工程塑料作为对摩材料的应用及发展现状.pdf
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1、第 卷第 期 年 月塑料工业 工程塑料作为对摩材料的应用及发展现状张 垚 李 静 陈文刚 李祖阳 杨晓东 代炳贵 张继豪 杨加威(.西南林业大学机械与交通学院 云南 昆明 .山东省菏泽市公路事业发展中心 山东 菏泽)摘要:降低摩擦副的摩擦磨损是提高机械设备工作效率的一个重要措施 工程塑料因其质量轻、容易成型、耐腐蚀等特点被广泛代替金属摩擦副应用到机械领域中 通过对工程塑料进行填料改性 表面织构等方法可以克服工程塑料一些固有的缺点得到低摩擦系数、耐磨性良好等优异性特点的复合材料 综述了工程塑料在机械设备中的应用和用不同的方法对工程塑料进行改性探究其复合材料在与金属材料对摩时的摩擦磨损性能 讨论了
2、复合材料摩擦副转移膜的形成和摩擦条件、不同填料 表面织构对转移膜形成的影响因素 随着工程塑料研究的进一步发展 改性后的工程塑料性能不断提高 在代替摩擦副中的金属零件应用广泛 并向先进制造领域延伸 具有广阔的发展空间关键词:工程塑料 摩擦磨损 转移膜中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():(.):.:在全球范围内 腐蚀和磨损导致的大量材料损失和二氧化碳排放一直是研究者亟需解决的一大难题并且材料的严重磨损不但缩短运动部件的寿命并且还降低了其可靠性 通过使用工程塑料代替金属摩擦副一直是研究者们面临的一大挑战 其中常运用到机械摩擦副中的工程塑料主要有聚四氟乙烯()、超
3、高分子量聚乙烯()、聚甲醛()、聚醚醚酮()、聚酰亚胺()、聚酰胺()等 表 归纳了相关工程塑料的摩擦学性能和力学特点 在机械设计中使用工程塑料作为摩擦副的主要优势有:塑料材料更轻、更耐化学试剂、更容易成型、更便宜且可重复使用 可以在保持结构性能的同时显著减轻质量 从而提高其工作效率 故解决工程塑料摩擦磨损的问题一直是研究摩擦学的热点方向之一 因此 本文通过分析工程塑料作为机械对摩材料的研究现状 归纳总结了工程塑料的摩擦磨云南省 院士工作站()国家自然科学基金项目()云南省农业联合专项重点项目()云南省农业联合专项面上项目()通信作者:陈文刚 男 年生 博士 教授 主要研究方向为机械摩擦磨损机
4、制及控制 作者简介:张垚 男 年生 硕士研究生 研究方向为摩擦磨损 塑 料 工 业 年 损机理及影响因素 讨论现有研究的不足 并在此基础上对工程塑料的研究方向和技术发展进行了展望表 工程塑料的摩擦学性能和力学特点 工程塑料摩擦系数磨损率/()软化温度/邵氏硬度拉伸强度/拉伸模量/工程塑料摩擦副的相关应用及性能工程塑料及复合材料被广泛应用在传统的机械摩擦副中 此外 工程塑料越来越多的用于苛刻条件下的摩擦副中 如航空航天机器和海洋工程机器中的轴承、齿轮、活塞环和密封件 或在高温和腐蚀性环境中使用的其他机械部件 其中聚酰胺 又称作尼龙()被加工成各种制品用来代替金属零件 因为尼龙、尼龙、浇铸尼龙(尼
5、龙)制成的齿轮具有耐冲击、耐疲劳、自润滑性能好、耐磨损的优点 所以小型航空器中的动力陀螺器 稳定控制表面的动力旋转器均采用非金属尼龙齿轮 采用尼龙 和改性尼龙 制成的煤矿井下采煤设备减摩垫片 达到的减摩效果最佳 地铁轴承 产品的保持架结构采用/增强尼龙 尼龙材质摩擦系数小 噪声低、自润滑性好 中国南车、北车集团公司是中国机车车辆制造的核心企业 已将尼龙材料应用于地铁领域 广泛应用在机械工程的摩擦件中 其中 制成的活塞环大量用于空气压缩机中 例如一台式蒸汽锤 原用金属环 当二班制生产时 正常情况下半年以后气缸内壁磨损达 金属环 星期就被振断有时还会出现折断的活塞环卡坏气缸内壁不得不更换气缸的情况
