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聚酰亞胺在軸承中的應用摘要：作者洛陽軸承研究所王子君性能特性概述聚酰亞胺一種新型耐高溫工程塑料具有獨特性能現代工業尤其是高技術領域不可作用軸承基礎部件廣泛應用于國民經濟各個領域滿足不同工況條件軸承性能要求聚酰亞胺滾動軸承保持材料滑動軸承材料應用顯示出優越性能良好發展前景聚酰亞胺最早 液體動靜壓軸承常用軸殼配軸

作者：洛陽軸承研究所 王子君

1、性能特性概述：

聚酰亞胺是一種新型耐高溫工程塑料，它具有獨特的性能。在現代工業，尤其是高技術領域起著不可替代的作用。軸承作為基礎部件，廣泛應用于國民經濟的各個領域，滿足不同工況條件對軸承的性能要求。聚酰亞胺在滾動軸承中可作為保持架材料，也可作為滑動軸承材料，在應用中顯示出優越的性能和良好的發展前景。

聚酰亞胺最早由美國杜邦公司于上世紀六十年代首先發明并投入工業化生產。它是利用四酸二酐與二胺的反映，然后亞胺化而成為高分子材料。由于分子鏈上有大量的苯環和雙鍵，使分子的剛性增加，分子鏈熱運動的能級較高，當它在較高溫度下吸收較多能量的情況下仍能保持原來的形狀不變，并且分子鏈不發生斷裂，這是該種材料耐高溫環境的內在原因。

有些品種的聚酰亞胺耐熱性非常好，使用溫度可達300℃，可以在250℃高溫環境中長期使用。然而這種分子結構增加了加工成型的難度，雖然聚酰亞胺是一種熱塑性工程塑料，但它很難用注塑成型的加工方法進行成型。在酸酐分子鏈中引入活動性較強的醚鍵是改善其分子柔性和成型的有效途徑。當然還有許多其他方法，也可以合成柔性聚酰亞胺，該材料可以注塑成型。

聚酰亞胺的常用成型方法有壓鑄成型法和注塑成型法兩種，壓鑄成型是在模腔內將材料加熱加壓，在保壓狀態下使材料冷卻成型。用這種方法成型的材料其機械性能十分穩定可靠，工件尺寸可以較大，但效率很低，不利于大批量的工業化生產，有些品種的聚酰亞胺只能采用這種工藝方法。為了提高生產效率，對于小型制件或結構較復雜的制品可以采用注塑成型工藝，此時要求這種材料流動性好。

還有一種方法，即利用類似于粉末冶金的方法制成微孔材料，使材料的機械性能和微孔性能達到某種特定指標，滿足特殊工況條件需求。聚酰亞胺由于其獨特的分子鏈結構，使它能在輻射環境中長期使用而機械性能沒有明顯降低，這是它與其它高分子材料相比的優越所在。大部分高分子材料在輻射狀態下會導致分子鏈斷裂，使其性能顯著下降。甚至不再具有機械強度，所以在一些空間領域，聚酰亞胺材料的這一性能使它得到廣泛應用。

聚酰亞胺材料吸水性低，對于大多數化學介質都能表現出良好的穩定性，它可以長期在有腐蝕的的環境下使用，應用領域很廣。它的機械性能優良，抗拉強度達90Mpa，剛性較好，能長期保持尺寸穩定性�？梢酝ㄟ^通用的機械加工方式進行車、銑、鉆等加工，得到尺寸精度和表面質量較好的制品。絕緣性優良，可作為高性能的電子零部件和機械零件。聚酰亞胺有自潤滑性能，在相對運動的磨擦面之間它可以轉移到對磨面上，形成固體潤滑層。在干摩擦狀態下若有相對滑動速度較高時，就會在摩擦面上產生大量熱量，局部溫度可達到聚酰亞胺的分解溫度，在空氣環境中氧化就不可避免，生成氧化物粉末，同時摩擦熱使接觸部件的聚酰亞胺軟化粘附脫落，增大了磨損量，因此對于干摩擦狀態，聚酰亞胺材料使用的PV值應有所控制，否則會使磨損增加，壽命縮短。試驗表明，聚酰亞胺雖有一定自潤滑性，但其摩擦系數并不穩定，隨著連續運轉時間的延長，有緩慢增加的趨勢，這對于一些對摩擦力要求較高的應用部位應該注意。為了改善這種性能，有效的辦法是對聚酰亞胺進行復合改性。把粉末狀的潤滑劑分散到材料中制成復合材料，在保持材料基本性能的基礎上使摩擦系數降低，摩擦生成熱減少。

