小孔徑窄分布型多孔聚酰亞胺保持架材料的制備及性能

孫小波，李媛媛，買楠楠，李亮,王禮強

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.東方電氣風電股份有限公司，四川 德陽 618000)

多孔聚酰亞胺保持架材料機械強度高，摩擦學性能優異，耐老化，耐輻射，高低溫適應性和潤滑油相容性良好，潤滑油在材料內部相互貫通的孔隙中可形成良好的循環，達到長效按需供油的效果，使軸承運行的穩定性、可靠性和壽命均大幅度提高，已廣泛應用于長壽命航天器用陀螺馬達、導航儀、動量輪軸承中[1-2]。

世界上性能最好和可靠性最高的多孔聚酰亞胺材料是Meldin?9000，目前，國內傳統多孔聚酰亞胺保持架材料[3-4]與Meldin?9000相比存在較大差距，主要表現為孔直徑較大，孔徑分布過寬，耐磨性不足以及批次差異性大，在應用時保持架兜孔出現發黑、油泥等現象，嚴重影響軸承乃至主機的壽命及可靠性[5-6]。

隨著我國航天事業的發展，對高性能多孔聚酰亞胺保持架材料的需求更加迫切，本文采用冷壓-燒結工藝制備小孔徑窄分布型多孔聚酰亞胺保持架材料，研究了其力學性能、摩擦學性能、微孔性能及含油保持率等，并與傳統的多孔聚酰亞胺材料進行了對比，最后進行了跑合驗證試驗。

1 試驗

1.1 試樣制備

采用冷壓-燒結工藝并調控成型壓力參數，分別制備出14.0%,17.3%,19.0%和21.2%孔隙率梯度的多孔聚酰亞胺保持架材料。所用原材料聚酰亞胺模塑粉為自制，中位粒徑(D50)為12 μm，密度為1.38 g/cm3，玻璃化溫度為267 ℃。

1.2 測試與分析方法

采用AutoPore IV 9500型壓汞儀，按照GB/T 21650.1—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度 第1部分：壓汞法》測試材料的孔隙率、孔直徑及其分布；采用CMT6503型微機控制電子萬能試驗機，按照GJB 9288—2017《軸承用多孔聚酰亞胺保持架規范》測試材料的拉伸強度，拉伸速度為5 mm/min；采用V-SD型邵氏硬度計，按照GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》測定材料硬度；采用CFT-1型材料表面性能綜合測試儀，按照ASTM G133-05：2010“Standard Test Method for Linearly Reciprocating Ball-on-Sliding Wear”測定材料在干摩擦和含油摩擦條件下的摩擦因數、磨損量，測試條件為載荷20 N、頻率20 Hz、直徑4 mm鋼球、往復5 mm、運轉1 h，多孔聚酰亞胺保持架材料經真空浸油和5 000 r/min，3 min離心甩油后獲得含油摩擦試樣，潤滑油采用4123空間精密軸承用潤滑油；采用VEGA Ⅱ XMU型掃描電子顯微鏡觀察多孔聚酰亞胺保持架材料的內部形貌。

含油率和含油保持率是多孔聚酰亞胺保持架材料的關鍵指標，分別為

材料的含油率=

材料的含油保持率=

2 結果與討論

2.1 微孔結構

不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的微孔性能如圖1和表1所示:保持架材料的孔直徑大多集中在1.00 μm左右；隨著孔隙率的增大，孔直徑有所增大，孔占比(直徑為>0.70～1.25 μm孔所占的比例)減小；當孔隙率為17.3%時，孔直徑為1.08 μm，孔占比達到70.1%;與傳統的多孔聚酰亞胺保持架材料相比，孔直徑明顯減小，孔占比明顯增大。

表1 多孔聚酰亞胺保持架材料的微孔性能

圖1 不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的孔徑分布

2.2 拉伸強度

不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的拉伸強度如圖2所示:隨著孔隙率的增大，拉伸強度呈下降趨勢；孔隙率為17.3%時，拉伸強度為78.3 MPa,孔隙率達到21.2%時，拉伸強度仍有62.1 MPa，均較傳統多孔聚酰亞胺保持架材料的拉伸強度大幅增加，表明小孔徑窄分布型多孔聚酰亞胺保持架材料的拉伸強度性能優異。

圖2 不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的拉伸強度

2.3 邵氏硬度

不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的邵氏硬度如圖3所示，隨著孔隙率的增大，邵氏硬度呈下降趨勢，這是因為隨著孔隙率的增大，保持架材料的密度減小，保持架材料內部粉末顆粒的致密度減小，導致保持架材料的邵氏硬度越來越低。孔隙率為17.3%時，邵氏硬度為81.0 SD，孔隙率達到21.2%時，邵氏硬度仍有79.5 SD，均較傳統多孔聚酰亞胺保持架材料的邵氏硬度有所增加。