6、 改用填充 后 个月时气缸内壁磨损仅 个月后磨损也才 寿命延长了 倍甚至更长 在专注生产制作特殊材料轴承的韩国公司 使用 材料制作的轴承运用到机器人减速装置中 由于 具有良好的耐磨性能和力学性能 众多汽车厂商将其作为轴承、垫片、密封件等金属零部件的替代品 为了满足汽车工业的更高要求 对 进行填充、复合材料等方式改性 能够降低成本 增加使用范围通过上述对工程塑料的研究可以了解到改性后的复合材料具有优异的减摩抗磨性能 能够很好地替代金属摩擦副 提高工作效率的同时还能够降低机械设备中摩擦副的制作成本 影响工程塑料摩擦副摩擦性能的因素工程塑料与金属摩擦副对摩时 由于黏着作用会在摩擦副表面发生断裂 小颗
7、粒工程塑料从表面滑落下来 形成磨屑或者附着在对摩材料表面形成转移膜 如图 所示 在摩擦磨损试验中 磨合阶段过程中摩擦副间不断有转移膜的形成 当达到稳定磨合阶段时形成一层均匀致密的转移膜 但在摩擦过程中转移膜会受到填料、工作条件、表面织构等因素的影响使得减摩抗磨效果达不到预期要求初期磨合阶段中期磨合阶段稳定磨合阶段图 转移膜形成机理 摩擦条件(速度、载荷)的影响滑动速度对转移膜的影响主要在于:高速摩擦过程中摩擦副表面的温度不断升高 工程塑料表面逐渐软化 不利于转移膜的形成 李颂华等用 与氮化硅()进行摩擦实验 分析了载荷、温度对转移膜形成的影响 温度在 和载荷在 范围内能够形成具有优异性能的转移
8、膜王建吉等将/石墨按照质量比/通过一定工艺混合制备复合材料 进行了不同的载荷、转速的试验 结果如图、所示 在 的工作条件下 复合材料磨损表面的磨屑为白色粉末 随着温度的升高 粉末逐渐变成块状 但产生的热量没有第 卷第 期张 垚 等:工程塑料作为对摩材料的应用及发展现状达到材料的软化温度 此时对摩件表面开始形成不均匀的转移膜 因此摩擦系数和磨损率都较低 但当载荷增加到 时 摩擦表面由于温度的升高 片状物颜色发黑 逐渐有烧灼的现象 对摩件表面的转移膜也有烧焦现象 摩擦系数和磨损率明显升高 在转速为 /时 复合材料表面有部分磨屑外没有明显的划痕 对摩件表面形成了均匀的转移膜 部分地方有梨沟出现 磨损
9、方式为磨粒磨损 转速升高到 /时 摩擦表面被撕裂 出现了黏着磨损 对摩件表面的转移膜有烧焦现象 因此摩擦系数和磨损率开始增大随着速度和载荷的增加 摩擦界面的接触压力和热量增加 转移膜的强度和耐磨性可能会减弱 在不同的速度和载荷条件下 磨损机制可能不同 例如低速下磨损主要是磨粒磨损 高速下可能会出现疲劳磨损 /图 不同载荷、转速下复合材料磨损表面 /图 不同载荷、转速下对摩件表面转移膜 填料对转移膜形成的影响通过填充填料改性工程塑料是降低复合材料摩擦磨损率的主要研究方法 常见的填料一般分为金属填料、非金属填料 有机填料等 同时填料的添加、颗粒大小、直径和含量都影响着转移膜的形成样貌 等对/芳纶斜
10、纹织物的转移膜成膜机理进行了研究 建立了成膜过程的物理模型 如图 所示 在开始时 凸出的 纤维受到载荷的挤压下填充凹面 在摩擦力和剪切力的作用下形成了冷流现象 开始扩散并填充到芳纶纤维的凹面 凸起部分形成大面积的转移膜 后续随着工作时间的增加 在凸起表面形成了连续的 转移膜 许振兴在 中加入 和 均改善了 复合材料的摩擦学性能 在 下观察到随着 的加入 转移膜不断变得均匀、致密 但当 添加到时 转移膜的连续性变得较差 开始出现裂痕表面不再平滑光整 加入 的 的复合材料形成的转移膜表面光滑 均匀 没有磨屑堆积 但当含量超过 时 转移膜的表面开始出现划痕 从而影响到 复合材料的摩擦学性能 因此可以
11、判断出只有在 中加入适量的填料才能对转移膜的形成和稳定起到促进作用 等将微米级的碳纤维、片状石墨和的球状石墨填充到 中 试验结果表明三种填料均能降低 的摩擦系数和磨损率 但当填料含量超过 时 减摩抗磨的效果变化不再显著 等通过对二维层状材料二硫化钼()和石墨氮化碳()作为 材料的增强相 在 下观察到 (质量分数 下同)的 形成了均匀致密且连续的转移膜 这表明了 在帮助增强 复合材料耐磨性起到了增强作用塑 料 工 业 年 编织衬垫基本结构 转移膜形成形成连续转移膜图 转移膜成型的物理过程 填料的加入会使工程塑料形成更为致密和均匀的转移膜 从而降低摩擦系数并且提高摩擦副的耐磨性能 但有时填料的加入
