保持架用工程塑料的热性能

孙小波，王枫，冯颖,王子君，李建华

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

工程塑料具有优异的特性，被广泛地用作轴承保持架材料[1-2]。常用的工程塑料有尼龙(聚酰胺)、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮及其改性复合材料。工程塑料保持架的温度范围要求很宽，一般为-253～ 280 ℃。而工程塑料热性能差异性大，随着温度的变化，工程塑料性能将发生显著变化。因此工程塑料的选取显得格外重要，若选用不当，仅仅因工程塑料保持架受热变形引起的“抱轴咬死”现象就会导致轴承失效[3]。

热性能是选用工程塑料保持架材料首先面对的问题。工程塑料的热性能指标繁多，如高温耐热性能、低温热性能、内在基础热性能等。由于测试标准及条件不统一，使得材料厂家提供的数据差异性大。如何正确理解并比较工程塑料的众多热性能参数及其内在关联，尚无文献系统介绍。保持架用工程塑料要求在低温、室温或较高温度下均具有较高的综合性能，而工程塑料的性能随着温度的改变会有不同形式和程度的变化，了解其变化规律对于选用保持架材料至关重要。

1 塑料保持架材料的热性能

热性能是与热或温度有关的性能的总称，目前，可用于制作轴承保持架的热固性工程塑料较少，故本例所述均为热塑性工程塑料。工程塑料的热性能一般可分为高温耐热性能、低温热性能和内在热性能，其分类情况见表1。

表1 工程塑料的热性能分类

1.1 短期高温耐热性能

工程塑料的短期高温耐热性能体现在高温时的刚度和强度水平，高温下的刚度和强度水平应被视为设计时要考虑的重要因素。常用的评价指标有热变形温度和维卡软化温度。

1.1.1 热变形温度(HDT)

热变形温度的研究对象是宏观结构性能，是表达被测物的受热和变形之间关系的重要参数，其与高温下的刚度有关，是衡量工程塑料短期耐热性能常用的重要指标之一，相应的测试标准有GB/T 1634.2—2004，ASTM D 648—2007和ISO 72-2:2004。一般而言，对无定形工程塑料，热变形温度比玻璃化转变温度低10～20 ℃；对半结晶工程塑料，热变形温度可接近于熔融温度。

1.1.2 维卡软化温度(VST)

维卡软化温度评价的是材料载荷下短期耐热性能，反映制品在受热条件下物理力学性能的指标之一，相应的测试标准有GB/T 1633—2000，ISO 306:1994和ASTM D 1525—2009。维卡软化温度虽不能直接用于评价材料的实际使用温度，但可以用来指导材料的质量控制。维卡软化温度越高，表明材料耐热变形能力越好，刚度越大，模量越高。

1.1.3 两种指标之间的关系

热变形温度和维卡软化温度均是评价塑料短期的耐热性能，均是指在一定载荷下，其达到某一规定形变值时的温度，该温度值可统称为塑料的软化点。但由于采用的测试方法不同、标准不一，故测试结果相互之间无定量关系。试验测得的热变形温度和维卡软化点仅适用于控制质量和作为鉴定新品种热性能的一个指标，不代表材料的使用温度。

1.2 长期高温耐热性能

工程塑料在高温下容易发生热降解，而较高温度下的保持架是在“机械应力和较为苛刻的化学物理环境中使用”。因此，对设计者来说，了解材料暴露于有氧环境下和受热数千个小时之后的性能水平至关重要。

工程塑料的长期高温耐热性分为两种：(1)附加载荷，常用的评价指标为耐蠕变性，下文不作赘述；(2)无附加载荷，常见的评价指标有长期连续使用温度(CUT)、相对温度指数(RTI)和绝对真实使用温度(ARO)。CUT定义为给定材料的力学性能在一定时间内下降50%时的温度，主要用作汽车行业选材标准(杜邦公司规定为连续暴露在高温下1 000 h，抗拉强度降低50%时的温度)；RTI在一定程度上可被认为是具有很长半使用周期的连续使用温度；ARO是指材料在指定工况下老化指定时间后并在一定温度下测得的数值，如在150 ℃经过5 000 h老化后，在150℃时测得的值。

CUT和RTI只考虑材料性能的保持比例情况，在室温下测定材料热老化后的性能，与实际情况不符。而ARO克服了CUT和RTI的缺点，但由于使用温度不同，相应数据极少。

1.3 工程塑料低温热性能

工程塑料的低温热性能以冲击脆化温度(TB)表示，一般指在规定试验条件下试样破损率为50%时的温度。现行的相应标准为GB/T 5470—2008或ASTM D7 46:2007。随着温度逐渐降低，工程塑料会变得越来越硬而脆，这是由于聚合物分子链的活动性变得越来越小的缘故。脆化温度是工程塑料正常使用的温度下限。

1.4 热基础特征温度

该指标可分为物理耐热性温度和化学稳定性温度，均表示工程塑料在无载荷条件下的特征温度。物理耐热性温度包含玻璃化转变温度(Tg)和熔融温度(Tm)；化学稳定性温度指工程塑料分子键的热稳定性，其衡量指标为热分解温度。

