù)減小了將近50%；而斜紋組織織物增強PEI的抗磨能力很差。這些聚合物的機械特性和磨損特性無必然聯(lián)系，說明影響磨損的因素是織物組織，與機械特性無關(guān)。文獻［14］認為不同組織的織物聚合物對磨屑的容納能力不同也是導(dǎo)致聚合物摩擦磨損特性不同的原因，平紋組織容納磨屑能力最好，有最好的抗磨性能，緞紋組織容納磨屑能力最差，故抗磨性能最差。

2.4 黏合劑（樹脂）

由于基體材料需具有抗熱變形的性能，所以通常選用熱固性樹脂［2］?？梢宰鳛轲ず蟿┑臉渲蟹尤渲?、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂、硅樹脂等［15］。關(guān)于樹脂對織物襯墊性能的影響，一些研究表明樹脂作用不明顯，另一些研究卻有相反的看法［16］。文獻［15］考察了聚酰亞胺樹脂、改性環(huán)氧樹脂、酚醛-縮醛樹脂和環(huán)氧樹脂4種黏合劑對芳綸／PTFE纖維織物承載能力和摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)4種黏合劑和織物的黏合強度與織物薄層復(fù)合材料的承載能力及摩擦磨損之間并無對應(yīng)關(guān)系。黏合強度高的聚酰亞胺黏合劑同織物組成的薄層復(fù)合材料并未顯示出良好的承載能力和耐磨性，而酚醛樹脂黏合劑同織物組成的薄層復(fù)合材料具有最好的摩擦學(xué)性能。

2.5 底材

織物自潤滑襯墊采用合適的模具，經(jīng)過加壓、固化等工藝，黏結(jié)在關(guān)節(jié)軸承外圈（底材）內(nèi)表面，底材的材質(zhì)和性能將影響其導(dǎo)熱性和承載能力等。采用聚合物底材時，織物復(fù)合材料的承載能力和耐磨性低于金屬底材，除聚合物硬度低外，導(dǎo)熱性差也是影響其承載能力和耐磨性的原因，但是聚合物外圈關(guān)節(jié)軸承與金屬外圈關(guān)節(jié)軸承相比具有接觸時不易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，質(zhì)量輕，成本低，易黏結(jié)等優(yōu)點［15］。

2.6 織物表面處理

由于大多數(shù)纖維織物表面具有化學(xué)惰性，導(dǎo)致纖維織物與底材的黏結(jié)性不好，應(yīng)用受到限制，因此許多研究者致力于通過表面處理技術(shù)，提高織物的黏結(jié)性能，從而改善襯墊的摩擦學(xué)性能。其中，等離子體處理、陽極氧化、濃酸處理、化學(xué)枝節(jié)、涂層處理技術(shù)應(yīng)用較多［17-19］。等離子體處理可以在纖維織物的表面產(chǎn)生大量活性基團，使表面活性元素的含量明顯增多，纖維織物的浸潤性增大，提高了其與黏合劑的結(jié)合強度和結(jié)合量，增強了織物纖維束間的結(jié)合力；固化后與黏合劑構(gòu)成很好的整體材料，增強了纖維束抗變形和抗斷裂能力，使載荷和摩擦力可以平均分配在纖維上，避免應(yīng)力集中，從而提高纖維織物復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能［17，20-21］。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維織物 采 用HNO3／H2SO4混 合 酸 氧 化 改 性［22］，Nomex纖維織物進行水解／接枝處理［18］，芳綸織物經(jīng)丙酮、蒸餾水清洗及等離子體處理［19］，碳纖維織物／酚醛樹脂表面沉積SiO2薄膜［23］，碳纖維織物聚合物進行強HNO3刻蝕、等離子轟擊、陽極氧化3種表面處理［24］，均能明顯提高纖維織物復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

2.7 填充劑改性

最初，在聚合物中添加填充劑（填料）的目的在于增量和降低成本，但是隨著聚合物復(fù)合材料的發(fā)展，人們認識到很多填充劑由于具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，能改善聚合物的力學(xué)性能（如硬度、剛度、抗壓強度、抗拉強度、抗沖擊強度等）、加工性能和熱性能等［25］。近年來隨著納米技術(shù)在摩擦學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，且納米微粒本身具有奇異的表面效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)，納米填料的物理和化學(xué)特性不同于常規(guī)微米填料，因此在織物復(fù)合材料中填充納米粒子，如Al2O3，CaCO3，TiO2等對織物復(fù)合材料進行改性，同樣成為當(dāng)前的一個研究熱點。填充劑在聚合物復(fù)合材料中的作用，概括起來就是增量、增強和賦予新功能［26］。文獻［27］研究指出，采用加有質(zhì)量分數(shù)w（Sb2O3）＝10%的酚醛樹脂膠液浸漬處理的混合織物，其磨損率下降，摩擦系數(shù)在不同載荷和溫度下減?。欢畛淝枘蛩崛矍璋穭t加速了摩擦磨損。文獻［28］研究表明，添加一定量的納米SiO2可以顯著提高玻璃纖維／PTFE纖維混雜織物的抗磨性能和承載能力，并且在較高的載荷下可以提高其減摩性能。文獻［29］對聚四氟蠟（PFW）填充Kevlar纖維織物復(fù)合材料的摩擦磨損性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)w（PFW）＝20%時，Kevlar纖維織物復(fù)合材料的摩擦系數(shù)減小75%，磨損率降低82%，Kevlar纖維織物復(fù)合材料的減摩抗磨性能最佳。文獻［30］將石墨粉體加入到碳纖維織物／酚醛樹脂復(fù)合材料中，明顯提高了聚合物的抗磨性能。

