织物自润滑衬垫的研究现状与展望

杨育林，谷大鹏，齐效文，邓 伟

（燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）

自润滑关节轴承由带有内球面的外圈、带有外球面的内圈以及内、外球面之间的自润滑衬垫组成。自润滑衬垫复合材料大致又分为金属背衬层状复合材料、聚合物及其填充复合材料和PTFE纤维织物复合材料（即织物自润滑衬垫）3类。织物自润滑衬垫由PTFE纤维与芳纶、碳纤维、玻璃纤维等通过不同的编织方式编织，并在酚醛树脂、环氧树脂、氰丙烯酸酯等树脂中浸渍，从而形成一种致密的结构，黏结在关节轴承外圈内表面。织物自润滑衬垫工作面以摩擦系数很低的PTFE纤维为主，背面则以强度高、易于黏结在轴承外圈的其他纤维为主。织物自润滑关节轴承具有结构简单紧凑，易于装拆，承载能力高，寿命长，转动灵活，免维护等特点，并且具有很强的可设计性，可以根据具体的工作条件采用合适的编织方式，选用合适的编织材料和基体材料。因此，在军用和民用直升机及固定翼飞机等需要高承载能力、免维护、抗微动损伤等场合得到了广泛应用；而在战车、公共交通、越野装备、海洋装备、赛车等领域也得到越来越多地应用。

1 发展历程

20世纪50年代中期，织物自润滑衬垫即因关节轴承自润滑功能的需求应运而生［1］。文献［2-3］发明了一种由具有低摩擦系数的纤维构成的织物型自润滑材料，通过合适的编织方式，使大部分摩擦系数低的纤维位于衬垫的工作面，黏结性能好的纤维处于黏结面，并采用热固性树脂将织物黏结成一体，以提高其抗磨及承载能力。文献［4］也提出了一种编织结构润滑材料。文献［5］发明了一种低摩擦系数的织物轴承，轴承摩擦工作面为TFE纤维织物复合材料。文献［6］采用PTFE纤维织物或其他一些自润滑材料的纤维织物制成自润滑衬垫，其能够适应更高的速度，且工作寿命更长。SKF公司在其新推出的TX自润滑关节轴承中所用的新型自润滑衬垫，通过改进织物结构和基体材料使其在刚度、抗磨、减摩和抗潮湿性能以及衬垫的工作寿命方面都有很大的提高。RBC公司新推出的UNIFLON®自润滑衬垫也有着优异的性能，主要适用于低速、重载的工作条件，同时还适合与钢、铝、钛等组成摩擦面［7］。总体上，国外对于织物自润滑衬垫的研究技术已经比较成熟。国内从20世纪80年代中期才着手这方面的研究，虽然已经取得了一些成果，但是与国外相比还有一定差距［8］。

2 性能影响因素

2.1 载荷、速度、温度等工况条件

织物自润滑衬垫在重载磨损过程中会在关节轴承内、外圈接触面之间形成PTFE转移膜，减少了接触面的剪切应力，从而明显降低轴承内、外圈之间的摩擦系数。随着关节轴承转速的增加，轴承的磨损量也在不断增加。同时，转移膜也会不断地被挤向两边，PTFE自润滑层不断地减少，因此在磨损过程中轴承摩擦系数也在缓慢增加，直到PTFE自润滑层被消耗完毕，轴承失效为止。随着载荷的增加，织物自润滑衬垫的摩擦系数逐渐减小，磨损率则逐渐增加。而滑动速度越高，摩擦系数和磨损率均越小，分析认为［9］：一方面，高速下磨损表面被迅速抛光，从而起到降低摩擦系数的效果；另一方面，相同时间内，磨损深度虽然随着滑动速度的升高而增加，但是滑动距离同样增加，因此滑动速度增加，磨损率反而降低。文献［10］考察了PTFE纤维织物在温度（120±5）℃和（-45±5）℃下的摆动摩擦性能，指出温度对纤维织物摩擦表面层物理状态产生影响，进而对织物磨损表面和磨屑的形貌产生影响。120℃时，摩擦热使表面层发生软化并逐渐产生严重的塑性变形和黏着磨损，在长时间摩擦过程中，织物表面纤维与偶件轴的摩擦面积增大，同时形成的犁沟也更宽更深，由于表面层软化所发生的犁削和磨损比常温下严重。-45℃时，织物纤维及渗胶构成的表面微凸体在与偶件轴摩擦时，发生黏着转移或犁削剥离，形成磨屑，磨损较大。文献［11］研究了自润滑衬垫在室温和高温下的摩擦磨损特性，发现高温时磨损率大概比室温时的大2个数量级。

2.2 增强纤维

织物自润滑衬垫由摩擦系数低的PTFE纤维与增强纤维，即芳纶、碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维编织而成。工作时，PTFE纤维起润滑作用，而增强纤维则起承受载荷和提高黏结性能等作用［12］。一般来说，芳纶纤维织物复合材料的耐磨性能优于碳纤维织物复合材料，而碳纤维织物复合材料的减摩性能优于芳纶纤维织物复合材料［13］。