通常把二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等潤滑材料以不同比例進行配合，試驗結果表明其潤滑性能有明顯改善。對于有潤滑油脂存在的應用工況，可以在很高的速度狀態下使用，表現出優越的性能，它表面吸附的潤滑油可以在很高的速度狀態下使用，表現出優越的性能，它表面吸附的潤滑油可以形成穩定而且可靠的潤滑油膜，極大地降低了摩擦系數和生成熱。它的較高的機械性能使它能在高速狀態下保持穩定的尺寸。

由于聚酰亞胺是熱塑性高分子材料，溫度對它的作用明顯，當超過一定溫度范圍之后，首先導致材料軟化及氧化分解，使其機械性能喪失。摩擦部分的溫度受環境溫度和摩擦生熱兩個因素共同影響，當環境溫度一定時溫度升高主要來源于摩擦熱。聚酰亞胺作為軸承及軸承部件時，運動部位升溫由摩擦熱引起。負荷和摩擦系數以及工作時間都會影響熱量大小。塑料的導熱系數低，致使熱量容易在某些部位聚集，產生局部高溫。降低摩擦系數是減少發熱量的有效手段，增加散熱速度也可以有效降低工作面溫度，這些因素需要根據使用環境具體加以分析。溫升后使熱膨脹增大，減少了配合間隙，有的甚至出現緊配合，使摩擦熱更大，導致惡性循環。

因此聚酰亞胺軸承制品的設計及加工同樣重要。綜上所述，我們可以看出，雖然聚酰亞胺是一種耐溫良好的工程塑料，但其使用過程中仍要采取各種可能的手段減少發熱量，避免溫度過高造成的損害。

2、在軸承中的應用情況

聚酰亞胺及其復合材料可以作為耐磨材料廣泛應用于高溫，耐化學介質、耐輻射、自潤滑等多種領域。

在滾動軸承中它主要作為保持架材料。

滾動軸承主要由內外圈、滾動體及保持架四部分構成。由于功能不同，內外圈及滾動體只能由硬度很高，剛性很大的軸承鋼或不銹鋼制造。滾道和滾動體表面的光潔度很高，對于其尺寸和公差均有著十分嚴格的技術要求。保持架的作用是把滾動體分開，使它們均勻承擔軸承的負荷，減少滾動體運動所產生的摩擦力。對于聚酰亞胺或其復合材料制成的保持架還能向軸承提供固體潤滑轉移膜。

2.1 聚酰亞胺在高速軸承中的應用

高速軸承一般都是角接觸球軸承或深溝球軸承。鋼球作為滾動體由于接觸點小，滾動體相對較輕，可以實現高速性能，速度中徑積可達100萬以上，適合于高速牙鉆和高速磨床主軸軸承。在這些領域內使用的軸承保持架用聚酰亞胺材料制成管料，然后通過機械加工方法得到所需要的形狀和尺寸。現在常用的牙鉆軸承尺寸較小，軸承尺寸為￠8×￠3×4，保持架也很小，內部有七粒￠1的鋼球。轉速必須達到35萬轉/分以上才能發揮其性能，它用在牙鉆機的空氣渦輪轉軸支撐處，在高壓空氣帶動下，渦輪高速旋轉，頭部的牙鉆修復牙齒。該部位的軸承工作條件相當苛刻，首先是高速帶來的一系列問題，由于速度很高，如果保持架的強度不夠，極易產生斷裂而導致軸承失效。

軸承的潤滑也較難解決，按照常規方法，如此高轉速的軸承應使用油氣潤滑裝置，通過壓縮空氣將霧化的潤滑油帶到軸承的潤滑部位，但由于它用于口腔治療，這種方法是不允許的，只能在工作間隙采用滴油的方式加入微量潤滑油，在軸承起動階段這部分潤滑油絕大部分被甩出工作面，因此軸承潤滑狀況十分惡劣。

所幸的是軸承連續工作時間不長，壓縮空氣帶走了熱量。這種軸承還應承受130℃左右連續四個小時的高溫消毒處理，一般的工程塑料都會很快老化，因此選用了綜合性能都很好的聚酰亞胺，這是聚酰亞胺在我國軸承工業中應用的開始。

