成形工藝對多孔聚酰亞胺復合材料性能的影響

魏佳平，孫小波，謝鵬飛,張亦弛

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;2.南京郵電大學 計算機、軟件學院，南京 210046)

多孔聚酰亞胺保持架是20世紀70年代發展起來的一種新型保持架，已廣泛應用在各種高精度陀螺電機軸承中。經真空浸油后得到的含油多孔聚酰亞胺保持架既是軸承的重要零件，又是潤滑油的載體，對陀螺電機軸承的旋轉精度及壽命有很大影響。目前，自由燒結法、定容燒結法是制備多孔聚酰亞胺復合保持架材料(以下簡稱“聚酰亞胺復合材料”)的主要方法[1]，其工藝簡單，成本低廉， 且能通過調節工藝參數控制微孔參數，已廣泛應用于各類長壽命軸承領域。

孔隙率相同時，不同工藝制備的聚酰亞胺復合材料的力學性能、摩擦學特性，尤其是微孔孔徑差異較大。下文采用自由燒結和定容燒結2種成形工藝分別制備聚酰亞胺復合材料，并對比了兩者的力學性能和摩擦學特性，為選擇適宜的成形工藝提供借鑒。

1 試驗

1.1 材料及試樣制備

制備聚酰亞胺復合材料所用原料為聚酰亞胺塑粉和聚四氟乙烯塑粉，其中聚酰亞胺模塑粉密度為1.40 g/cm3，玻璃化轉變溫度為265 ℃，粒度為150目；聚四氟乙烯塑粉粒度為150目。

取適量聚酰亞胺模塑粉和聚四氟乙烯模塑粉置于高速攪拌機中充分攪拌混合后備用。聚酰亞胺復合材料分別采用自由燒結和定容燒結成形工藝制得。

1.1.1 自由燒結成形工藝

稱取一定量的原料裝入模具中，然后在壓力機上壓制成形，保壓數分鐘后脫模，最后將其置于溫控燒結爐中進行燒結，孔隙率控制在22%～23%；微孔半徑為1.0～1.2 μm。

1.1.2 定容燒結成形工藝

稱取一定量的原料裝入模具中，通過限位裝置將其壓制成形，然后將整個裝置置于溫控燒結爐中燒結成形，最后脫模即可，孔隙率控制在22%～23%，微孔半徑為0.6～0.8 μm。

1.2 材料性能測試

采用DNS20型電子萬能試驗機測試環狀拉伸強度，拉伸速度為5 mm/min；用CFT-1型表面性能測量儀測定摩擦學性能，采用往復式干摩，頻率20 Hz，Ф4 mm對磨鋼球，時間為30 min；用Auto Pore IV 9500型壓汞儀測定聚酰亞胺復合材料的微孔參數；用邵氏硬度計測定材料硬度；用EL-04KA高低溫循環試驗箱進行吸濕性能試驗。

2 結果與討論

2.1 成形工藝對材料力學性能的影響

抗拉強度是軸承保持架的重要指標之一，由不同成形工藝制得的聚酰亞胺復合材料性能見表1。

表1 聚酰亞胺復合材料的性能(平均值)

從表1可以看出，定容燒結成形工藝制得的聚酰亞胺復合材料的密度、環狀抗拉強度以及邵氏硬度均高于自由燒結成形工藝制得材料的相應指標，其中環狀抗拉強度達到73.0 MPa，提高了82.0%。其差異主要是由于燒結成形工藝不同所致：自由燒結成形工藝當溫度升高到玻璃化轉變溫度以上時，復合材料進入黏彈態，此時，因沒有外力施加于材料，自由膨脹現象顯著；定容燒結成形工藝是將復合材料固定在一限定的空間內，對材料施加一定的壓力，使復合材料的體積不變，自由膨脹小。定容燒結制得的復合材料微孔半徑更小，在相同孔隙率的情況下，定容燒結能制得微孔分布更加致密、結構更加牢固的復合材料，因而環狀抗拉伸強度和邵氏硬度也更大。

2.2 成形工藝對材料摩擦磨損性能的影響

聚酰亞胺復合材料摩擦磨損試驗結果如圖1和表2所示。從圖中可以看出，定容燒結工藝制得的復合材料摩擦因數大于自由燒結材料；但其耐磨性能較好，磨痕深度較自由燒結材料減小43.7%，磨損量減少22.8%(表2)。

表2 成形工藝對材料耐磨性(平均值)的影響

圖1 2種聚酰亞胺復合材料的摩擦因數

出現上述現象的原因可能是由于自由燒結成形工藝制得的聚酰亞胺復合材料磨損量較大，而復合材料本身含有聚四氟乙烯潤滑材料，摩擦過程中在接觸表面形成一層潤滑膜，隨著磨損量的增多，潤滑膜面積越大，摩擦因數越小；而定容燒結成形工藝制得的聚酰亞胺復合材料微孔半徑較小，致密性及材料顆粒之間黏結性較好，加之硬度較大，耐磨性能較好,但不易形成潤滑膜而使摩擦因數較大。

2.3 成形工藝對材料吸水性能的影響

聚酰亞胺材料能夠少量吸取空氣中的水分，引起保持架尺寸發生變化，還會對保持架的儲油性能產生一定的影響。

將自由燒結和定容燒結成形工藝制得的保持架放置在索格利特提取器中清洗24 h(石油醚清洗劑，82 ℃)，然后把保持架置于真空干燥箱內干燥30 min，并在精密天平上稱重，最后把保持架放置在高低溫循環試驗箱內進行試驗。試驗溫度為25 ℃、濕度為60%，每隔1 h稱量一次，試驗結果見表3。

由表3可以看出，自由燒結成形工藝制得的聚酰亞胺復合材料保持架放置在溫度為25 ℃、濕度為60%環境條件下1 h后吸濕速度變慢，4 h后質量不再變化；定容燒結成形工藝制得的聚酰亞胺復合材料保持架在相同溫、濕度條件下2 h后吸濕速度變慢，4 h后質量也不再變化，均達到吸附飽和狀態。

表3 多孔聚酰亞胺保持架質量隨吸濕時間的變化

多孔材料吸濕是一個微孔流體流動機制，液體在具有各向同性互相連通的毛細孔中的滲透可看作是一個擴散過程[2]。多孔聚酰亞胺保持架的吸濕過程同樣可以看作是空氣中水分在其內部的擴散。相同配方的聚酰亞胺復合材料在孔隙率相同的情況下，吸濕能力基本相同，均約為1%，但達到吸濕平衡的時間略有差別。

3 結論

(1)定容燒結工藝制得的聚酰亞胺復合材料力學性能優于自由燒結。

(2)自由燒結成形工藝制得的聚酰亞胺復合材料摩擦因數較小，耐磨性能較差。

(3)在孔隙率一致的情況下，2種工藝制得的聚酰亞胺復合材料的吸濕能力基本相同。

(4)實際應用中，由于定容燒結與自由燒結成形工藝不同，兩者的應用情況也各不相同。定容燒結工藝制備的聚酰亞胺復合材料力學性能較自由燒結工藝好，但自潤滑性能較自由燒結工藝差。通常在選擇軸承用保持架材料時，載荷、自潤滑性能是考慮的主要因素。定容燒結成形工藝制備的聚酰亞胺復合材料力學性能較好，使其在軸承應用上的載荷量較自由燒結工藝大，但其自潤滑性能較自由燒結工藝差，軸承工作時對潤滑油需求量也較大。因此，軸承設計選材時，應根據實際工況而定。