2.8 對偶面

多年來人們一直認為在地面運輸懸掛系統(tǒng)以及直升機飛行控制和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等低應(yīng)力、高頻率、小振幅工作場合所使用的織物自潤滑襯墊，其對偶面應(yīng)具有極高硬度和表面光潔度［31-33］。對偶面采用極高硬度的初衷是，防止較硬材料的碎屑（如來自襯墊的樹脂微粒以及來自對偶面的金屬微粒）劃傷對偶面，因為一旦損壞了對偶面的光潔度，那些不規(guī)則或粗糙區(qū)域就會進一步損傷襯墊，產(chǎn)生更多的襯墊碎屑，導(dǎo)致軸承游隙增加，進而導(dǎo)致軸承壽命降低［31］。因此，針對不同的內(nèi)圈材料，對內(nèi)圈外球面要采用不同的特殊工藝處理，如表面磷化、鍍鉻等，以提高其摩擦學(xué)性能［12，34］。文獻［6］在鈦合金內(nèi)圈的外球面形成一層氮化物滲透層，通過加工使表面粗糙度低于18 nm。文獻［35］通過PVD方法在鈦合金內(nèi)圈外球面形成一層TiN處理層。為了提高自潤滑關(guān)節(jié)軸承的性能，文獻［36］提出內(nèi)圈用陶瓷材料，使其與織物自潤滑襯墊形成的工作副有更優(yōu)異的性能。SKF公司已經(jīng)為直升機生產(chǎn)廠家提供了內(nèi)圈外球面鍍有極高硬度的陶瓷涂層的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，在外圈內(nèi)球面粘有PTFE／玻璃纖維編織的復(fù)合襯墊，這種自潤滑關(guān)節(jié)軸承承載力更大、壽命更長，主要應(yīng)用于直升飛機的主級和次級飛行控制系統(tǒng)［37］。

3 性能評價指標(biāo)

由于織物自潤滑襯墊的性能受工況條件、制備工藝等諸多因素的影響，且織物自潤滑襯墊直接影響著織物自潤滑關(guān)節(jié)軸承的耐沖擊、長壽命、自潤滑等特性，因此對織物自潤滑襯墊綜合性能進行預(yù)測和評價顯得尤為重要。文獻［38-39］分別對低速擺動條件下，織物自潤滑襯墊性能提出了詳細的評價指標(biāo)。文獻［38］對織物自潤滑襯墊的黏結(jié)和磨損性能要求如下：黏結(jié)強度應(yīng)不小于0.35 N／mm；環(huán)境溫度為常溫、163，-23℃以及液體浸泡后，軸承運轉(zhuǎn)25 000周擺動試驗時，襯墊磨損量分別小于0.11，0.15，0.20和0.15 mm。目前，對于織物自潤滑襯墊性能指標(biāo)的評價，通常通過大量的臺架試驗，模擬關(guān)節(jié)軸承在實際應(yīng)用中的典型工況條件，考察織物自潤滑襯墊的承載能力及摩擦磨損性能，以便于對織物自潤滑襯墊壽命進行預(yù)測，對織物襯墊的設(shè)計和發(fā)展提供參考。

4 研究展望

近年來，隨著自潤滑關(guān)節(jié)軸承越來越廣泛的應(yīng)用，織物自潤滑襯墊的摩擦磨損性能得到了更多的關(guān)注。未來織物自潤滑襯墊可從以下方面進行研究：

（1）進一步研究織物自潤滑襯墊摩擦、磨損和潤滑機理，針對不同工況條件，優(yōu)化織物襯墊的材料、結(jié)構(gòu)、制備及黏結(jié)工藝等，以提高織物自潤滑襯墊的承載能力、熱傳導(dǎo)性能、減摩抗磨性能，從而提高織物自潤滑關(guān)節(jié)軸承的可靠性，延長使用壽命。

（2）逐步制定并完善織物自潤滑襯墊試驗評價標(biāo)準(zhǔn)及試驗評價規(guī)范，研制并建立織物自潤滑襯墊專用試驗平臺，提高織物自潤滑襯墊的評價方法和手段。

（3）采用有限元等手段對織物自潤滑襯墊建立熱力學(xué)和動力學(xué)模型，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，進行仿真研究。