2.3 织物组织

通常按设计的织造密度，将组合纤维纺织成平纹、斜纹或缎纹等不同组织的织物［12］。3种织物组织各有特点，平纹组织因为经纬纱线每隔一根纱线就交织一次，因而交织点最多，纱线屈曲次数最多，织物坚牢、耐磨，但弹性较小；斜纹组织经纬纱线交织次数比平纹少，使经纬纱线间的空隙较小，纱线可紧密排列，从而织物密度较大，织物较为厚实，弹性比平纹好，但由于纱线浮长较长，因此，在纱线粗细、密度相同条件下，耐磨性、坚牢度比平纹织物差；缎纹组织由于交织点相距较远，单独组织点被两侧浮长线覆盖，正面看不出明显交织点，因而织物表面平滑，质地柔软，悬垂性较好，但耐磨性较差。织物自润滑衬垫作为纺织结构复合材料，不同组织的织物衬垫表面PTFE含量不同，且织物组织对自润滑衬垫的力学性能和摩擦性能有着重要影响。研究表明：平纹组织织物可以将PEI的抗磨损性能提高将近3倍，且摩擦系数较低，高载时与纯PEI和其他两种组织的织物增强PEI相比，摩擦系数减小了将近50%；而斜纹组织织物增强PEI的抗磨能力很差。这些聚合物的机械特性和磨损特性无必然联系，说明影响磨损的因素是织物组织，与机械特性无关。文献［14］认为不同组织的织物聚合物对磨屑的容纳能力不同也是导致聚合物摩擦磨损特性不同的原因，平纹组织容纳磨屑能力最好，有最好的抗磨性能，缎纹组织容纳磨屑能力最差，故抗磨性能最差。

2.4 黏合剂（树脂）

由于基体材料需具有抗热变形的性能，所以通常选用热固性树脂［2］。可以作为黏合剂的树脂有酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、硅树脂等［15］。关于树脂对织物衬垫性能的影响，一些研究表明树脂作用不明显，另一些研究却有相反的看法［16］。文献［15］考察了聚酰亚胺树脂、改性环氧树脂、酚醛-缩醛树脂和环氧树脂4种黏合剂对芳纶／PTFE纤维织物承载能力和摩擦学性能的影响，发现4种黏合剂和织物的黏合强度与织物薄层复合材料的承载能力及摩擦磨损之间并无对应关系。黏合强度高的聚酰亚胺黏合剂同织物组成的薄层复合材料并未显示出良好的承载能力和耐磨性，而酚醛树脂黏合剂同织物组成的薄层复合材料具有最好的摩擦学性能。

2.5 底材

织物自润滑衬垫采用合适的模具，经过加压、固化等工艺，黏结在关节轴承外圈（底材）内表面，底材的材质和性能将影响其导热性和承载能力等。采用聚合物底材时，织物复合材料的承载能力和耐磨性低于金属底材，除聚合物硬度低外，导热性差也是影响其承载能力和耐磨性的原因，但是聚合物外圈关节轴承与金属外圈关节轴承相比具有接触时不易发生电化学腐蚀，质量轻，成本低，易黏结等优点［15］。

2.6 织物表面处理

由于大多数纤维织物表面具有化学惰性，导致纤维织物与底材的黏结性不好，应用受到限制，因此许多研究者致力于通过表面处理技术，提高织物的黏结性能，从而改善衬垫的摩擦学性能。其中，等离子体处理、阳极氧化、浓酸处理、化学枝节、涂层处理技术应用较多［17-19］。等离子体处理可以在纤维织物的表面产生大量活性基团，使表面活性元素的含量明显增多，纤维织物的浸润性增大，提高了其与黏合剂的结合强度和结合量，增强了织物纤维束间的结合力；固化后与黏合剂构成很好的整体材料，增强了纤维束抗变形和抗断裂能力，使载荷和摩擦力可以平均分配在纤维上，避免应力集中，从而提高纤维织物复合材料的摩擦学性能和力学性能［17，20-21］。研究发现，碳纤维织物 采 用HNO3／H2SO4混 合 酸 氧 化 改 性［22］，Nomex纤维织物进行水解／接枝处理［18］，芳纶织物经丙酮、蒸馏水清洗及等离子体处理［19］，碳纤维织物／酚醛树脂表面沉积SiO2薄膜［23］，碳纤维织物聚合物进行强HNO3刻蚀、等离子轰击、阳极氧化3种表面处理［24］，均能明显提高纤维织物复合材料的摩擦磨损性能。

