保持架用工程塑料的熱性能

孫小波，王楓，馮穎,王子君，李建華

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

工程塑料具有優(yōu)異的特性，被廣泛地用作軸承保持架材料[1-2]。常用的工程塑料有尼龍(聚酰胺)、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚醚醚酮及其改性復(fù)合材料。工程塑料保持架的溫度范圍要求很寬，一般為-253～ 280 ℃。而工程塑料熱性能差異性大，隨著溫度的變化，工程塑料性能將發(fā)生顯著變化。因此工程塑料的選取顯得格外重要，若選用不當，僅僅因工程塑料保持架受熱變形引起的“抱軸咬死”現(xiàn)象就會導致軸承失效[3]。

熱性能是選用工程塑料保持架材料首先面對的問題。工程塑料的熱性能指標繁多，如高溫耐熱性能、低溫熱性能、內(nèi)在基礎(chǔ)熱性能等。由于測試標準及條件不統(tǒng)一，使得材料廠家提供的數(shù)據(jù)差異性大。如何正確理解并比較工程塑料的眾多熱性能參數(shù)及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，尚無文獻系統(tǒng)介紹。保持架用工程塑料要求在低溫、室溫或較高溫度下均具有較高的綜合性能，而工程塑料的性能隨著溫度的改變會有不同形式和程度的變化，了解其變化規(guī)律對于選用保持架材料至關(guān)重要。

1 塑料保持架材料的熱性能

熱性能是與熱或溫度有關(guān)的性能的總稱，目前，可用于制作軸承保持架的熱固性工程塑料較少，故本例所述均為熱塑性工程塑料。工程塑料的熱性能一般可分為高溫耐熱性能、低溫熱性能和內(nèi)在熱性能，其分類情況見表1。

表1 工程塑料的熱性能分類

1.1 短期高溫耐熱性能

工程塑料的短期高溫耐熱性能體現(xiàn)在高溫時的剛度和強度水平，高溫下的剛度和強度水平應(yīng)被視為設(shè)計時要考慮的重要因素。常用的評價指標有熱變形溫度和維卡軟化溫度。

1.1.1 熱變形溫度(HDT)

熱變形溫度的研究對象是宏觀結(jié)構(gòu)性能，是表達被測物的受熱和變形之間關(guān)系的重要參數(shù)，其與高溫下的剛度有關(guān)，是衡量工程塑料短期耐熱性能常用的重要指標之一，相應(yīng)的測試標準有GB/T 1634.2—2004，ASTM D 648—2007和ISO 72-2:2004。一般而言，對無定形工程塑料，熱變形溫度比玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低10～20 ℃；對半結(jié)晶工程塑料，熱變形溫度可接近于熔融溫度。

1.1.2 維卡軟化溫度(VST)

維卡軟化溫度評價的是材料載荷下短期耐熱性能，反映制品在受熱條件下物理力學性能的指標之一，相應(yīng)的測試標準有GB/T 1633—2000，ISO 306:1994和ASTM D 1525—2009。維卡軟化溫度雖不能直接用于評價材料的實際使用溫度，但可以用來指導材料的質(zhì)量控制。維卡軟化溫度越高，表明材料耐熱變形能力越好，剛度越大，模量越高。

1.1.3 兩種指標之間的關(guān)系

熱變形溫度和維卡軟化溫度均是評價塑料短期的耐熱性能，均是指在一定載荷下，其達到某一規(guī)定形變值時的溫度，該溫度值可統(tǒng)稱為塑料的軟化點。但由于采用的測試方法不同、標準不一，故測試結(jié)果相互之間無定量關(guān)系。試驗測得的熱變形溫度和維卡軟化點僅適用于控制質(zhì)量和作為鑒定新品種熱性能的一個指標，不代表材料的使用溫度。

1.2 長期高溫耐熱性能

工程塑料在高溫下容易發(fā)生熱降解，而較高溫度下的保持架是在“機械應(yīng)力和較為苛刻的化學物理環(huán)境中使用”。因此，對設(shè)計者來說，了解材料暴露于有氧環(huán)境下和受熱數(shù)千個小時之后的性能水平至關(guān)重要。

