李如琰
（上海市轴承技术研究所，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：聚四氟乙烯纤维织物是PTFE与Nomex、玻璃纤维（或芳纶纤维）等材料，采用特定方法纺织，并经特殊浸渍处理后制成的复合织物，具有强度高，摩擦系数小的特点。将这种纤维织物应用于关节轴承上，使关节轴承既保持了高承载、自动调心的特性，又兼有自润滑、耐冲击、长寿命等特点。这种自润滑关节轴承可广泛应用于航空、航天等高新技术领域中的关键承载部位。
关键词：聚四氟乙烯纤维织物；衬垫应用；自润滑关节轴承
中图分类号：TS15 文献标识码：A
文章编号；1001-9731（2004）增刊-2221-03
1 引言
自润滑关节轴承是航空、航天领域，及众多新技术领域中不可缺少的产品，其中自润滑材料的性能是保证关节轴承具备重载、耐冲击、长寿命的关键因素。聚四氟乙烯纤维织物作为一种新型高分子材料，具有韧性好、高强度、低摩擦等优点，是作为关节轴承润滑层的理想材料。本文着重就该种材料在关节轴承上的应用作一简单地介绍。
2 聚四氟乙烯纤维织物结构及性能
2.1 自润滑关节轴承衬垫简介
自润滑关节轴承由内、外圈及润滑层三部分组成，其结构如图1所示。轴承内圈与外圈为球面接触，其间是润滑层，在使用过程中起到自润滑作用。
以往关节轴承的润滑层多为二硫化钼、特氟龙等涂层材料(或使用PU铜网衬垫)，通过在轴承外圈内表面涂层(或粘贴衬垫)后，再与轴承内圈合套挤压而成。使用这些材料的自润滑关节轴承耐磨性能较差，轴承间隙大，在某些方面制约着部件的整体性能，选用PTFE纤维织物为自润滑材料的关节轴承，则能弥补上述缺陷，并从承载强度、耐蚀性、摩擦磨损、使用寿命等方面大大改善轴承的使用性能，扩大了轴承的适用范围。
2.2 聚四氟乙烯纤维织物结构
聚四氟乙烯（以下简称：PTFE）纤维织物是PTFE纤维与其他纤维交织而成的双层织物，通常选择平纹、斜纹或缎纹等纺织结构，按设计的织造密度，将组合纤维纺织而成需要的织物结构，图2即为其中的一种。
PTFE纤维织物上富含PTFE纤维的织物表面，即为摩擦工作面，另一面则以强度高、粘结性好的纤维为主，即为粘结面，这种PTFE的双层结构充分发挥了PTFE的低摩擦和纤维的高强度特性。一般用作增强或粘结性的纤维种类很多，如高强耐蚀的Nomex、耐温性能好的芳纶纤维、高强耐热的玻璃纤维、高强低摩擦的碳纤维等。
PTFE纤维织物表面经过特殊浸渍处理后，加大了纤维间结合度，使织物在受到重压摩擦时纤维间不错动，同时可增强织物与金属基体的粘着力，从而大大提高了织物的使用性能。
2.3 聚四氟乙烯纤维织物性能
PTFE纤维织物摩擦面具有良好润滑性能的机理在于固体润滑膜的形成，固体润滑膜可以耐106次以上的摩擦，也有超过108次的。资料表明[1]，PTFE是迄今所发现的具有特别低的摩擦系数的固体物质。在无润滑油的条件下，金属的摩擦系数μ为0.5～1，而PTFE仅为0.04，比二硫化钼和石墨还要低，这是金属在良好润滑条件下也难达到的。PTFE的长碳链四周为氟原子所包围且没有支链，氟原子的体积与聚乙烯分子中的氢原子相比要大得多，正好无间隙地遮蔽了碳原子的正电荷，而相邻氟原子上的负电荷由于相斥作用造成分子间的内聚能很低，因而容易产生滑移，显示了极低的抗剪强度。当PTFE与金属接触摩擦时，因其表面凸峰温度升高，剪切强度下降，促使PTFE分子粘附在对磨表面，向金属表面平移并填平了金属表面的凹坑，实际形成了PTFE/PTFE间摩擦，因而表现出极低的摩擦系数[2]。
