李如琰
（上海市軸承技術研究所，上海200031）
The application of polytetrafluoroethylene fabrics to spherical plain bearings
LI Ru-yan
(Shanghai Bearing Technology Institute, Shanghai 200031, China)
Abstract: The polytetrafluoroethylene fabric is a kind of compound fabrics woven out of PTFE, Nomex, fiberglass (or Kevlar fibre )by special weaving process and impregnating treatment with the high quality of high strength and low friction coefficient. With such fabrics the spherical plain bearings will have the advantages of self-lubrication, impact resistance and long-life and remain the original characters of high load-bearing and self-aligning at the same time. So such spherical plain bearings have a wide application to the heavy-loaded key positions in the fields of aviation, astronavigation and railways etc.
Key words：polytetrafluoroethylene fabric；application；self-lubrication spherical plain bearings
摘要：聚四氟乙烯纖維織物是PTFE與Nomex、玻璃纖維（或芳綸纖維）等材料，采用特定方法紡織，并經特殊浸漬處理后制成的復合織物，具有強度高，摩擦系數小的特點。將這種纖維織物應用于關節軸承上，使關節軸承既保持了高承載、自動調心的特性，又兼有自潤滑、耐沖擊、長壽命等特點。這種自潤滑關節軸承可廣泛應用于航空、航天等高新技術領域中的關鍵承載部位。
關鍵詞：聚四氟乙烯纖維織物；襯墊應用；自潤滑關節軸承
中圖分類號：TS15 文獻標識碼：A
文章編號；1001-9731（2004）增刊-2221-03
1 引言
自潤滑關節軸承是航空、航天領域，及眾多新技術領域中不可缺少的產品，其中自潤滑材料的性能是保證關節軸承具備重載、耐沖擊、長壽命的關鍵因素。聚四氟乙烯纖維織物作為一種新型高分子材料，具有韌性好、高強度、低摩擦等優點，是作為關節軸承潤滑層的理想材料。本文著重就該種材料在關節軸承上的應用作一簡單地介紹。
2 聚四氟乙烯纖維織物結構及性能
2.1 自潤滑關節軸承襯墊簡介
自潤滑關節軸承由內、外圈及潤滑層三部分組成，其結構如圖1所示。軸承內圈與外圈為球面接觸，其間是潤滑層，在使用過程中起到自潤滑作用。
以往關節軸承的潤滑層多為二硫化鉬、特氟龍等涂層材料(或使用PU銅網襯墊)，通過在軸承外圈內表面涂層(或粘貼襯墊)后，再與軸承內圈合套擠壓而成。使用這些材料的自潤滑關節軸承耐磨性能較差，軸承間隙大，在某些方面制約著部件的整體性能，選用PTFE纖維織物為自潤滑材料的關節軸承，則能彌補上述缺陷，并從承載強度、耐蝕性、摩擦磨損、使用壽命等方面大大改善軸承的使用性能，擴大了軸承的適用范圍。
2.2 聚四氟乙烯纖維織物結構
聚四氟乙烯（以下簡稱：PTFE）纖維織物是PTFE纖維與其他纖維交織而成的雙層織物，通常選擇平紋、斜紋或緞紋等紡織結構，按設計的織造密度，將組合纖維紡織而成需要的織物結構，圖2即為其中的一種。
PTFE纖維織物上富含PTFE纖維的織物表面，即為摩擦工作面，另一面則以強度高、粘結性好的纖維為主，即為粘結面，這種PTFE的雙層結構充分發揮了PTFE的低摩擦和纖維的高強度特性。一般用作增強或粘結性的纖維種類很多，如高強耐蝕的Nomex、耐溫性能好的芳綸纖維、高強耐熱的玻璃纖維、高強低摩擦的碳纖維等。