工程塑料的長期高溫耐熱性分為兩種：(1)附加載荷，常用的評價指標為耐蠕變性，下文不作贅述；(2)無附加載荷，常見的評價指標有長期連續(xù)使用溫度(CUT)、相對溫度指數(shù)(RTI)和絕對真實使用溫度(ARO)。CUT定義為給定材料的力學性能在一定時間內(nèi)下降50%時的溫度，主要用作汽車行業(yè)選材標準(杜邦公司規(guī)定為連續(xù)暴露在高溫下1 000 h，抗拉強度降低50%時的溫度)；RTI在一定程度上可被認為是具有很長半使用周期的連續(xù)使用溫度；ARO是指材料在指定工況下老化指定時間后并在一定溫度下測得的數(shù)值，如在150 ℃經(jīng)過5 000 h老化后，在150℃時測得的值。

CUT和RTI只考慮材料性能的保持比例情況，在室溫下測定材料熱老化后的性能，與實際情況不符。而ARO克服了CUT和RTI的缺點，但由于使用溫度不同，相應(yīng)數(shù)據(jù)極少。

1.3 工程塑料低溫熱性能

工程塑料的低溫熱性能以沖擊脆化溫度(TB)表示，一般指在規(guī)定試驗條件下試樣破損率為50%時的溫度。現(xiàn)行的相應(yīng)標準為GB/T 5470—2008或ASTM D7 46:2007。隨著溫度逐漸降低，工程塑料會變得越來越硬而脆，這是由于聚合物分子鏈的活動性變得越來越小的緣故。脆化溫度是工程塑料正常使用的溫度下限。

1.4 熱基礎(chǔ)特征溫度

該指標可分為物理耐熱性溫度和化學穩(wěn)定性溫度，均表示工程塑料在無載荷條件下的特征溫度。物理耐熱性溫度包含玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和熔融溫度(Tm)；化學穩(wěn)定性溫度指工程塑料分子鍵的熱穩(wěn)定性，其衡量指標為熱分解溫度。

1.4.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

對于保持架用工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是最主要的熱基礎(chǔ)物性，是大分子鏈鏈段由不能運動到開始運動的轉(zhuǎn)折溫度，是工程塑料熔融前剛度發(fā)生最大變化的溫度。低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，聚合物材料中的無定形和半結(jié)晶區(qū)域呈剛硬狀態(tài)。因此，無定形熱塑性塑料僅在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下才適宜制造結(jié)構(gòu)材料，半結(jié)晶熱塑性塑料在高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的一定范圍內(nèi)仍能保持一定的剛度。

1.4.2 熱基礎(chǔ)特征溫度之間的關(guān)系

無定形和半結(jié)晶工程塑料在不同溫度范圍內(nèi)，大分子運動的程度不同。對于無定形工程塑料，溫度大于Tg，工程塑料便進入黏彈態(tài)，所以溫度小于Tg時才具有實用意義。對于半結(jié)晶工程塑料，溫度在Tg以上一定范圍內(nèi)仍可以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[4]；溫度繼續(xù)升高至Tm，半結(jié)晶工程塑料發(fā)生熔融；溫度繼續(xù)升高到一定程度，鏈段及分子結(jié)構(gòu)分解，達到分解溫度。

工程塑料的熱基礎(chǔ)特征溫度的關(guān)系為：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度<熔融溫度<熱分解溫度。保持架常用工程塑料的部分熱性能參數(shù)見表2。

表2 保持架常用工程塑料的部分熱性能

2 溫度影響工程塑料性能的機理

工程塑料的溫度效應(yīng)明顯，溫度影響聚合物活動單元活化的能量，工程塑料產(chǎn)生的物理變化(如軟化、熔融)、化學變化(如降解、分解)是工程塑料受熱后性能變化的主要原因。工程塑料有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)3種力學狀態(tài)，溫度對工程塑料的影響如圖1和圖2所示。當溫度小于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，工程塑料處于玻璃態(tài)，表現(xiàn)為剛度固體，在外力作用下形變非常小，具有較高的強度和剛度。

圖1 工程塑料狀態(tài)與溫度和分子量的關(guān)系

圖2 工程塑料在恒定應(yīng)力下的加熱曲線

對于無定形工程塑料，當溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)按不規(guī)則排列，形變顯著增大，并在隨后的一定溫度區(qū)間形變相對穩(wěn)定，材料漸漸軟化進入黏彈態(tài)，強度迅速下降。在只有幾攝氏度范圍的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間前后，模量將改變3～5個數(shù)量級，使材料使用性能發(fā)生改變。所以無定形熱塑性塑料僅在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下才有實用意義[5]。

