碳纤维增强复合材料在自润滑轴承中的应用综述

碳纤维增强复合材料的研究开发

嘉兴天翼科技有限责任公司唐清 2013年2月16日

以热固性树脂制成的轴承在市场上出现以来，在轴承领域里，各种聚合物和聚合物为主的各种混合物的应用已不断增加。可以用作轴承材料的塑料品种很多，如聚四氟乙烯、尼龙、聚酰亚胺、聚甲醛、低压聚乙烯等，它们都有很好的自润滑性，摩擦系数小，功率损耗比金属轴承约小15 ％。聚四氟乙烯为目前氟塑料中综合性能最突出、应用最广、产量最大的一个品种，它有高度的化学稳定性，耐强腐蚀，极好的自润滑性，摩擦系数极小等特点。但纯聚四氟乙烯尺寸稳定性差，耐磨性差，而加入填充剂可以改善其摩擦性能，提高其硬度和强度。经过反复试验，我公司开发出新型热固型钨-碳纤维轴承，相比传统轴承，钨-碳纤维轴承具有更好的性能和性价比。

2 W-CFRP 轴承的工作机理与摩擦特性

2.1 W-CFRP 轴承的工作原理

W-CFRP 轴承一般与金属轴形成一对旋转摩擦副。

在跑合阶段，由于旋转轴表面有一定的粗糙度，具有不同的“凸峰”和“凹谷”，夸大来讲就好像钢锉一样对W-CFRP 轴承内表面产生磨削作用，磨削下来的W-CFRP 大部分填充到

凹谷中。随着转轴运动的持续进行，磨削下来的W-CFRP 粉末累积量不断增加，填充更多的凹谷。“磨削一填充”过程持续进行，导致转轴表面上所有凹谷均填满了W-CFRP 微屑。在转子重力作用下，凹谷内W-CFRP 微屑被压实，使轴外表面紧密粘附一层W-CFRP 膜层，且形成连续光滑面。这全过程完成了轴承内表面W-CFRP 的部分“转移”，转移的结果是：由金属与W-CFRP 两种材料变为W-CFRP 一种材料之间的相互摩擦。由于CFRP 良好的自润滑性能，因此在跑合以后的工作阶段，轴承表面的磨损量随之下降到一个极低的水平，从而使摩擦副表面得到保护，大大减轻了转轴与轴承表面的磨损，延长了工作寿命。

2.2 W-CFRP 轴承的摩擦磨损特性

自润滑轴承属于干摩擦，因此可根据古典摩擦理论的基本公式求出其摩擦力，进而求出轴承的耗功量。

F=fW

式中F—摩擦力，kgf ； f —摩擦系数：W —接触面积的法向载荷，kgf 。公式中的摩擦系数 f 只适用于干摩擦或边界摩擦的状况。对于任一给定摩擦副的表面，其摩擦力大致与载荷成比例，因而摩擦系数 f 为一常数。就初步近似而言，摩擦力也与物体的面积无关。然而摩擦系数 f 不能视为接触时材料的恒定特征值，因为摩擦力取决于许多可变因素，例如表面的宏观形状、表面粗糙度、表面可能形成

的膜、滑动速度等。我们测得CFRP 轴承与碳钢对摩的摩擦系数 f ≈O.17 ～0.24 。

磨损决定无润滑轴承的使用寿命，而磨损率取决于材料的机械性质和摩擦特性，并随载荷和速度的增加而增大，但不与运转时间成线性比例关系，即磨损率一般不是常数。

W-CFRP 轴承的制造有一定的难度，首先是热固型材料有常温下就有一定的粘度,跟钨的烧结过程前段要均匀的将钨和碳纤维表面充分接触，量的控制要相当均匀，否则就有可能造成钨堆积，或钨缺失，这样都不能最大限度发挥两种材料的优势。根据我们的实际情况，我们选用三步成型工艺。先解决两种材料的结合问题，然后解决固化过程中的流动性问题，这影响固化后的强度和固化后的表面致密度和光滑度。再就是解决

