低温陶瓷轴承自润滑材料制备及其转移膜润滑机理分析

论文摘要

随着空间技术的发展,一些深冷高速重载极苛刻工况条件下工作的轴承如氢氧火箭发动机涡轮泵用滚动轴承只能依靠保持架提供的转移膜来润滑,工作条件十分恶劣,我国正在研制的大推力火箭发动机与将来可重复使用运载系统都对发展长寿命高可靠转移膜润滑材料提出了迫切而苛刻的要求,因此,研制新型自润滑保持架材料并揭示其润滑机理对解决超低温条件下轴承的延寿及可靠性问题具有重要意义。本文分析了在超低温条件下与保持架有关的滚动轴承的主要失效形式,提出了相应的自润滑保持架材料的成分设计依据,设计了四种材料组分方案。研究了PTFE基自润滑复合材料成型工艺条件,确定了合理的搅拌速度、压制压力和烧结温度曲线。考察了每种方案中增强剂含量对复合材料摩擦磨损性能和力学性能的影响。测试结果表明:四种方案中,碳纤维增强PTFE复合材料的摩擦系数最大,其范围在0.2～0.25之间,磨损率也较高,当碳纤维含量由10%增加到20%时,复合材料抗冲击能力较好;其它三种方案中复合材料的摩擦系数在0.15～0.18之间,磨损率也较低,其中聚苯酯和PAB纤维增强PTFE复合材料的耐磨性最好,石墨和纳米ZnO均能降低复合材料的冲击韧性,当聚苯酯含量低于15%时,复合材料的冲击韧性较高。综合考虑摩擦磨损特性和冲击韧性,在每种方案中优选出摩擦系数较低、耐磨性适中和冲击韧性较好的复合材料。测试了优选出的复合材料的动态力学特性,研究结果表明:在25℃~200℃之间,在同一温度下,除填充碳纤维复合材料的储能模量与纯PTFE接近外,其它复合材料的储能模量均比纯PTFE高;在实验测试温度范围内,填充增强剂后,可明显降低复合材料的损耗因子,从而可降低复合材料的形变迟滞摩擦系数。研究了PTFE及其复合材料的热膨胀特性及导热性能。研究结果表明:PTFE及其复合材料在15℃～32℃之间发生结晶转变与结晶松弛,宏观表现为体积突然膨胀,而保持架的加工温度恰好在此范围内,因此,保持架在加工和检测时,要考虑复合材料由于结晶转变和结晶松弛造成的尺寸误差。由于复合材料线膨胀系数比金属线膨胀系数大,在大温差环境下导向配合间隙受温度的影响变化显著。PTFE中填充石墨可明显改善其导热性能,除石墨外,填充纤维对复合材料导热率的提高比填充粉末材料显著。研究结果为精确设计保持架结构参数和优化加工工艺提供了依据。探讨了PTFE基自润滑复合材料结构特性和环境温度及工况条件对其摩擦性能影响机理;并且用XPS分析了在干摩擦和在液氮介质中形成的转移膜的化学成分及转移膜与对偶件表面发生的化学反应。研究结果表明:影响聚合物基复合材料摩擦系数的主要因素是复合材料与对偶件之间的分子作用力、名义接触应力、复合材料的损耗因子、硬度、储能模量。纳米ZnO/PAB/PTFE复合材料与9Cr18对摩,在干摩擦条件下形成的转移膜厚而致密,在低温条件下形成的转移膜薄且不连续。两种条件下形成的转移膜都存在PTFE中的部分CF2键断裂,F原子与钢销表面的Fe发生化学反应,生成FeF3。研制了低温高速摩擦实验系统,测试了5种PTFE基复合材料在液氮介质中的摩擦性能及极限PV值,并计算了复合材料接触表面的温度。实验结果表明:在液氮介质中,碳纤维增强PTFE复合材料与9Cr18对摩的摩擦系数和与Si3N4对摩的摩擦系数比较接近,其它四种复合材料与9Cr18对摩的摩擦系数比与Si3N4对摩的小。聚苯酯和PAB纤维增强PTFE复合材料在液氮介质中与9Cr18和Si3N4对摩,当载荷一定的情况下,摩擦系数都随着速度的增大而增大,当速度一定时,摩擦系数都随着载荷的增大而减小。无论复合材料与9Cr18对摩还是与Si3N4对摩,碳纤维增强PTFE复合材料的极限PV值最小,而聚苯酯和PAB纤维增强PTFE复合材料的极限PV值最大。影响聚合物基复合材料极限PV值的主要因素是:复合材料与对偶件的摩擦系数、复合材料动态力学性能温度谱中的γ转变温度,以及对偶件的热特性参数和密度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题应用背景及意义
• 1.2 超低温环境固体润滑研究发展现状
• 1.2.1 超低温环境及其特性分析
• 1.2.2 超低温条件下聚合物基自润滑复合材料的摩擦磨损性能
• 1.2.3 超低温轴承实验研究
• 1.2.4 超低温摩擦实验测试系统
• 1.3 复合材料的热性能研究
• 1.3.1 聚合物基复合材料摩擦表面温度分析模型
• 1.3.2 聚合物基复合材料导热性能研究