從1978年開始試制工作，當時是利用模壓成型的方法將聚酰亞胺制成管狀物，然后機械加工為所需要的尺寸和精度的保持架。它的應用十分成功，可以使軸承轉速穩定在35萬轉/分以上。噪音及壽命達到國外同種軸承的水平。由于工序較多，效率低，這種工藝制成的保持架成本高，不適合現代社會大批量生產的需求，現在也正在利用注塑成型的工藝方法一次性注塑保持架，注塑工藝和技術，注塑原料性能都在研究之中。

除此之外的高速軸承保持架也同樣可以由聚酰亞胺材料制成�，F在聚酰亞胺的價格較高，成型工藝較復雜是限制其大量推廣的重要原因。隨著合成技術的日益完善以及產量的增加，降低聚酰亞胺的價格，開發適于注塑成型的新型材料和工藝方法是該種材料能在軸承行業得到推廣應用的必要條件。它可以代替目前廣泛使用的膠木材料用于高速軸承，提高軸承的生產效率和使用性能

2.2在固體自潤滑軸承中的使用

在空間領域，許多軸承的潤滑只能靠固體潤滑方式解決。它是在軸承的滾動面上利用各種方法形成固體潤滑膜，減少摩擦力。

固體潤滑膜是不能再生的一次性膜，該種工況的軸承如果不能補充潤滑，就有可能導致失效。自潤滑保持架可以補充潤滑膜層。

由于太空中輻射較強，其它塑料的應用受到限制，現在主要采用聚酰亞胺復合材料保持架，利用聚酰亞胺作為機體材料，內部加入二硫化鉬等固體潤滑劑制成。在軸承轉動過程中，軸承的滾動體與保持架兜孔面接觸，相對運動使保持架內的固體潤滑劑和聚酰亞胺轉移到滾動體表面，進而轉移到溝道中，補充固體潤滑膜，達到長壽命的目的。這種類型的軸承在航天等高科技領域中已得到多次應用，效果十分理想，圓滿的完成了工作任務。

2.3 在多孔含油保持架中的應用

在陀螺馬達軸承中利用多空含油聚酰亞胺保持架，已解決其長壽命、高精度和高可靠性問題，該項技術的核心即是多孔保持架材料的制備。

陀螺馬達是一種高精度的電機馬達，利用高速旋轉產生的慣量確定空間飛行器的基準方向，對于現代航天、航空及航海等領域是十分關鍵的部件。

隨著技術的進步和要求的不斷提高，要求陀螺馬達的壽命都很長，國際上的陀螺馬達壽命達8萬小時。陀螺馬達的壽命主要有軸承壽命決定，當軸承運轉失敗時馬達的壽命即終止。

而運轉過程中該部位的潤滑無法進行補充，只能采取一次性潤滑技術。剛開始利用潤滑脂作為潤滑劑，但潤滑脂稠度較大，導致轉動力矩增加，潤滑脂的質量偏移會損傷陀螺精度，同時壽命要求，脂潤滑無法實現。多孔聚酰亞胺材料則是利用聚酰亞胺粉料采取獨特的工藝制成的特殊材料。它具有一定的機械強度，可用機械加工的方法成型保持架，內部之間相互貫通，在微孔之內貯存潤滑油，當軸承運轉時由于離心力和熱運動使保持架表面轉移，形成完整油膜，實現軸承潤滑。同時微孔把它接觸到多余的潤滑油重新吸附到保持架內，實現內部油，達到長壽命之目的。

聚酰亞胺的綜合性能優良，是制作微孔保持架的理想材料。現在我國絕大多數長壽命陀螺馬達軸承都是采用多孔聚酰亞胺保持架，使陀螺壽命達五萬小時以上，精度及可靠性都滿足了主機要求。

聚酰亞胺作為一種性能優異的特種高分子材料，肯定有其更加廣闊的使用范圍，在耐磨結構件、絕緣材料、耐腐蝕等方面應用會不斷拓展。

發前該材料應用局限于高科技領域，產量較小，人們對它的熟知度不夠，研究生產單位有限，許多技術還未達到工業化水平，限制了它的應用范圍。

許多工程塑料的發展歷史均表明，只有走工業化和產業化的道路，才能降低生產成本，提高產品一致性，完善制造技術，為該類材料的拓展應用提供條件。我們相信，聚酰亞胺的廣泛應用已為時不遠了，在實踐中不斷改善其性能，以批量化生產降低成本，以專業化設計滿足各種特殊的和需求，形成系列化產品，為我國的經濟建設作出應有的貢獻。