3.1 原料的选择与处理

(1) 碳纤维( 简称CF) 。是PNA经过预氧化和碳化处理后制成的一种增强骨架材料，它具有高强度、高模量、底密度、耐高温、抗烧蚀、耐腐蚀等特殊性质，有很底的线胀系数，室温时差不多为负值( 约为 1.0 × 10 -8 / 摄式度以下) ，而在200 ~ 400 摄式度时则接近于零。它的摩擦系数很小，特别在与金属对摩时更是如此。我公司采用的CF 是PAN 系列，主要性能如表 1

拉伸强度拉伸模量密度g/cm 3

4950MPa 230GPa 1.75

CF 经过一系列工艺处理过程，最后达到要求的含水量和纤维长径比。(3)PTFE 树脂选用悬浮树脂，其性能参数见表 2 。表 2 选用PTFE 的性能参数

密度g/cm 3 拉伸强度MPa 加热失重（﹥400 ℃）

2 . 8~2 . 2 ﹥30 ﹤0.04%

3.2 配方研究

根据用户提出的不同机种工况条件和轴承的工作原理，要求材料刚性好、硬度强度高、耐磨损，我们研制出不同的材料配方。

通过实验，我们发现在PTFE 中加入适当比例的碳纤维、玻璃纤维及不同的金属粉等填料，能改善材料的性质，提高其硬度强度和刚度。这些填料的加入还使CFRP 轴承抗蠕变性比PTFE 提高了10 倍，耐磨提高了约20 倍，硬度增加了300 ％而且轴承工作稳定性得到大大改善。

选择合理配方，必须弄清使用工况条件，然后才能设计出C F 、PTFE 等填充剂的最佳配比。通过三年多的试验，先后研制出十几种配方，从中优选出 5 种配方供生产使用。

3.3 成型工艺

将各种原材料选定后，按一定配方混合。混合必须均匀，然后进行中温固化等工艺过程，直至加工出成品轴承，全过程主要分四部分：

(1) 配方设计与混合，这一步是关键。

(2) 预成型工艺。成型压力的大小与收缩率有很大关系

(3)精磨工艺

(4)后整理工艺

W-C F RP材料固化时发生的变化是物理化学变化的交替过程。从体积上看是膨胀和收缩的过程，升温时体积增大，降温时体积减小；从相变上看，是一个晶相与无定型的相互转变的过程，当制品加热到一定温度时，其结晶区破坏，开始转变为无定型结构的胶态，此过程是可逆的，将制品冷却至转变点，又会由无定型态变为结晶态。

固化过程分升温、保温、降温三部分，其中每一部分都能影响制品质量，必须严格控制温度梯度。

(5)机加工。将半成品按照结构设计要求进行机加工。加工CFRP 与金属材料不同，需设计合理的工装，特殊刀具和特殊加工方法。

3.4 W-CFRP 轴承性能

研制出的W-CFRP 轴承性能参数见表 3 。

表 3 W-CFRP 轴承性能参数

密度g/cm3 1.6 硬度HB5 抗压强度1200MPa 磨擦系数0.13 磨痕宽度5mm 使用寿命大于10000 h

4 CFRP 轴承的结构与设计特点

W-CFRP 轴承可做成滑动轴承和推力轴承，根据使用要求，大

致有三种形式：一是制作整体轴承；二是用金属作轴瓦，然后压入薄的W-CFRP 衬套；这种表面来看可以降低成本，但是操作不方便，增加了装配难度。三是在金属瓦背上涂覆一层W-CFRP 衬。目前就国内的技术条件来看，前两种成型方法比较成熟，使用效果好。其形状见图 3 。

设计使用W-CFRP 轴承时，要针对其特点，着重考虑散热及热膨胀等问题。

4.1 配合间隙

W-CFRP 材质的膨胀系数比金属小，导热系数也小，因此其间隙比金属轴承小一些，通常取轴承内径间隙为:

2c =(O.006 ~ 0.015)d

式2c —轴承内径与轴径的总径向间隙，mm ；d —轴径，mm ；

但一般情况下2c 可小于0.1mm ( 当d< 10mm 时，允许

2c < 0.1mm 的情况出现) ，一般不会发生轴承膨胀抱轴。

4.2 长径比1/d 与壁厚

轴承长径比1/d=0.7 ～ 1.0 为最佳，此时容易散热，摩擦系数也小，一般情况下应保证(1/d)max ≤ 1.5 。1/d 比值小，便于排出磨屑，对轴的变形和两轴承孔不同轴的敏感性亦低。W-CFRP 轴承的壁厚，在保证强度和成型工艺许可的情况下，愈薄愈好，壁厚约为其内径的1/8 ～1/15 。然而，在考虑长径比与壁厚时，还应考虑到轴承的承载能力。