2.7 填充剂改性

最初，在聚合物中添加填充剂（填料）的目的在于增量和降低成本，但是随着聚合物复合材料的发展，人们认识到很多填充剂由于具有特殊的物理化学性质，能改善聚合物的力学性能（如硬度、刚度、抗压强度、抗拉强度、抗冲击强度等）、加工性能和热性能等［25］。近年来随着纳米技术在摩擦学中的应用日益广泛，且纳米微粒本身具有奇异的表面效应及量子尺寸效应，纳米填料的物理和化学特性不同于常规微米填料，因此在织物复合材料中填充纳米粒子，如Al2O3，CaCO3，TiO2等对织物复合材料进行改性，同样成为当前的一个研究热点。填充剂在聚合物复合材料中的作用，概括起来就是增量、增强和赋予新功能［26］。文献［27］研究指出，采用加有质量分数w（Sb2O3）＝10%的酚醛树脂胶液浸渍处理的混合织物，其磨损率下降，摩擦系数在不同载荷和温度下减小；而填充氰尿酸三聚氰胺则加速了摩擦磨损。文献［28］研究表明，添加一定量的纳米SiO2可以显著提高玻璃纤维／PTFE纤维混杂织物的抗磨性能和承载能力，并且在较高的载荷下可以提高其减摩性能。文献［29］对聚四氟蜡（PFW）填充Kevlar纤维织物复合材料的摩擦磨损性能进行了研究，发现当w（PFW）＝20%时，Kevlar纤维织物复合材料的摩擦系数减小75%，磨损率降低82%，Kevlar纤维织物复合材料的减摩抗磨性能最佳。文献［30］将石墨粉体加入到碳纤维织物／酚醛树脂复合材料中，明显提高了聚合物的抗磨性能。

2.8 对偶面

多年来人们一直认为在地面运输悬挂系统以及直升机飞行控制和旋转系统等低应力、高频率、小振幅工作场合所使用的织物自润滑衬垫，其对偶面应具有极高硬度和表面光洁度［31-33］。对偶面采用极高硬度的初衷是，防止较硬材料的碎屑（如来自衬垫的树脂微粒以及来自对偶面的金属微粒）划伤对偶面，因为一旦损坏了对偶面的光洁度，那些不规则或粗糙区域就会进一步损伤衬垫，产生更多的衬垫碎屑，导致轴承游隙增加，进而导致轴承寿命降低［31］。因此，针对不同的内圈材料，对内圈外球面要采用不同的特殊工艺处理，如表面磷化、镀铬等，以提高其摩擦学性能［12，34］。文献［6］在钛合金内圈的外球面形成一层氮化物渗透层，通过加工使表面粗糙度低于18 nm。文献［35］通过PVD方法在钛合金内圈外球面形成一层TiN处理层。为了提高自润滑关节轴承的性能，文献［36］提出内圈用陶瓷材料，使其与织物自润滑衬垫形成的工作副有更优异的性能。SKF公司已经为直升机生产厂家提供了内圈外球面镀有极高硬度的陶瓷涂层的自润滑关节轴承，在外圈内球面粘有PTFE／玻璃纤维编织的复合衬垫，这种自润滑关节轴承承载力更大、寿命更长，主要应用于直升飞机的主级和次级飞行控制系统［37］。

3 性能评价指标

由于织物自润滑衬垫的性能受工况条件、制备工艺等诸多因素的影响，且织物自润滑衬垫直接影响着织物自润滑关节轴承的耐冲击、长寿命、自润滑等特性，因此对织物自润滑衬垫综合性能进行预测和评价显得尤为重要。文献［38-39］分别对低速摆动条件下，织物自润滑衬垫性能提出了详细的评价指标。文献［38］对织物自润滑衬垫的黏结和磨损性能要求如下：黏结强度应不小于0.35 N／mm；环境温度为常温、163，-23℃以及液体浸泡后，轴承运转25 000周摆动试验时，衬垫磨损量分别小于0.11，0.15，0.20和0.15 mm。目前，对于织物自润滑衬垫性能指标的评价，通常通过大量的台架试验，模拟关节轴承在实际应用中的典型工况条件，考察织物自润滑衬垫的承载能力及摩擦磨损性能，以便于对织物自润滑衬垫寿命进行预测，对织物衬垫的设计和发展提供参考。

4 研究展望

近年来，随着自润滑关节轴承越来越广泛的应用，织物自润滑衬垫的摩擦磨损性能得到了更多的关注。未来织物自润滑衬垫可从以下方面进行研究：

（1）进一步研究织物自润滑衬垫摩擦、磨损和润滑机理，针对不同工况条件，优化织物衬垫的材料、结构、制备及黏结工艺等，以提高织物自润滑衬垫的承载能力、热传导性能、减摩抗磨性能，从而提高织物自润滑关节轴承的可靠性，延长使用寿命。

（2）逐步制定并完善织物自润滑衬垫试验评价标准及试验评价规范，研制并建立织物自润滑衬垫专用试验平台，提高织物自润滑衬垫的评价方法和手段。

（3）采用有限元等手段对织物自润滑衬垫建立热力学和动力学模型，结合试验数据，进行仿真研究。