除良好的润滑性能外，PTFE纤维织物还有：较高的承载能力，可以承540MPa静载，240MPa动载；较宽的温度适用范围，54～163℃；较好的耐腐蚀性，抗多种油脂污染的能力；及经浸渍处理后有很好的粘结牢度。
PTFE纤维织物的以上性能，为其在关节轴承的应用提供了良好的基础。
3 PTFE纤维织物在关节轴承上的应用
3.1 PTFE纤维织物用于关节轴承润滑层
用PTFE纤维织物取代涂层材料（或PU铜网衬垫）用于关节轴承润滑层，除具备良好的关节轴承自润滑材料的综合优势外，还有很好的工艺性能。关节轴承加工中的关键技术为粘结和挤压工序，当加工好轴承内、外圈后，将衬垫粘结到轴承外圈内表面，再与轴承内圈合套挤压成型，然后通过控制轴承启动力矩等后续加工而形成关节轴承。实践证明，PTFE纤维织物在适宜的粘结工艺下，有很好的粘结性能，能保证与基体的结合强度；纤维衬垫的高强度也很好地承受了挤压工艺的考核；另外，PTFE纤维织物优于其他自润滑材料的弹、韧性，可使关节轴承无径向与轴向间隙，从而整体上提高了自润滑关节轴承的制造水平与使用性能。
3.2 PTFE纤维织物自润滑关节轴承性能试验
应用PTFE纤维织物的自润滑关节轴承（以φ25轴承为例），经按MIL-B-81820全部要求试验考核，结果如下：
3.3 PTFE织物衬垫与PU铜网衬垫性能比较
用相同规格，分别使用PU铜网与PTFE纤维为润滑材料的两种轴承，按相同条件完成多组摆动磨损试验进行对比试验，其中一组的试验结果见图4、图5。
试验条件：径向载荷123kN；摆动频率12周/分；摆动角度±25°；试验温度20℃。
试验结果：PTFE纤维润滑材料，25000周后，衬垫磨损量0.08mm；
PU铜网润滑材料，12000周时，衬垫磨损量0.17mm，已被磨穿。
多组试验结果均显示出相同结果，因此PTFE纤维织物衬垫性能明显优于PU铜网衬垫性能。
4 PTFE纤维织物在关节轴承上的应用
PTFE纤维织物是一种高强度、低摩擦、长寿命的新型润滑材料，使用该纤维的关节轴承具有结构紧凑、重量轻、耐冲击、自润滑、安全可靠、寿命长等优点。它在自润滑关节轴承上的应用是集纺织、化工、高分子材料、摩擦学、机械制造等多学科交叉的综合性新技术，随着该技术的发展，一定会给自润滑关节轴承带来更深层次的应用前景。
5 PTFE纤维织物的发展与展望
轻质、高性能、长寿命自润滑材料是航空、航天等高技术领域中自润滑轴承材料的发展方向，为适用更复杂的工况需要，PTFE纤维织物也需要在产品性能上有新的发展与突破，这主要体现在：增加强度，承受更高的载荷，如动载345MPa或更大；降低摩擦系数，以适用于较高摆动速度，如15m/min或更快；适用于更宽的温度范围，如-73～316℃；同时，需要综合性能更优异的纤维织物，如承受高温环境中的高速摆动，或高温重载下的高速摆动等。
PTFE纤维织物的产品化、成系列的发展，也将有利于提升我国自润滑关节轴承的整体水平，使之在品种上、性能上充分满足高技术领域的需求，为我国航空、航天事业的快速发展贡献一点力量。
参考文献：
[1] 复合材料轴承[M]. 科学出版社, 1996.
[2] 曾竟成, 罗青, 唐羽章. 复合材料理化性能. [M]. 国防科技大学出版社, 1998.
作者简介：李如琰（1964－）女，河南人，工程师，上海市轴承技术研究所，Tel:021-64016746。
论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16