4.3 表面粗糙度

W-CFRP 轴承跑台期的磨损量和稳定运行期的磨损率均与其对摩轴表面的粗糙度有关。通常表面粗糙度愈低磨损量愈小，但也不要太低，W-CFRP 轴承对摩件的粗糙度最好不要低于0.8 μm ，使W-CFRP 在开始跑合时，就有少量转移到对摩件表面上去，形成W-CFRP 与W-CFRP 间的摩擦。当然轴的粗糙度也不能太高，一般取 3.2 ~ 0.8 μm 为宜，否则对轴承内表面切削太严重，加剧磨损，引起机器工作不平稳。

5 结论

根据对W-CFRR 轴承与材料的研制以及工业考核使用情况，可得出如下看法：

(1)W-CFRP 轴承价格低廉、结构简单、成型加工制造容易，根据需要可做成各种形状，还可做成卷制轴套式滑动轴承( 见图3a ) 。

(2) 优异的自润滑性、耐磨性、摩擦系数底(f=0.17 ~0 .

24) ，10000 小时磨损量约为0.15mm 。在有油润滑下运行时，其性能往往成10 地增长，摩擦系数又非常稳定，比金属优越的多，所以建议在工艺允许情况下尽量在开始工作前涂以润滑脂或定期加少量润滑油。

(3) 有较高的强度与硬度。

(4) 优良的防污染性和防腐蚀性。W-CFRP 轴承受灰尘、杂质污染的影响很小，它有较好的“镶嵌性”，能把灰尘、金属

微粒之类的物质“吃”进去，使它们在压力作用下嵌入到W-CFRP 界面下边，减小对摩擦副的磨损。

(5) 特别适合于具有高真空、强放射性照射、高温和超低温、腐蚀性介质以及容易遇油中毒介质等工况。

(6) 轴的粗糙度应保持在 3.2 ~ 0.8 μm 范围内。

(7) 相对金属轴承来说，W-CFRP 轴承线胀系数是金属的十分之一不到，导热性较差，设计制造时应很好掌握摩擦副间的配合间隙，一般取间隙2c =(0.006 ~ 0.015)d 为宜

市场前景：由于W-CFRP轴承的良好性能，它可以在多种场合下取代金属材料有尼龙材料使用，特别是在大型；超大型轴承上使用，能大大降低生产成本；减少生产的周期；同时在大型轴承上使用，能减少75%的轴承重量；减少装配及调整时间，增加使用寿命，减少设备维护时间等。

主要的应用领域：大型机械设备；风电设备；矿山设备；大型轮船等。

跟传统的金属轴承优势：材料成本高于金属材料，按吨来讲计算，基本上金属材料的近30倍。按体积来计算是金属材料的8倍。但是生产成本却降低到原来30%，维护成本减少70%，军用膨胀系数是金属的十分之一，精度跟金属材料一样，后加工方案同金属材料，使用寿命提高一倍，安装方便，综合来看，W-CFRP轴承有绝对的优势。

我们的目标是在国内生产最轻最大的W-CFRP轴承，最终在多个行业取代金属材料，成为国内W-CFRP轴承的开导者。为中国机械行业提供最

好的；最轻的；最耐磨的轴承。

研究团队：将同中南工业大学联合开发，由中南工业大学提供强有力的理论指导，由我公司具体实施，并最终早日实现产业化，规模化生产。

开发同期：我们经过四年时间已开发生产出小直径的W-CFRP轴承，在食品及矿山机械上使用，效果明显。但是这些行业的轴承由于要求高太高，对价格反应较敏感，对质量要求不敏感，因而只有少部分企业在使用，为此，我们将计划转向大型特种轴承的研发方面，基础工作已做了许多，等有一定的设备和资金条件后就可以将大型特种轴承开发生产出来，最终实现产业化。