保持架用工程塑料的熱性能

孫小波，王楓，馮穎,王子君，李建華

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

工程塑料具有優(yōu)異的特性，被廣泛地用作軸承保持架材料[1-2]。常用的工程塑料有尼龍(聚酰胺)、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚醚醚酮及其改性復(fù)合材料。工程塑料保持架的溫度范圍要求很寬，一般為-253～ 280 ℃。而工程塑料熱性能差異性大，隨著溫度的變化，工程塑料性能將發(fā)生顯著變化。因此工程塑料的選取顯得格外重要，若選用不當(dāng)，僅僅因工程塑料保持架受熱變形引起的“抱軸咬死”現(xiàn)象就會(huì)導(dǎo)致軸承失效[3]。

熱性能是選用工程塑料保持架材料首先面對(duì)的問題。工程塑料的熱性能指標(biāo)繁多，如高溫耐熱性能、低溫?zé)嵝阅?、?nèi)在基礎(chǔ)熱性能等。由于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及條件不統(tǒng)一，使得材料廠家提供的數(shù)據(jù)差異性大。如何正確理解并比較工程塑料的眾多熱性能參數(shù)及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，尚無(wú)文獻(xiàn)系統(tǒng)介紹。保持架用工程塑料要求在低溫、室溫或較高溫度下均具有較高的綜合性能，而工程塑料的性能隨著溫度的改變會(huì)有不同形式和程度的變化，了解其變化規(guī)律對(duì)于選用保持架材料至關(guān)重要。

1 塑料保持架材料的熱性能

熱性能是與熱或溫度有關(guān)的性能的總稱，目前，可用于制作軸承保持架的熱固性工程塑料較少，故本例所述均為熱塑性工程塑料。工程塑料的熱性能一般可分為高溫耐熱性能、低溫?zé)嵝阅芎蛢?nèi)在熱性能，其分類情況見表1。

表1 工程塑料的熱性能分類

1.1 短期高溫耐熱性能

工程塑料的短期高溫耐熱性能體現(xiàn)在高溫時(shí)的剛度和強(qiáng)度水平，高溫下的剛度和強(qiáng)度水平應(yīng)被視為設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要因素。常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有熱變形溫度和維卡軟化溫度。

1.1.1 熱變形溫度(HDT)

熱變形溫度的研究對(duì)象是宏觀結(jié)構(gòu)性能，是表達(dá)被測(cè)物的受熱和變形之間關(guān)系的重要參數(shù)，其與高溫下的剛度有關(guān)，是衡量工程塑料短期耐熱性能常用的重要指標(biāo)之一，相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 1634.2—2004，ASTM D 648—2007和ISO 72-2:2004。一般而言，對(duì)無(wú)定形工程塑料，熱變形溫度比玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低10～20 ℃；對(duì)半結(jié)晶工程塑料，熱變形溫度可接近于熔融溫度。

1.1.2 維卡軟化溫度(VST)

維卡軟化溫度評(píng)價(jià)的是材料載荷下短期耐熱性能，反映制品在受熱條件下物理力學(xué)性能的指標(biāo)之一，相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 1633—2000，ISO 306:1994和ASTM D 1525—2009。維卡軟化溫度雖不能直接用于評(píng)價(jià)材料的實(shí)際使用溫度，但可以用來(lái)指導(dǎo)材料的質(zhì)量控制。維卡軟化溫度越高，表明材料耐熱變形能力越好，剛度越大，模量越高。

1.1.3 兩種指標(biāo)之間的關(guān)系

熱變形溫度和維卡軟化溫度均是評(píng)價(jià)塑料短期的耐熱性能，均是指在一定載荷下，其達(dá)到某一規(guī)定形變值時(shí)的溫度，該溫度值可統(tǒng)稱為塑料的軟化點(diǎn)。但由于采用的測(cè)試方法不同、標(biāo)準(zhǔn)不一，故測(cè)試結(jié)果相互之間無(wú)定量關(guān)系。試驗(yàn)測(cè)得的熱變形溫度和維卡軟化點(diǎn)僅適用于控制質(zhì)量和作為鑒定新品種熱性能的一個(gè)指標(biāo)，不代表材料的使用溫度。

