碳纤维缠绕复合石墨轴承的特性及制备方法

程诺，侯玉杰，李秋霞

（成都中超碳素科技有限公司，成都 610000）

1 引言

轴承是机械工业中常用的一种机械零部件。石墨轴承是随着机械设备的性能要求，在金属轴承的基础上发展起来的一类新型轴承，主要用于高温及低温，高速及低速滑动情况下；对有强腐蚀作用的气体及液体介质有很好的耐腐性能；以及用于航天、特种工况机器人关节、食品、纺织、化工等行业中的运输机、干燥机、纺织机、潜水泵电机等设备中的轴承，这些部位如用油脂润滑剂等将不可避免的会引起污染，而石墨轴承的自润滑性很强，可在不使用润滑油的情况下而进行长期运转。

2 现有石墨轴承及存在的缺陷

图1 镶金属石墨轴承结构图Fig.1 Principal scheme of inlaid metal graphite bearing

由于碳石墨材料是一种脆性材料，其本身所固有的强度不高，因而使用范围受到了很多限制，为了提高石墨轴承的机械强度，通常需要在石墨轴承外热装金属套以增强整体石墨轴承强度，扩大使用范围。其结构见图1,但热装金属套的石墨轴承在提高了整体强度的同时也存在着如下问题。

2.1 耐腐蚀性受到限制

虽然这种表面装有钢套的轴承克服了强度不足的问题，达到了要求的机械强度，但由于钢件外套的存在，其耐腐蚀性的能力变差，在强酸、强碱等具有强腐蚀性液体、气体的情况下，钢件外套极易被腐蚀，即使选择价格昂贵的耐化学腐蚀的金属外套，其耐腐蚀性仍然不可能达到单纯的碳石墨材料，因此在有腐蚀性介质的情况下，镶金属石墨轴承的使用受到了极大的限制。

2.2 使用温度受到了限制

在高温情况下，由于钢件外套与碳石墨材料的热膨胀系数不一致，大约使用温度在600℃左右时，热装的组合轴承很容易出现碳石墨套从外部钢套中松动、甚至整体脱落出来的情况，造成组合轴承件失效，因此，温度也是限制镶金属石墨轴承使用范围的一大因素。

2.3 导热系数不一致

即使在无腐蚀、无高温的情况下，轴承在运转过程中，石墨部分会与其接触部件因摩擦产生大量的热，而碳石墨和外面的金属钢套的导热系数不一致，这种结构的轴承在使用过程中产生的热量不容易导出去，内外部分会存在温差，易产生疱疤以及电化学现象，从而使轴承失效。

由于上述问题使热装金属的石墨轴承在使用范围受到了很大的限制。如何扩大石墨轴承的使用范围是我们急需解决的问题，通过多年的研究、实验，我们终于生产研制出了一款新型石墨轴承——碳纤维缠绕复合石墨轴承。

3 碳纤维缠绕复合轴承

碳纤维缠绕复合轴承是指在碳石墨轴承套的表面缠绕一层单边约5毫米厚的碳纤维，并通过高温烧结-浸渍-固化-再次高温烧结等工艺处理，从而得到所需的碳纤维缠绕石墨轴承，其结构如图2所示。

碳纤维缠绕复合石墨轴承刚好解决了现有石墨轴承存在的不足之处，具有热膨胀系数一致、承载能力强、耐冲击、耐高温、自润滑性强、免维护、抗酸碱腐蚀、足够的机械强度和抗冲击性能的复合轴承，特别适用于重载、高温、低速、难以注油等场合。

图2 碳纤维缠绕轴承结构图Fig.2 Principal scheme of carbon fiber wound graphite bearing

3.1 碳纤维缠绕石墨的优点

3.1.1 兼具自润滑性和机械强度

碳纤维缠绕轴承由于内部是碳石墨材质，石墨晶格内的碳原子按正六角形排列于各平面上，在每一个平面上，碳原子的结合力很强，而平面与平面之间由于距离较大，它们之间的范德华作用力很弱，因此在外力的作用下，层与层之间易于离开和相对滑动，这是石墨材料具有自润滑性能的根本原因，另外由于石墨材料和大部分的金属材料有较强的附着力，因此在与金属对磨时，剥落下来的石墨很容易附着在金属表面，形成一层石墨润滑膜，从而大大的较低了磨损和摩擦系数，因此，碳纤维缠绕复合轴承具有良好的自润滑性。而在工作时，碳纤维缠绕层承担大部分载荷，其机械强度相当于碳石墨材料的5倍，可与镶金属石墨轴承媲美。

3.1.2 良好的化学稳定性

综上所述,大株红景天注射液联合曲美他嗪治疗冠心病心力衰竭能够发发挥出比曲美他嗪治疗冠心病心力衰竭更佳的治疗效果,患者的治疗有效性明显提高,不良问题发生率明显降低,患者的心功能得到了明显的优化,因而应该在临床领域大力推广“大株红景天注射液+曲美他嗪”的冠心病心力衰竭治疗办法。

碳纤维缠绕复合石墨轴承由于内外部分都是碳、碳纤维材料，而碳石墨类材料是一种化学稳定性极高的材料，正真的纯碳材料无论是在有机溶剂还是无机溶剂中都不溶解，在大部分的酸、碱、盐中都不反应、不腐蚀，其碳石墨制品的化学相容性见表一。许多场合使用轴承时必须将轴承浸没在汽油、喷气式发动机燃料或其他有机液体中运转，这些流体能溶解而且从滚动元件或金属轴承套中将油脂或润滑剂带走，还有其他一些情况，轴承必须浸没在盐酸或者氢氟酸中，这些情况下一般都有碳石墨轴承来替代密封或者滚动轴承[1]，在强酸、强碱等具有强腐蚀性液体的情况下，碳纤维缠绕复合石墨轴承的其耐腐蚀性可以达到单纯的碳石墨材料的效果问题，因此碳纤维缠绕复合轴承具有良好的化学稳定性。