1.4.1 玻璃化转变温度

对于保持架用工程塑料，玻璃化转变温度是最主要的热基础物性，是大分子链链段由不能运动到开始运动的转折温度，是工程塑料熔融前刚度发生最大变化的温度。低于玻璃化转变温度时，聚合物材料中的无定形和半结晶区域呈刚硬状态。因此，无定形热塑性塑料仅在玻璃化转变温度以下才适宜制造结构材料，半结晶热塑性塑料在高于其玻璃化转变温度的一定范围内仍能保持一定的刚度。

1.4.2 热基础特征温度之间的关系

无定形和半结晶工程塑料在不同温度范围内，大分子运动的程度不同。对于无定形工程塑料，温度大于Tg，工程塑料便进入黏弹态，所以温度小于Tg时才具有实用意义。对于半结晶工程塑料，温度在Tg以上一定范围内仍可以维持结构稳定[4]；温度继续升高至Tm，半结晶工程塑料发生熔融；温度继续升高到一定程度，链段及分子结构分解，达到分解温度。

工程塑料的热基础特征温度的关系为：玻璃化转变温度<熔融温度<热分解温度。保持架常用工程塑料的部分热性能参数见表2。

表2 保持架常用工程塑料的部分热性能

2 温度影响工程塑料性能的机理

工程塑料的温度效应明显，温度影响聚合物活动单元活化的能量，工程塑料产生的物理变化(如软化、熔融)、化学变化(如降解、分解)是工程塑料受热后性能变化的主要原因。工程塑料有玻璃态、高弹态和黏流态3种力学状态，温度对工程塑料的影响如图1和图2所示。当温度小于玻璃化转变温度时，工程塑料处于玻璃态，表现为刚度固体，在外力作用下形变非常小，具有较高的强度和刚度。

图1 工程塑料状态与温度和分子量的关系

图2 工程塑料在恒定应力下的加热曲线

对于无定形工程塑料，当温度超过玻璃化转变温度时，内部分子结构按不规则排列，形变显著增大，并在随后的一定温度区间形变相对稳定，材料渐渐软化进入黏弹态，强度迅速下降。在只有几摄氏度范围的转变温度区间前后，模量将改变3～5个数量级，使材料使用性能发生改变。所以无定形热塑性塑料仅在玻璃化转变温度以下才有实用意义[5]。

对于半结晶型工程塑料，虽然其中仍含有部分无定形结构，但其物理状态和无定形高聚合物不同，半结晶聚合物也有玻璃态、黏弹态和黏流态，不同的是半结晶聚合物的黏弹态可分为皮革态和橡胶态。半结晶型工程塑料结晶度可达30%～90%，内部分子结构高度整齐，有固定的熔点，无定形区发生了链段运动，而结晶区还未熔融，没有链段运动。所以在大于玻璃化转变温度的一定范围内，不会慢慢变软，变形仍较小，强度和刚度保持率较高，扩大了工程塑料的温度使用范围。如聚醚醚酮玻璃化转变温度为143 ℃，但其最大结晶度可达35%，因此在200 ℃还保持较高的力学强度[6]。

温度继续升高变形量继续增大，材料逐渐变成黏性流体，无定形和半结晶型工程塑料均进入黏流态，失去应用价值。

3 温度对保持架用工程塑料性能的影响

3.1 抗拉强度

随着温度的升高，工程塑料保持架的抗拉强度呈下降趋势。对于无定形工程塑料，玻璃化转变温度是其使用温度的上限。通常，当温度达到Tg以下20～25 ℃时，分子链运动加剧，树脂开始软化，抗拉强度下降，故长期使用温度应在Tg以下20～25 ℃[7]。而对于半结晶性工程塑料，玻璃化转变温度越高，结晶度越大，高温强度保持率越高。常用的几种工程塑料保持架材料抗拉强度随温度的变化曲线如图3所示，可以看出，随着温度的升高，抗拉强度呈下降趋势；尤其是VESPEL®SP产品抗拉强度随温度升高呈线性下降趋势。

图3 常用工程塑料抗拉强度随温度的变化曲线

3.2 摩擦磨损性能

随着温度的升高，工程塑料保持架的磨损逐渐增大，同时，撕裂也变得容易发展。摩擦过程产生大量的热量，会使部件温度升高，尤其是在系统散热能力有限的情况下，耐磨能力降低。

PTFE在不同温度下的摩擦因数和磨痕宽度[8]如图4所示，可以看出，PTFE的摩擦因数随着温度的升高而降低，这是由于温升改善了PTFE分子链的运动状况；也更容易产生塑性变形，这对于转移膜的形成均产生积极的影响。而PTFE的磨痕宽度随着温度升高呈逐渐增大趋势。