圖3 不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的邵氏硬度

2.4 摩擦因數和磨損量

在不同摩擦條件下，多孔聚酰亞胺保持架材料的摩擦因數和磨損量如圖4和圖5所示:干摩擦條件下，摩擦因數小于0.15，磨損量小于0.04 mm3；含油摩擦條件下，摩擦因數穩定在0.04左右，磨損量小于0.005 mm3。在摩擦過程中,保持架材料孔隙中潤滑油的持續釋放使摩擦界面上油膜分布均勻、持續，摩擦因數和磨損量大大降低。干摩擦時隨著孔隙率的增大，磨損量呈增大趨勢，這是由于孔隙率增大，保持架材料表面及內部微孔的增加使表面粗糙度增大，且保持架材料的邵氏硬度呈下降趨勢，耐磨性有所下降。

圖4 不同孔隙率的多孔聚酰亞胺材料的摩擦因數

圖5 不同孔隙率的多孔聚酰亞胺材料的磨損量

傳統多孔聚酰亞胺材料干摩擦條件下的摩擦因數為0.15～0.20，磨損量大于0.050 mm3，小孔徑窄分布型多孔聚酰亞胺保持架材料比傳統多孔聚酰亞胺保持架材料的減摩耐磨性能有所提升。

2.5 含油率和含油保持率

不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的含油率和含油保持率如圖6所示:隨著孔隙率的增大，對應含油率呈增大趨勢，而含油保持率呈下降趨勢；當孔隙率為17.3%時，含油率為13.4%，含油保持率為94.9%，孔隙率為21.2%時，含油率為16.7%，含油保持率為90.2%，均比傳統多孔聚酰亞胺保持架材料80.0%的含油保持率大幅增加。由于多孔聚酰亞胺保持架材料孔直徑大幅減小和小孔徑的集中度提高，該材料內部相互貫通的微孔可根據軸承運轉工況的變化釋放較少或吸附過多的潤滑油，當孔直徑越小，小孔占比越多時，吸附力越大，從而使潤滑油不易流出，含油保持率越高。

圖6 不同孔隙率的多孔聚酰亞胺保持架材料的含油率和含油保持率

2.6 跑合性能

根據所用軸承應用工況的經驗數據，跑合試驗材料的含油率應為14.0%～18.0%，以滿足軸承壽命要求以及摩擦力矩指標。為保證含油保持率，選定19.0%孔隙率的多孔聚酰亞胺材料加工成6件保持架，分別跑合600，696，840 h后拆分，840 h后的外觀如圖7所示，保持架僅在兜孔處有4個與鋼球接觸的輕微且界面清晰的黑點。

圖7 跑合840 h后的保持架

保持架跑合不同時間后的含油率及含油保持率見表2，保持架跑合后油損失質量約為0.01 g，油損失量小，含油保持率均大于90.0%，含油保持能力強；保持架跑合后含油率為13.2%～15.4%，一致性好；保持架跑合600 h后含油保持率約為92.0%，跑合840 h后含油保持率約為90.2%，隨著跑合時間的延長，含油保持率略有下降，但仍大于90.0%，跑合情況良好。

表2 保持架跑合前后含油率及含油保持率

裝有該保持架的軸承二拆(跑合過程中的拆解)前后的跑合情況如圖8所示，二拆前后電動機轉速約6 000 r/min，電動機電流均穩定在0.34 A左右，電流變化不超過10 mA，跑合情況良好。

圖8 軸承二拆前后跑合情況

2.7 微觀形貌

跑合效果優異的多孔聚酰亞胺保持架(孔隙率19.0%)的表面形貌如圖9所示，孔徑小且分布均勻，有利于潤滑油的存儲和保持，能有效保證接觸面實現油潤滑，減小摩擦因數和磨損量，有利于實現軸承長壽命。

圖9 多孔聚酰亞胺保持架材料的SEM圖

3 結論

采用冷壓-燒結工藝制備出小孔徑窄分布型多孔聚酰亞胺保持架材料，調整成型壓力參數，可以精確控制材料的微孔結構，得到以下結論：

1)小孔徑窄分布型多孔聚酰亞胺保持架材料的拉伸強度、耐磨性及含油保持率等均比傳統材料優異，孔直徑小，孔徑分布集中度高，提高了材料的含油保持率，為實現潤滑油的長效原位供給奠定了材料基礎。

2)裝有小孔徑窄分布型多孔聚酰亞胺保持架的軸承跑合應用情況良好，大幅提升了該類軸承的運轉穩定性，利于實現軸承的長壽命和可靠性。