1.2 長(zhǎng)期高溫耐熱性能

工程塑料在高溫下容易發(fā)生熱降解，而較高溫度下的保持架是在“機(jī)械應(yīng)力和較為苛刻的化學(xué)物理環(huán)境中使用”。因此，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，了解材料暴露于有氧環(huán)境下和受熱數(shù)千個(gè)小時(shí)之后的性能水平至關(guān)重要。

工程塑料的長(zhǎng)期高溫耐熱性分為兩種：(1)附加載荷，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為耐蠕變性，下文不作贅述；(2)無(wú)附加載荷，常見的評(píng)價(jià)指標(biāo)有長(zhǎng)期連續(xù)使用溫度(CUT)、相對(duì)溫度指數(shù)(RTI)和絕對(duì)真實(shí)使用溫度(ARO)。CUT定義為給定材料的力學(xué)性能在一定時(shí)間內(nèi)下降50%時(shí)的溫度，主要用作汽車行業(yè)選材標(biāo)準(zhǔn)(杜邦公司規(guī)定為連續(xù)暴露在高溫下1 000 h，抗拉強(qiáng)度降低50%時(shí)的溫度)；RTI在一定程度上可被認(rèn)為是具有很長(zhǎng)半使用周期的連續(xù)使用溫度；ARO是指材料在指定工況下老化指定時(shí)間后并在一定溫度下測(cè)得的數(shù)值，如在150 ℃經(jīng)過(guò)5 000 h老化后，在150℃時(shí)測(cè)得的值。

CUT和RTI只考慮材料性能的保持比例情況，在室溫下測(cè)定材料熱老化后的性能，與實(shí)際情況不符。而ARO克服了CUT和RTI的缺點(diǎn)，但由于使用溫度不同，相應(yīng)數(shù)據(jù)極少。

1.3 工程塑料低溫?zé)嵝阅?/h3>

工程塑料的低溫?zé)嵝阅芤詻_擊脆化溫度(TB)表示，一般指在規(guī)定試驗(yàn)條件下試樣破損率為50%時(shí)的溫度?，F(xiàn)行的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5470—2008或ASTM D7 46:2007。隨著溫度逐漸降低，工程塑料會(huì)變得越來(lái)越硬而脆，這是由于聚合物分子鏈的活動(dòng)性變得越來(lái)越小的緣故。脆化溫度是工程塑料正常使用的溫度下限。

1.4 熱基礎(chǔ)特征溫度

該指標(biāo)可分為物理耐熱性溫度和化學(xué)穩(wěn)定性溫度，均表示工程塑料在無(wú)載荷條件下的特征溫度。物理耐熱性溫度包含玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和熔融溫度(Tm)；化學(xué)穩(wěn)定性溫度指工程塑料分子鍵的熱穩(wěn)定性，其衡量指標(biāo)為熱分解溫度。

1.4.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

對(duì)于保持架用工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是最主要的熱基礎(chǔ)物性，是大分子鏈鏈段由不能運(yùn)動(dòng)到開始運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)折溫度，是工程塑料熔融前剛度發(fā)生最大變化的溫度。低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，聚合物材料中的無(wú)定形和半結(jié)晶區(qū)域呈剛硬狀態(tài)。因此，無(wú)定形熱塑性塑料僅在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下才適宜制造結(jié)構(gòu)材料，半結(jié)晶熱塑性塑料在高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的一定范圍內(nèi)仍能保持一定的剛度。