PTFE纖維織物表面經過特殊浸漬處理后，加大了纖維間結合度，使織物在受到重壓摩擦時纖維間不錯動，同時可增強織物與金屬基體的粘著力，從而大大提高了織物的使用性能。
2.3 聚四氟乙烯纖維織物性能
PTFE纖維織物摩擦面具有良好潤滑性能的機理在于固體潤滑膜的形成，固體潤滑膜可以耐106次以上的摩擦，也有超過108次的。資料表明[1]，PTFE是迄今所發現的具有特別低的摩擦系數的固體物質。在無潤滑油的條件下，金屬的摩擦系數μ為0.5～1，而PTFE僅為0.04，比二硫化鉬和石墨還要低，這是金屬在良好潤滑條件下也難達到的。PTFE的長碳鏈四周為氟原子所包圍且沒有支鏈，氟原子的體積與聚乙烯分子中的氫原子相比要大得多，正好無間隙地遮蔽了碳原子的正電荷，而相鄰氟原子上的負電荷由于相斥作用造成分子間的內聚能很低，因而容易產生滑移，顯示了極低的抗剪強度。當PTFE與金屬接觸摩擦時，因其表面凸峰溫度升高，剪切強度下降，促使PTFE分子粘附在對磨表面，向金屬表面平移并填平了金屬表面的凹坑，實際形成了PTFE/PTFE間摩擦，因而表現出極低的摩擦系數[2]。
除良好的潤滑性能外，PTFE纖維織物還有：較高的承載能力，可以承540MPa靜載，240MPa動載；較寬的溫度適用范圍，54～163℃；較好的耐腐蝕性，抗多種油脂污染的能力；及經浸漬處理后有很好的粘結牢度。
PTFE纖維織物的以上性能，為其在關節軸承的應用提供了良好的基礎。
3 PTFE纖維織物在關節軸承上的應用
3.1 PTFE纖維織物用于關節軸承潤滑層
用PTFE纖維織物取代涂層材料（或PU銅網襯墊）用于關節軸承潤滑層，除具備良好的關節軸承自潤滑材料的綜合優勢外，還有很好的工藝性能。關節軸承加工中的關鍵技術為粘結和擠壓工序，當加工好軸承內、外圈后，將襯墊粘結到軸承外圈內表面，再與軸承內圈合套擠壓成型，然后通過控制軸承啟動力矩等后續加工而形成關節軸承。實踐證明，PTFE纖維織物在適宜的粘結工藝下，有很好的粘結性能，能保證與基體的結合強度；纖維襯墊的高強度也很好地承受了擠壓工藝的考核；另外，PTFE纖維織物優于其他自潤滑材料的彈、韌性，可使關節軸承無徑向與軸向間隙，從而整體上提高了自潤滑關節軸承的制造水平與使用性能。
3.2 PTFE纖維織物自潤滑關節軸承性能試驗
應用PTFE纖維織物的自潤滑關節軸承（以φ25軸承為例），經按MIL-B-81820全部要求試驗考核，結果如下：
3.3 PTFE織物襯墊與PU銅網襯墊性能比較
用相同規格，分別使用PU銅網與PTFE纖維為潤滑材料的兩種軸承，按相同條件完成多組擺動磨損試驗進行對比試驗，其中一組的試驗結果見圖4、圖5。
試驗條件：徑向載荷123kN；擺動頻率12周/分；擺動角度±25°；試驗溫度20℃。
試驗結果：PTFE纖維潤滑材料，25000周后，襯墊磨損量0.08mm；
PU銅網潤滑材料，12000周時，襯墊磨損量0.17mm，已被磨穿。
多組試驗結果均顯示出相同結果，因此PTFE纖維織物襯墊性能明顯優于PU銅網襯墊性能。
4 PTFE纖維織物在關節軸承上的應用
PTFE纖維織物是一種高強度、低摩擦、長壽命的新型潤滑材料，使用該纖維的關節軸承具有結構緊湊、重量輕、耐沖擊、自潤滑、安全可靠、壽命長等優點。它在自潤滑關節軸承上的應用是集紡織、化工、高分子材料、摩擦學、機械制造等多學科交叉的綜合性新技術，隨著該技術的發展，一定會給自潤滑關節軸承帶來更深層次的應用前景。
5 PTFE纖維織物的發展與展望
輕質、高性能、長壽命自潤滑材料是航空、航天等高技術領域中自潤滑軸承材料的發展方向，為適用更復雜的工況需要，PTFE纖維織物也需要在產品性能上有新的發展與突破，這主要體現在：增加強度，承受更高的載荷，如動載345MPa或更大；降低摩擦系數，以適用于較高擺動速度，如15m/min或更快；適用于更寬的溫度范圍，如-73～316℃；同時，需要綜合性能更優異的纖維織物，如承受高溫環境中的高速擺動，或高溫重載下的高速擺動等。
PTFE纖維織物的產品化、成系列的發展，也將有利于提升我國自潤滑關節軸承的整體水平，使之在品種上、性能上充分滿足高技術領域的需求，為我國航空、航天事業的快速發展貢獻一點力量。
參考文獻：
[1] 復合材料軸承[M]. 科學出版社, 1996.
[2] 曾竟成, 羅青, 唐羽章. 復合材料理化性能. [M]. 國防科技大學出版社, 1998.
作者簡介：李如琰（1964－）女，河南人，工程師，上海市軸承技術研究所，Tel:021-64016746。
論文來源：中國功能材料及其應用學術會議,2004年,9月12-16