表1 碳石墨制品的化学相容性[2]Table 1 Chemical compatability of manufactured carbon

3.1.3 良好的耐高、低温性

碳纤维缠绕复合石墨轴承，不仅提高了轴承的强度，解决了现有技术镶金属石墨轴承，由于金属和碳材料的热膨胀系数不一致，在温度较高的情况下，易产生脱落，松动，使轴承失效的问题。碳纤维缠绕轴承由两部分组成，由于碳纤维材料和碳石墨材料的热膨胀系数基本相同，其耐热度100%相当于碳素制品，即使在高温的状况下，也不会出现相互松动、脱落的现象，通过实验证明，一般的石墨轴承的使用温度为200℃，而真正的纯碳石墨轴承使用温度可达500℃，其抗氧化性的实验数据见表二，如果在真空或者保护气氛下，其使用温度可达1000℃以上，石墨的机械强度随温度升高而增加，当从室温升高到2500℃时，强度约增加为两倍。

表2 碳石墨材料的耐高温实验数据Table 2 temperate test data of carbon graphite material

在-40℃以下时，大多数类润滑油要凝固或粘稠，使轴承类的功率损耗急剧增加，因为碳石墨轴承具有自润滑性，所以即使在低温环境中也可以运转而无损于转轴，碳石墨制品在制冷环境中使用的潜力首先由Wisander等人做了深入的研究，他们的这项研究由Bisson和Hadg等人作了推广，由于这项开创性研究结果，现在的碳石墨轴承已经广泛的使用于液氧和液氢泵中[3]。

3.1.4 碳纤维缠绕复合石墨轴承的其他性能

大剂量的辐射对多数油脂、塑料、金属都存在有害影响，但Χ射线、β射线、γ射线对碳石墨制品是不起作用的，因此碳纤维缠绕复合石墨轴承具有很强的抗辐射能力。而用于航天、航空等场合，由于强大的离心力等作用，用油或者脂的轴承很快就会失掉它的润滑剂，因此碳纤维缠绕复合碳石墨轴承由于它的自润滑性、自身重量轻（其密度相当于铁等金属的1/4～1/5)、强度高等特性，广泛的应用在航天航空领域。 碳石墨轴承和其他轴承比较，还具有导热性好，线膨胀系数小，能耐急热急冷等性能。

3.2 碳纤维缠绕轴承的加工方法

其加工方法如下：先加工好石墨轴承套，在碳石墨轴承套的表面缠绕一层单边约5毫米厚的碳纤维，通过高温烧结-浸渍-固化-高温烧结等工艺处理，从而得到所需的碳纤维缠绕石墨轴承，其结构如图3所示。

图3 碳纤维缠绕轴承结构图Fig.3 Principal scheme of carbon fiber wound graphite bearing

具体加工案例（要求碳纤维缠绕轴承成品规格¢110*80*120）

第一步，碳纤维缠绕碳石墨轴承包括先加工好石墨芯轴套2，规格尺寸为¢105*70*130。

第二步，然后利用专业的缠绕设备，在石墨芯轴套的表面缠绕一层编织碳纤维层，其规格尺寸为¢115*70*130。表面碳纤维缠绕层1的单边厚度至少为5mm，其缠绕的碳纤维层厚度与最终的轴承尺寸、轴承所受载荷成正比。

第三步，将缠绕好的石墨轴承，放入有气体保护的电炉中，通过10个小时的加热，最高温度600，并恒温2小时，该步骤的主要目的是烧掉碳纤维中的树脂成分，使其部分碳化，腾出空间，为下一步做准备。

第四步，将烧结后的碳纤维缠绕轴承放入反应釜中，浸渍树脂，然后放入固化罐中，抽真空，加压至少0.6MPa,升温到200℃进行固化。

第五步，固化完成后的碳纤维缠绕轴承再次放入有气体保护的电炉中，通过10小时的加热，最高温度800℃，使浸渍进去的树脂碳化，这种同体烧结，一能够填充表面碳纤维上的间隙，另外也能够填充碳纤维层与芯轴套之间的间隙，从而让碳纤维表层和芯轴套通过树脂的固化物更牢固的连接在一起。

第六步，粗车内外圆和端面，以及内部和端面的油槽。

第七步，按图纸要求精车外圆，磨内孔，抛光端面。

4 结论

由于碳纤维缠绕轴承独特的性能优势，在工作时，碳纤维缠绕层承担大部分负荷，而内部的碳石墨材料，在与轴的运转过程中，固体润滑剂通过转移和反转移，在摩擦面上形成润滑良好、附着均匀的润滑转移膜。随着轴承的连续运行，大幅度降低了工作磨损，优良的自润滑性，足够的机械强度和抗冲击性能、较高的导热率和热稳定性能和良好的抗化学腐蚀性保证了长期运行的良好润滑，突破了普通轴承依靠油膜润滑的界限，具有承载能力强、耐冲击、耐高温、摩擦系数低、磨损小、低噪音、自润滑性强、免维护、抗酸碱腐蚀、不怕水冲等优点。工作寿命长，环保节能，效果显著。特别适用于重载、高温、低速、难以注油的场合。大大的拓展了轴承的使用范围，广泛应用于矿山、化工、冶金、水利、建筑，航空、航天等领域。