對于半結(jié)晶型工程塑料，雖然其中仍含有部分無定形結(jié)構(gòu)，但其物理狀態(tài)和無定形高聚合物不同，半結(jié)晶聚合物也有玻璃態(tài)、黏彈態(tài)和黏流態(tài)，不同的是半結(jié)晶聚合物的黏彈態(tài)可分為皮革態(tài)和橡膠態(tài)。半結(jié)晶型工程塑料結(jié)晶度可達30%～90%，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)高度整齊，有固定的熔點，無定形區(qū)發(fā)生了鏈段運動，而結(jié)晶區(qū)還未熔融，沒有鏈段運動。所以在大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的一定范圍內(nèi)，不會慢慢變軟，變形仍較小，強度和剛度保持率較高，擴大了工程塑料的溫度使用范圍。如聚醚醚酮玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143 ℃，但其最大結(jié)晶度可達35%，因此在200 ℃還保持較高的力學強度[6]。

溫度繼續(xù)升高變形量繼續(xù)增大，材料逐漸變成黏性流體，無定形和半結(jié)晶型工程塑料均進入黏流態(tài)，失去應(yīng)用價值。

3 溫度對保持架用工程塑料性能的影響

3.1 抗拉強度

隨著溫度的升高，工程塑料保持架的抗拉強度呈下降趨勢。對于無定形工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是其使用溫度的上限。通常，當溫度達到Tg以下20～25 ℃時，分子鏈運動加劇，樹脂開始軟化，抗拉強度下降，故長期使用溫度應(yīng)在Tg以下20～25 ℃[7]。而對于半結(jié)晶性工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，結(jié)晶度越大，高溫強度保持率越高。常用的幾種工程塑料保持架材料抗拉強度隨溫度的變化曲線如圖3所示，可以看出，隨著溫度的升高，抗拉強度呈下降趨勢；尤其是VESPEL?SP產(chǎn)品抗拉強度隨溫度升高呈線性下降趨勢。

圖3 常用工程塑料抗拉強度隨溫度的變化曲線

3.2 摩擦磨損性能

隨著溫度的升高，工程塑料保持架的磨損逐漸增大，同時，撕裂也變得容易發(fā)展。摩擦過程產(chǎn)生大量的熱量，會使部件溫度升高，尤其是在系統(tǒng)散熱能力有限的情況下，耐磨能力降低。

PTFE在不同溫度下的摩擦因數(shù)和磨痕寬度[8]如圖4所示，可以看出，PTFE的摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而降低，這是由于溫升改善了PTFE分子鏈的運動狀況；也更容易產(chǎn)生塑性變形，這對于轉(zhuǎn)移膜的形成均產(chǎn)生積極的影響。而PTFE的磨痕寬度隨著溫度升高呈逐漸增大趨勢。

圖4 溫度對PTFE摩擦因數(shù)和磨痕寬度的影響

文獻[9]研究溫度對聚酰亞胺(YS20)摩擦性能的影響時發(fā)現(xiàn)， PI的摩擦因數(shù)隨溫度升高而增大，最大值達0.66，之后降低至0.16。分析認為：PI是熱的不良導體，摩擦熱主要集中于摩擦表面層，并使摩擦表面層的溫度大于PI的Tg，PI摩擦表面層的物理狀態(tài)不同，從而表現(xiàn)出不同的摩擦行為。在較低環(huán)境溫度下(小于110 ℃)，摩擦溫升使YS20-PI真實接觸的表面微凸體出現(xiàn)髙彈態(tài)，表面層為玻璃態(tài)，此時摩擦因數(shù)較低，磨損僅發(fā)生在這些小的微凸體表層，此時產(chǎn)生的只是細微粒狀磨屑；隨著溫度的升高，表面出現(xiàn)連續(xù)并具有一定厚度的高彈態(tài)層，此時真實接觸面積增大，黏著磨損和犁溝磨損均增大，摩擦因數(shù)升高；當環(huán)境溫度升高到111～200 ℃時，摩擦使材料表面產(chǎn)生了黏流層，其黏度逐漸降低，厚度不斷增加，使摩擦因數(shù)迅速降低，此時產(chǎn)生片狀磨屑；當環(huán)境溫度高于200 ℃時，摩擦熱使PI表面出現(xiàn)黏度低且厚度更大的黏流層，PI的分子鏈段在摩擦力作用下更容易發(fā)生沿滑動方向的運動，摩擦因數(shù)進一步降低，此時產(chǎn)生細長條狀磨屑，形成的犁溝更寬更深，磨損相當嚴重。

3.3 膨脹系數(shù)