1.4.2 熱基礎(chǔ)特征溫度之間的關(guān)系

無(wú)定形和半結(jié)晶工程塑料在不同溫度范圍內(nèi)，大分子運(yùn)動(dòng)的程度不同。對(duì)于無(wú)定形工程塑料，溫度大于Tg，工程塑料便進(jìn)入黏彈態(tài)，所以溫度小于Tg時(shí)才具有實(shí)用意義。對(duì)于半結(jié)晶工程塑料，溫度在Tg以上一定范圍內(nèi)仍可以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[4]；溫度繼續(xù)升高至Tm，半結(jié)晶工程塑料發(fā)生熔融；溫度繼續(xù)升高到一定程度，鏈段及分子結(jié)構(gòu)分解，達(dá)到分解溫度。

工程塑料的熱基礎(chǔ)特征溫度的關(guān)系為：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度<熔融溫度<熱分解溫度。保持架常用工程塑料的部分熱性能參數(shù)見表2。

表2 保持架常用工程塑料的部分熱性能

2 溫度影響工程塑料性能的機(jī)理

工程塑料的溫度效應(yīng)明顯，溫度影響聚合物活動(dòng)單元活化的能量，工程塑料產(chǎn)生的物理變化(如軟化、熔融)、化學(xué)變化(如降解、分解)是工程塑料受熱后性能變化的主要原因。工程塑料有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)3種力學(xué)狀態(tài)，溫度對(duì)工程塑料的影響如圖1和圖2所示。當(dāng)溫度小于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，工程塑料處于玻璃態(tài)，表現(xiàn)為剛度固體，在外力作用下形變非常小，具有較高的強(qiáng)度和剛度。

圖1 工程塑料狀態(tài)與溫度和分子量的關(guān)系

圖2 工程塑料在恒定應(yīng)力下的加熱曲線

對(duì)于無(wú)定形工程塑料，當(dāng)溫度超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)按不規(guī)則排列，形變顯著增大，并在隨后的一定溫度區(qū)間形變相對(duì)穩(wěn)定，材料漸漸軟化進(jìn)入黏彈態(tài)，強(qiáng)度迅速下降。在只有幾攝氏度范圍的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間前后，模量將改變3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，使材料使用性能發(fā)生改變。所以無(wú)定形熱塑性塑料僅在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下才有實(shí)用意義[5]。

對(duì)于半結(jié)晶型工程塑料，雖然其中仍含有部分無(wú)定形結(jié)構(gòu)，但其物理狀態(tài)和無(wú)定形高聚合物不同，半結(jié)晶聚合物也有玻璃態(tài)、黏彈態(tài)和黏流態(tài)，不同的是半結(jié)晶聚合物的黏彈態(tài)可分為皮革態(tài)和橡膠態(tài)。半結(jié)晶型工程塑料結(jié)晶度可達(dá)30%～90%，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)高度整齊，有固定的熔點(diǎn)，無(wú)定形區(qū)發(fā)生了鏈段運(yùn)動(dòng)，而結(jié)晶區(qū)還未熔融，沒有鏈段運(yùn)動(dòng)。所以在大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的一定范圍內(nèi)，不會(huì)慢慢變軟，變形仍較小，強(qiáng)度和剛度保持率較高，擴(kuò)大了工程塑料的溫度使用范圍。如聚醚醚酮玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143 ℃，但其最大結(jié)晶度可達(dá)35%，因此在200 ℃還保持較高的力學(xué)強(qiáng)度[6]。

溫度繼續(xù)升高變形量繼續(xù)增大，材料逐漸變成黏性流體，無(wú)定形和半結(jié)晶型工程塑料均進(jìn)入黏流態(tài)，失去應(yīng)用價(jià)值。

3 溫度對(duì)保持架用工程塑料性能的影響

3.1 抗拉強(qiáng)度

隨著溫度的升高，工程塑料保持架的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。對(duì)于無(wú)定形工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是其使用溫度的上限。通常，當(dāng)溫度達(dá)到Tg以下20～25 ℃時(shí)，分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，樹脂開始軟化，抗拉強(qiáng)度下降，故長(zhǎng)期使用溫度應(yīng)在Tg以下20～25 ℃[7]。而對(duì)于半結(jié)晶性工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，結(jié)晶度越大，高溫強(qiáng)度保持率越高。常用的幾種工程塑料保持架材料抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化曲線如圖3所示，可以看出，隨著溫度的升高，抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；尤其是VESPEL?SP產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度隨溫度升高呈線性下降趨勢(shì)。

