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热塑性碳纤维复材凸显的自润滑性在轴承应用

发表时间:2024-02-24 16:08:02  作者:碳纤维 阅读数:115

  复合材料具备传统单一材料难以比拟的多种性能优势,能够弥补单一材料性能的不足,能够在多领域环境中有更好的应用表现。不同基体和增强体的复材也性能大不相同,为了产品的高性能,就需要不断的进行高性能复材的研发。不断科研突破热塑性碳纤维复材的原因也在于此,通过热塑性树脂的加持来提升碳纤维复材的性能,从而弥补传统热固性碳纤维复材的性能不足。比如热塑性碳纤维就具备传统热固性碳纤维不具有的自润滑性能,自润滑性的突出表现就可以让这种高性能复材能够在轴承领域中得到应用,并且取缔传统轴承材料,带来更好的应用效果。

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自润滑轴承的应用领域

  轴承机械设备中是非常重要的一个零部件,能够有效的完成机械旋转,减少设备运动中的摩擦系数,并且需要保证回转精度,从而提升设备的工作效率。优质的轴承除了需要非常重要的强度、硬度等力学性能之外,还具备润滑性能就能够使得轴承的效果更好。

  自润滑属性是代表材料的一个特性,通常情况下,自润滑属性跟材料的表面摩擦系数有很大的关系,一般情况下摩擦系数越低的材料自润滑属性就会高,在材料摩擦的过程中,会在材料的表面形成一些致密的膜用于降低材料整个的摩擦系数。在轴承制品的应用中,自润滑属性是非常重要的一个属性,同时需要坚固表面硬度,这里面就是要涉及到耐磨性,抗咬合性,热塑性碳纤维复材制作的轴承相较于传统的热固性碳纤维复材就能够在耐磨性、自润滑性上有非常突出的性能表现。就能够弥补传统热固性碳纤维不能应用到轴承上的缺失,更好的替代传统金属轴承,能够不需要润滑省去一部分维护的工作,极高的强度性能使得其能够重载、真空、腐蚀性等无法加油或难加油情况)下使用。相比于金属轴承,因具有更好的自润滑性、更长的使用寿命、更小的摩擦系数、更低的功率损耗、更优秀的耐腐蚀性等优点,从而在各行各业得到广泛应用。

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Polygon CoPolyLube系列纤维增强复合材料轴承

  航空航天领域中其实早就有了高性能纤维增强复材自润滑轴承产品,你比如美国的Polygon Composites公司于2019年生产的航空航天轴承就是连续玻璃纤维增强环氧树脂+聚四氟乙烯(PTFE)材料,通过PTFE来弥补环氧树脂基在润滑性能上的缺失,再结合玻璃纤维增强复材的高强度和稳定性来实现轴承在高径向和轴向强度。这种高性能纤维增强复材制作的轴承具有高承载能力、低摩擦系数、耐腐蚀性以及自润滑性能特点,还可以降低维护人工成本,增加设备维护的间隔时间,非常适合于建筑、采矿和农业设备的使用。

  连续碳纤维增强热塑性树脂之所以能够应用到轴承,就在于树脂基体,是不同于热固性环氧树脂,热塑性树脂具备非常好的自润滑属性,在力学性能上也远比玻璃纤维复材要高出很多,飞机上非常多的领域中可以应用,如飞机机翼系统(襟翼、扰流板和缝翼)、飞行控制、驾驶舱控制、辅助动力装置、起落架、舱门系统和飞机内部(座椅、储物箱、闩锁和铰链点)等地方,具备出色的耐磨性和低摩擦性,还具有非常好的咬合性能表现。

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特瑞堡密封系统的HiMod系列轻量化热塑性复合材料轴承

  此外在2022年瑞典的特瑞堡密封系统公司推出了一款新型轻量化热塑性复合材料轴承,这是一种增强型双层轴承,其中一层为薄的低摩擦性的改性聚醚醚酮(PEEK)层,可以减少摩擦并提高耐磨性能,另一层为连续玻璃纤维增强的热塑性树脂层,二者通过使用特瑞堡的自动纤维铺放(AFP)专利技术结合在一起。这种热塑性复合材料轴承不会像金属轴承那样可能会卡住或磨损,其滑动摩擦系数很低(比标准轴承低50%),可以耐受极端温度范围的环境(-156℃∽+274℃),具有良好的耐久性和高韧性,吸水率几乎为零,可以在潮湿环境中持续使用,且在极端条件下也不会膨胀或破裂,这使其应用范围非常广泛。与传统的热固性复合材料不同,热塑性复合材料在使用寿命结束时可以回收。

  在跟国内率先完成连续碳纤增强热塑性复材厂家智上新材的技术人员沟通中,了解到,相比较传统的热固性复材来说,热塑性复材具备出色的自润滑性就是跟热塑性树脂基体有关,以智上新材生产的CFPPS复材为例,PPS(聚苯硫醚)树脂材料中的分子链由刚性苯环和硫醚键交替排列,呈现出线性高分子结构,赋予了其出色的强度、硬度以及化学稳定性。在自润滑属性上虽然PPS树脂本身不具有固体润滑剂,但是内部的分子结构是具有一定的“内润滑”特性,结构内的分子间作用力相对较强,使得PPS树脂在受力时能形成一个光滑且稳定的表面层,减小了与接触面间的摩擦。同时,PPS树脂热稳定性好,在高温下也能保持良好的机械强度,不会因温度升高而软化变形,从而保证了在高温工况下的自润滑性能。

  连续碳纤增强热塑性复材的自润滑属性除了能够在轴承上应用,也能在密封件、其他耐磨部件上应用,在耐腐蚀、抗疲劳、降低损耗上也极具优势。


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