12、可能会起到相反的效果 破坏转移膜的形成使摩擦副磨损率加剧 因此在选择时应该充分考虑工程塑料与其的相容性 选择出合适的填料种类和含量才能达到预期的减摩抗磨效果 织构对转移膜的影响通过在对摩材料表面利用表面织构技术加工出一系列规则且有一定尺寸的凹槽 凹坑等微织构可以促进转移膜的形成 让接触面积更加均匀 承载能力增强 改善工程塑料的摩擦学性能 等研究发现 的摩擦系数受到表面织构的影响 转移膜的形成又依赖于摩擦系数 因此织构的有无也能够影响到转移膜的形成 高贵等在对摩表面制备不同角度、槽宽、槽间距参数的织构试验研究 复合材料转移膜的形成的影响因素 结果表明当槽宽 、槽间距 织构角度垂直滑动速度时 槽间
13、表面生成了一层很薄且均匀、连续的转移膜 完全覆盖了对摩表面 使槽间表面看起比原始表面平滑了很多 转移膜形成原因可能是因为当槽宽变大 接触应力变大 槽内堆积的磨屑更加紧密并促使磨屑延槽间延展 等用 和制备了不同覆盖范围和尺寸的凹坑织构不锈钢进行摩擦磨损试验 证实了表面织构的制备有利于转移膜的形成 但关键在于织构的深度限制应在 范围内 图 为一些常见的典型织构图片织构能够影响摩擦界面的接触面积和接触力分布 从而影响转移膜的形成和磨损 织构表面与光滑表面相比 具有更大的表面积和更多的微观凹坑 可嵌入工程塑料颗粒 从而形成更稳定的转移膜 此外 织构可以防止转移膜的撕裂和疲劳破坏 从而延长摩擦界面的寿命
14、 但致密均匀连续的转移膜形成需要考虑织构的大小和密度 只有选取合适的织构参数才能达到减摩抗磨的效果正六边形方凸形圆形酒窝方形酒窝平行槽交叉网格槽图 表面织构形态特征 工程塑料摩擦副减摩的研究进展工程塑料与不同金属 陶瓷等材料对摩时摩擦磨损性能也有很大不同 对摩擦磨损研究比其他材料更加复杂 工程塑料在载荷较大的工况条件下 摩擦力与法向载荷不呈比例关系 摩擦力与对摩表面接触面积的大小有关 摩擦系数也与滑动速度有较大关系 总的来说 当工程塑料作为对摩材料出现在机械设备中时 其摩擦因数和磨损率受到材料 工况条件的影响 不同学者在不同实验条件下的结果都各不相同 到目前为止 对工程塑料的应用指导仍然缺乏共
15、性的规律 为深入了解其摩擦磨损机制 通过总结现有文献 介绍其中几种常见的工程塑料及复合材料的摩擦磨损性能第 卷第 期张 垚 等:工程塑料作为对摩材料的应用及发展现状 及复合材料 是一种理想的润滑材料 因为它具有低摩擦系数、优异的耐化学性和高温稳定性 但 的耐磨性较差 在一定程度上制约了它的应用 为提高 的耐磨性能 通过填料填充对其进行改性探究其摩擦磨损性能 李宁等在 中填充不同含量的氯氧化铁 试验表明在石蜡润滑状态下 复合材料的摩擦学性能得到不同程度的提高摩擦系数和磨损率有所降低 等通过用 和纤维 铜复合制成密封圈探究其性能 试验证明了铜加入 复合材料能够很好地应用在液压马达的密封圈中 李颂华
16、等以 和盘为摩擦副 研究了在不同转速和载荷条件下的摩擦磨损性能 在试验范围内/摩擦副间的摩擦系数在 之间变化 表明 可作为在干摩擦工况下全陶瓷轴承的润滑材料 等通过把 复合材料应用在自润滑轴承衬套上 在 /的滑动速度和 的载荷下 未改性的织物复合材料在 时磨损 但改性的织物复合材料在 后仍然稳定 结果证实了 复合涂层具有良好的成膜性能 能够提高复合材料在长期摩擦中的耐磨性和摩擦稳定性 等研究了分别填充 和青铜粉末的 复合材料在旋转密封相关条件下的滑动磨损行为 结果表明经过不同的磨合阶段 复合材料的摩擦系数最终都达能达到相对稳定的状态 等研究比较了聚四氟乙烯基复合材料和聚酮在不同对摩表面下不同负
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- 关 键 词:
- 工程塑料 作为 材料 应用 发展 现状