圖3 常用工程塑料抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化曲線

3.2 摩擦磨損性能

隨著溫度的升高，工程塑料保持架的磨損逐漸增大，同時(shí)，撕裂也變得容易發(fā)展。摩擦過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量，會(huì)使部件溫度升高，尤其是在系統(tǒng)散熱能力有限的情況下，耐磨能力降低。

PTFE在不同溫度下的摩擦因數(shù)和磨痕寬度[8]如圖4所示，可以看出，PTFE的摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而降低，這是由于溫升改善了PTFE分子鏈的運(yùn)動(dòng)狀況；也更容易產(chǎn)生塑性變形，這對(duì)于轉(zhuǎn)移膜的形成均產(chǎn)生積極的影響。而PTFE的磨痕寬度隨著溫度升高呈逐漸增大趨勢(shì)。

圖4 溫度對(duì)PTFE摩擦因數(shù)和磨痕寬度的影響

文獻(xiàn)[9]研究溫度對(duì)聚酰亞胺(YS20)摩擦性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)， PI的摩擦因數(shù)隨溫度升高而增大，最大值達(dá)0.66，之后降低至0.16。分析認(rèn)為：PI是熱的不良導(dǎo)體，摩擦熱主要集中于摩擦表面層，并使摩擦表面層的溫度大于PI的Tg，PI摩擦表面層的物理狀態(tài)不同，從而表現(xiàn)出不同的摩擦行為。在較低環(huán)境溫度下(小于110 ℃)，摩擦溫升使YS20-PI真實(shí)接觸的表面微凸體出現(xiàn)髙彈態(tài)，表面層為玻璃態(tài)，此時(shí)摩擦因數(shù)較低，磨損僅發(fā)生在這些小的微凸體表層，此時(shí)產(chǎn)生的只是細(xì)微粒狀磨屑；隨著溫度的升高，表面出現(xiàn)連續(xù)并具有一定厚度的高彈態(tài)層，此時(shí)真實(shí)接觸面積增大，黏著磨損和犁溝磨損均增大，摩擦因數(shù)升高；當(dāng)環(huán)境溫度升高到111～200 ℃時(shí)，摩擦使材料表面產(chǎn)生了黏流層，其黏度逐漸降低，厚度不斷增加，使摩擦因數(shù)迅速降低，此時(shí)產(chǎn)生片狀磨屑；當(dāng)環(huán)境溫度高于200 ℃時(shí)，摩擦熱使PI表面出現(xiàn)黏度低且厚度更大的黏流層，PI的分子鏈段在摩擦力作用下更容易發(fā)生沿滑動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)，摩擦因數(shù)進(jìn)一步降低，此時(shí)產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)條狀磨屑，形成的犁溝更寬更深，磨損相當(dāng)嚴(yán)重。

3.3 膨脹系數(shù)