图4 温度对PTFE摩擦因数和磨痕宽度的影响

文献[9]研究温度对聚酰亚胺(YS20)摩擦性能的影响时发现， PI的摩擦因数随温度升高而增大，最大值达0.66，之后降低至0.16。分析认为：PI是热的不良导体，摩擦热主要集中于摩擦表面层，并使摩擦表面层的温度大于PI的Tg，PI摩擦表面层的物理状态不同，从而表现出不同的摩擦行为。在较低环境温度下(小于110 ℃)，摩擦温升使YS20-PI真实接触的表面微凸体出现髙弹态，表面层为玻璃态，此时摩擦因数较低，磨损仅发生在这些小的微凸体表层，此时产生的只是细微粒状磨屑；随着温度的升高，表面出现连续并具有一定厚度的高弹态层，此时真实接触面积增大，黏着磨损和犁沟磨损均增大，摩擦因数升高；当环境温度升高到111～200 ℃时，摩擦使材料表面产生了黏流层，其黏度逐渐降低，厚度不断增加，使摩擦因数迅速降低，此时产生片状磨屑；当环境温度高于200 ℃时，摩擦热使PI表面出现黏度低且厚度更大的黏流层，PI的分子链段在摩擦力作用下更容易发生沿滑动方向的运动，摩擦因数进一步降低，此时产生细长条状磨屑，形成的犁沟更宽更深，磨损相当严重。

3.3 膨胀系数

保持架用工程塑料线膨胀系数随温度的变化如图5所示，对于无定形工程塑料，从图中可以看出，随着温度的升高(

图5 工程塑料线膨胀系数随温度的变化示意图

保持架用工程塑料体积膨胀系数随温度的变化如图6所示，可以看出，随着温度提高(

图6 工程塑料体积随温度的变化示意图

3.4 弹性模量

工程塑料弹性模量随温度的变化如图7所示(图中lnG表示弹性模量的ln对数)，当温度低于Tg时，呈玻璃态，弹性模量较高，随着温度升高，弹性模量变化量很小。当温度大于Tg时，玻璃态逐渐开始向高弹态转变，无定形工程塑料的弹性模量急剧降低高达3～5个数量级，半结晶工程塑料弹性模量也显著降低，但幅度小于无定形工程塑料。之后工程塑料的弹性模量几乎不随温度变化而改变，此后一定温度范围内(半结晶工程塑料，温度低于Tm时)处于高弹态平台期。温度继续升高，无定形工程塑料逐渐出现流动态，弹性模量急剧下降。温度升高到Tm时，半结晶工程塑料出现熔融，进入流动态，弹性模量几近丧失。

图7 工程塑料弹性模量随温度的变化示意图

常见工程塑料的弹性模量随温度的变化曲线如图8所示，可以看出，随着温度的升高，弹性模量呈逐渐降低的趋势。对于无定形聚醚酰亚胺，当温度达到Tg时，弹性模量急剧降低；对于半结晶工程塑料，如PEEK，由于其结晶度较大，温度达到Tg时，弹性模量降低幅度较小。

图8 几种工程塑料弹性模量随温度的变化曲线

3.5 蠕变

蠕变反映保持架的尺寸稳定性，轴承运转时保持架受力复杂，工程塑料保持架必须具有较高的耐蠕变性能，而其蠕变性能受温度影响显著，是一种典型的松弛过程。温度较低时，蠕变很小而且很慢，在短时间内不易觉察；温度过高，形变过快，也不易察觉其蠕变现象；唯有温度在Tg以上不多时，链段在外力下可以滑动，蠕变现象明显[10]。

工程塑料于玻璃态时，链段运动比较困难，蠕变随时间变化很小。温度大于Tg时，工程塑料进入髙弹态，链段很容易运动，蠕变速率达到极大值。在实际应用中，如要避免明显的蠕变不应该在Tg附近使用，通常保持架用无定形工程塑料的使用温度上限应在Tg以下20～30 ℃。对于半结晶工程塑料，高结晶性使材料在温度大于Tg时仍具有良好的刚度，故其耐蠕变性能较为突出。

4 保持架用工程塑料的选用

保持架用工程塑料种类繁多，面对众多的工程塑料及其改性制品，需要以轴承的应用工况并结合保持架对工程塑料性能的要求为出发点和依据，综合选出高性价比的材料。图9为保持架用工程塑料选材时需考虑的因素，可以看出，除了考虑制约因素、化学因素、环境和物理因素外，还要考虑工程塑料的热力学性能，尤其是高温性能。

图9 保持架用工程塑料选材时需考虑的因素

工程塑料的高温耐热性只要满足相应使用要求即可，太高会造成材料成本急剧上升，若有可能尽量选用通用工程塑料。要充分考虑工程塑料的环境(包含介质、有氧或无氧和载荷等)和耐热性能，如聚酰亚胺耐高温性高于聚醚醚酮，但其在抗水解方面较聚醚醚酮差一些[11]。值得一提的是，文中提及的材料数据均由特定的测试得来，并没有考虑保持架的性能要求。对于保持架用工程塑料的选用，设计者应充分考虑“高温-时间-环境-性能”之间的平衡。