保持架用工程塑料線膨脹系數(shù)隨溫度的變化如圖5所示，對于無定形工程塑料，從圖中可以看出，隨著溫度的升高(

圖5 工程塑料線膨脹系數(shù)隨溫度的變化示意圖

保持架用工程塑料體積膨脹系數(shù)隨溫度的變化如圖6所示，可以看出，隨著溫度提高(

圖6 工程塑料體積隨溫度的變化示意圖

3.4 彈性模量

工程塑料彈性模量隨溫度的變化如圖7所示(圖中l(wèi)nG表示彈性模量的ln對數(shù))，當溫度低于Tg時，呈玻璃態(tài)，彈性模量較高，隨著溫度升高，彈性模量變化量很小。當溫度大于Tg時，玻璃態(tài)逐漸開始向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變，無定形工程塑料的彈性模量急劇降低高達3～5個數(shù)量級，半結(jié)晶工程塑料彈性模量也顯著降低，但幅度小于無定形工程塑料。之后工程塑料的彈性模量幾乎不隨溫度變化而改變，此后一定溫度范圍內(nèi)(半結(jié)晶工程塑料，溫度低于Tm時)處于高彈態(tài)平臺期。溫度繼續(xù)升高，無定形工程塑料逐漸出現(xiàn)流動態(tài)，彈性模量急劇下降。溫度升高到Tm時，半結(jié)晶工程塑料出現(xiàn)熔融，進入流動態(tài)，彈性模量幾近喪失。

圖7 工程塑料彈性模量隨溫度的變化示意圖

常見工程塑料的彈性模量隨溫度的變化曲線如圖8所示，可以看出，隨著溫度的升高，彈性模量呈逐漸降低的趨勢。對于無定形聚醚酰亞胺，當溫度達到Tg時，彈性模量急劇降低；對于半結(jié)晶工程塑料，如PEEK，由于其結(jié)晶度較大，溫度達到Tg時，彈性模量降低幅度較小。

圖8 幾種工程塑料彈性模量隨溫度的變化曲線

3.5 蠕變

蠕變反映保持架的尺寸穩(wěn)定性，軸承運轉(zhuǎn)時保持架受力復(fù)雜，工程塑料保持架必須具有較高的耐蠕變性能，而其蠕變性能受溫度影響顯著，是一種典型的松弛過程。溫度較低時，蠕變很小而且很慢，在短時間內(nèi)不易覺察；溫度過高，形變過快，也不易察覺其蠕變現(xiàn)象；唯有溫度在Tg以上不多時，鏈段在外力下可以滑動，蠕變現(xiàn)象明顯[10]。

工程塑料于玻璃態(tài)時，鏈段運動比較困難，蠕變隨時間變化很小。溫度大于Tg時，工程塑料進入髙彈態(tài)，鏈段很容易運動，蠕變速率達到極大值。在實際應(yīng)用中，如要避免明顯的蠕變不應(yīng)該在Tg附近使用，通常保持架用無定形工程塑料的使用溫度上限應(yīng)在Tg以下20～30 ℃。對于半結(jié)晶工程塑料，高結(jié)晶性使材料在溫度大于Tg時仍具有良好的剛度，故其耐蠕變性能較為突出。

4 保持架用工程塑料的選用

保持架用工程塑料種類繁多，面對眾多的工程塑料及其改性制品，需要以軸承的應(yīng)用工況并結(jié)合保持架對工程塑料性能的要求為出發(fā)點和依據(jù)，綜合選出高性價比的材料。圖9為保持架用工程塑料選材時需考慮的因素，可以看出，除了考慮制約因素、化學因素、環(huán)境和物理因素外，還要考慮工程塑料的熱力學性能，尤其是高溫性能。

圖9 保持架用工程塑料選材時需考慮的因素

工程塑料的高溫耐熱性只要滿足相應(yīng)使用要求即可，太高會造成材料成本急劇上升，若有可能盡量選用通用工程塑料。要充分考慮工程塑料的環(huán)境(包含介質(zhì)、有氧或無氧和載荷等)和耐熱性能，如聚酰亞胺耐高溫性高于聚醚醚酮，但其在抗水解方面較聚醚醚酮差一些[11]。值得一提的是，文中提及的材料數(shù)據(jù)均由特定的測試得來，并沒有考慮保持架的性能要求。對于保持架用工程塑料的選用，設(shè)計者應(yīng)充分考慮“高溫-時間-環(huán)境-性能”之間的平衡。