保持架用工程塑料線膨脹系數(shù)隨溫度的變化如圖5所示，對(duì)于無(wú)定形工程塑料，從圖中可以看出，隨著溫度的升高(

圖5 工程塑料線膨脹系數(shù)隨溫度的變化示意圖

保持架用工程塑料體積膨脹系數(shù)隨溫度的變化如圖6所示，可以看出，隨著溫度提高(

圖6 工程塑料體積隨溫度的變化示意圖

3.4 彈性模量

工程塑料彈性模量隨溫度的變化如圖7所示(圖中l(wèi)nG表示彈性模量的ln對(duì)數(shù))，當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，呈玻璃態(tài)，彈性模量較高，隨著溫度升高，彈性模量變化量很小。當(dāng)溫度大于Tg時(shí)，玻璃態(tài)逐漸開始向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變，無(wú)定形工程塑料的彈性模量急劇降低高達(dá)3～5個(gè)數(shù)量級(jí)，半結(jié)晶工程塑料彈性模量也顯著降低，但幅度小于無(wú)定形工程塑料。之后工程塑料的彈性模量幾乎不隨溫度變化而改變，此后一定溫度范圍內(nèi)(半結(jié)晶工程塑料，溫度低于Tm時(shí))處于高彈態(tài)平臺(tái)期。溫度繼續(xù)升高，無(wú)定形工程塑料逐漸出現(xiàn)流動(dòng)態(tài)，彈性模量急劇下降。溫度升高到Tm時(shí)，半結(jié)晶工程塑料出現(xiàn)熔融，進(jìn)入流動(dòng)態(tài)，彈性模量幾近喪失。

圖7 工程塑料彈性模量隨溫度的變化示意圖

常見工程塑料的彈性模量隨溫度的變化曲線如圖8所示，可以看出，隨著溫度的升高，彈性模量呈逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)于無(wú)定形聚醚酰亞胺，當(dāng)溫度達(dá)到Tg時(shí)，彈性模量急劇降低；對(duì)于半結(jié)晶工程塑料，如PEEK，由于其結(jié)晶度較大，溫度達(dá)到Tg時(shí)，彈性模量降低幅度較小。

圖8 幾種工程塑料彈性模量隨溫度的變化曲線

3.5 蠕變

蠕變反映保持架的尺寸穩(wěn)定性，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持架受力復(fù)雜，工程塑料保持架必須具有較高的耐蠕變性能，而其蠕變性能受溫度影響顯著，是一種典型的松弛過(guò)程。溫度較低時(shí)，蠕變很小而且很慢，在短時(shí)間內(nèi)不易覺察；溫度過(guò)高，形變過(guò)快，也不易察覺其蠕變現(xiàn)象；唯有溫度在Tg以上不多時(shí)，鏈段在外力下可以滑動(dòng)，蠕變現(xiàn)象明顯[10]。

工程塑料于玻璃態(tài)時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)比較困難，蠕變隨時(shí)間變化很小。溫度大于Tg時(shí)，工程塑料進(jìn)入髙彈態(tài)，鏈段很容易運(yùn)動(dòng)，蠕變速率達(dá)到極大值。在實(shí)際應(yīng)用中，如要避免明顯的蠕變不應(yīng)該在Tg附近使用，通常保持架用無(wú)定形工程塑料的使用溫度上限應(yīng)在Tg以下20～30 ℃。對(duì)于半結(jié)晶工程塑料，高結(jié)晶性使材料在溫度大于Tg時(shí)仍具有良好的剛度，故其耐蠕變性能較為突出。

4 保持架用工程塑料的選用

保持架用工程塑料種類繁多，面對(duì)眾多的工程塑料及其改性制品，需要以軸承的應(yīng)用工況并結(jié)合保持架對(duì)工程塑料性能的要求為出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)，綜合選出高性價(jià)比的材料。圖9為保持架用工程塑料選材時(shí)需考慮的因素，可以看出，除了考慮制約因素、化學(xué)因素、環(huán)境和物理因素外，還要考慮工程塑料的熱力學(xué)性能，尤其是高溫性能。

圖9 保持架用工程塑料選材時(shí)需考慮的因素

工程塑料的高溫耐熱性只要滿足相應(yīng)使用要求即可，太高會(huì)造成材料成本急劇上升，若有可能盡量選用通用工程塑料。要充分考慮工程塑料的環(huán)境(包含介質(zhì)、有氧或無(wú)氧和載荷等)和耐熱性能，如聚酰亞胺耐高溫性高于聚醚醚酮，但其在抗水解方面較聚醚醚酮差一些[11]。值得一提的是，文中提及的材料數(shù)據(jù)均由特定的測(cè)試得來(lái)，并沒有考慮保持架的性能要求。對(duì)于保持架用工程塑料的選用，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮“高溫-時(shí)間-環(huán)境-性能”之間的平衡。