• 1.4 复合材料等效弹性模量计算方法
• 1.4.1 Eshelby等效夹杂理论
• 1.4.2 复合材料等效弹性模量的自洽理论
• 1.4.3 复合材料等效弹性模量的Mori-Tanaka方法
• 1.5 课题来源及学位论文研究的主要内容
• 第2章 自润滑复合材料的制备与摩擦性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 超低温条件下与保持架有关的滚动轴承的主要失效形式
• 2.2.1 保持架的过量磨损
• 2.2.2 热失稳导致的胶合
• 2.2.3 保持架断裂
• 2.3 自润滑复合材料组元构成设计
• 2.3.1 基体材料分子结构及摩擦学性能分析
• 2.3.2 各增强体的分子结构及力学性能分析
• 2.4 PTFE基自润滑复合材料制备工艺设计
• 2.4.1 原料共混工艺设计
• 2.4.2 混合粉压制工艺设计
• 2.4.3 制品烧结工艺设计
• 2.5 自润滑复合材料摩擦学性能试验研究
• 2.5.1 原料及测试实验设备
• 2.5.2 增强剂成分及配比对复合材料摩擦磨损性能的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 自润滑复合材料力学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 增强剂成分及配比对复合材料冲击韧性的影响
• 3.3 环境温度对复合材料冲击韧性的影响
• 3.4 聚合物基自润滑复合材料黏弹特性分析
• 3.4.1 聚合物的黏弹特性
• 3.4.2 力学损耗
• 3.4.3 PTFE基复合材料动态力学性能研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 PTFE基复合材料热性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 测试仪器与方法
• 4.3 PTFE基复合材料热膨胀系数分析
• 4.3.1 PTFE基复合材料结晶转变与结晶松弛的研究
• 4.3.2 PTFE基复合材料热膨胀系数对保持架设计和加工的影响
• 4.4 自润滑复合材料导热性能研究
• 4.4.1 填充剂成分对复合材料导热性能的影响
• 4.4.2 温度对复合材料热导率的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 自润滑复合材料摩擦机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料结构特性对聚合物基复合材料摩擦性能影响机理分析
• 5.2.1 聚合物基自润滑复合材料的摩擦磨损特性
• 5.2.2 影响聚合物基自润滑复合材料摩擦系数的主要因素
• 5.2.3 材料成分对聚合物基自润滑复合材料摩擦性能影响机理分析
• 5.2.4 复合材料等效弹性模量的计算
• 5.3 温度及工况条件对聚合物基复合材料摩擦性能影响机理分析
• 5.3.1 实验仪器与方法
• 5.3.2 温度对复合材料摩擦磨损性能影响的机理分析
• 5.3.3 载荷对复合材料摩擦磨损性能影响的机理分析
• 5.3.4 速度对复合材料摩擦磨损性能影响的机理分析
• 5.4 转移膜的化学成分分析
• 5.4.1 实验仪器与测试方法
• 5.4.2 转移膜的XPS 分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 复合材料低温高速摩擦实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 低温高速摩擦实验系统
• 6.2.1 低温高速摩擦实验系统总体结构
• 6.2.2 低温高速摩擦实验系统的结构设计
• 6.3 低温高速条件下复合材料摩擦实验研究
• 6.3.1 增强剂成分和配比对复合材料摩擦系数的影响
• 6.3.2 速度对复合材料摩擦系数的影响
• 6.3.3 载荷对复合材料摩擦系数的影响
• 6.4 转移膜表面形貌分析
• 6.5 聚合物基复合材料极限PV值的测试
• 6.6 转移膜低温失效温度影响规律
• 6.6.1 复合材料接触表面非稳态温度分析模型
• 6.6.2 低温下介质沸腾状态对接触区温度的影响
• 6.6.3 表面温度对复合材料转移膜极限PV值的影响
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历