碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承的特性及制備方法

程諾，侯玉杰，李秋霞

（成都中超碳素科技有限公司，成都 610000）

1 引言

軸承是機(jī)械工業(yè)中常用的一種機(jī)械零部件。石墨軸承是隨著機(jī)械設(shè)備的性能要求，在金屬軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類新型軸承，主要用于高溫及低溫，高速及低速滑動(dòng)情況下；對(duì)有強(qiáng)腐蝕作用的氣體及液體介質(zhì)有很好的耐腐性能；以及用于航天、特種工況機(jī)器人關(guān)節(jié)、食品、紡織、化工等行業(yè)中的運(yùn)輸機(jī)、干燥機(jī)、紡織機(jī)、潛水泵電機(jī)等設(shè)備中的軸承，這些部位如用油脂潤(rùn)滑劑等將不可避免的會(huì)引起污染，而石墨軸承的自潤(rùn)滑性很強(qiáng)，可在不使用潤(rùn)滑油的情況下而進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 現(xiàn)有石墨軸承及存在的缺陷

圖1 鑲金屬石墨軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Principal scheme of inlaid metal graphite bearing

由于碳石墨材料是一種脆性材料，其本身所固有的強(qiáng)度不高，因而使用范圍受到了很多限制，為了提高石墨軸承的機(jī)械強(qiáng)度，通常需要在石墨軸承外熱裝金屬套以增強(qiáng)整體石墨軸承強(qiáng)度，擴(kuò)大使用范圍。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,但熱裝金屬套的石墨軸承在提高了整體強(qiáng)度的同時(shí)也存在著如下問(wèn)題。

2.1 耐腐蝕性受到限制

雖然這種表面裝有鋼套的軸承克服了強(qiáng)度不足的問(wèn)題，達(dá)到了要求的機(jī)械強(qiáng)度，但由于鋼件外套的存在，其耐腐蝕性的能力變差，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等具有強(qiáng)腐蝕性液體、氣體的情況下，鋼件外套極易被腐蝕，即使選擇價(jià)格昂貴的耐化學(xué)腐蝕的金屬外套，其耐腐蝕性仍然不可能達(dá)到單純的碳石墨材料，因此在有腐蝕性介質(zhì)的情況下，鑲金屬石墨軸承的使用受到了極大的限制。

2.2 使用溫度受到了限制

在高溫情況下，由于鋼件外套與碳石墨材料的熱膨脹系數(shù)不一致，大約使用溫度在600℃左右時(shí)，熱裝的組合軸承很容易出現(xiàn)碳石墨套從外部鋼套中松動(dòng)、甚至整體脫落出來(lái)的情況，造成組合軸承件失效，因此，溫度也是限制鑲金屬石墨軸承使用范圍的一大因素。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)不一致

即使在無(wú)腐蝕、無(wú)高溫的情況下，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，石墨部分會(huì)與其接觸部件因摩擦產(chǎn)生大量的熱，而碳石墨和外面的金屬鋼套的導(dǎo)熱系數(shù)不一致，這種結(jié)構(gòu)的軸承在使用過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不容易導(dǎo)出去，內(nèi)外部分會(huì)存在溫差，易產(chǎn)生皰疤以及電化學(xué)現(xiàn)象，從而使軸承失效。

由于上述問(wèn)題使熱裝金屬的石墨軸承在使用范圍受到了很大的限制。如何擴(kuò)大石墨軸承的使用范圍是我們急需解決的問(wèn)題，通過(guò)多年的研究、實(shí)驗(yàn)，我們終于生產(chǎn)研制出了一款新型石墨軸承——碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承。

3 碳纖維纏繞復(fù)合軸承

碳纖維纏繞復(fù)合軸承是指在碳石墨軸承套的表面纏繞一層單邊約5毫米厚的碳纖維，并通過(guò)高溫?zé)Y(jié)-浸漬-固化-再次高溫?zé)Y(jié)等工藝處理，從而得到所需的碳纖維纏繞石墨軸承，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承剛好解決了現(xiàn)有石墨軸承存在的不足之處，具有熱膨脹系數(shù)一致、承載能力強(qiáng)、耐沖擊、耐高溫、自潤(rùn)滑性強(qiáng)、免維護(hù)、抗酸堿腐蝕、足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性能的復(fù)合軸承，特別適用于重載、高溫、低速、難以注油等場(chǎng)合。

圖2 碳纖維纏繞軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Principal scheme of carbon fiber wound graphite bearing

3.1 碳纖維纏繞石墨的優(yōu)點(diǎn)

3.1.1 兼具自潤(rùn)滑性和機(jī)械強(qiáng)度

碳纖維纏繞軸承由于內(nèi)部是碳石墨材質(zhì)，石墨晶格內(nèi)的碳原子按正六角形排列于各平面上，在每一個(gè)平面上，碳原子的結(jié)合力很強(qiáng)，而平面與平面之間由于距離較大，它們之間的范德華作用力很弱，因此在外力的作用下，層與層之間易于離開(kāi)和相對(duì)滑動(dòng)，這是石墨材料具有自潤(rùn)滑性能的根本原因，另外由于石墨材料和大部分的金屬材料有較強(qiáng)的附著力，因此在與金屬對(duì)磨時(shí)，剝落下來(lái)的石墨很容易附著在金屬表面，形成一層石墨潤(rùn)滑膜，從而大大的較低了磨損和摩擦系數(shù)，因此，碳纖維纏繞復(fù)合軸承具有良好的自潤(rùn)滑性。而在工作時(shí)，碳纖維纏繞層承擔(dān)大部分載荷，其機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)于碳石墨材料的5倍，可與鑲金屬石墨軸承媲美。

3.1.2 良好的化學(xué)穩(wěn)定性

綜上所述,大株紅景天注射液聯(lián)合曲美他嗪治療冠心病心力衰竭能夠發(fā)發(fā)揮出比曲美他嗪治療冠心病心力衰竭更佳的治療效果,患者的治療有效性明顯提高,不良問(wèn)題發(fā)生率明顯降低,患者的心功能得到了明顯的優(yōu)化,因而應(yīng)該在臨床領(lǐng)域大力推廣“大株紅景天注射液+曲美他嗪”的冠心病心力衰竭治療辦法。

碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承由于內(nèi)外部分都是碳、碳纖維材料，而碳石墨類材料是一種化學(xué)穩(wěn)定性極高的材料，正真的純碳材料無(wú)論是在有機(jī)溶劑還是無(wú)機(jī)溶劑中都不溶解，在大部分的酸、堿、鹽中都不反應(yīng)、不腐蝕，其碳石墨制品的化學(xué)相容性見(jiàn)表一。許多場(chǎng)合使用軸承時(shí)必須將軸承浸沒(méi)在汽油、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料或其他有機(jī)液體中運(yùn)轉(zhuǎn)，這些流體能溶解而且從滾動(dòng)元件或金屬軸承套中將油脂或潤(rùn)滑劑帶走，還有其他一些情況，軸承必須浸沒(méi)在鹽酸或者氫氟酸中，這些情況下一般都有碳石墨軸承來(lái)替代密封或者滾動(dòng)軸承[1]，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等具有強(qiáng)腐蝕性液體的情況下，碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承的其耐腐蝕性可以達(dá)到單純的碳石墨材料的效果問(wèn)題，因此碳纖維纏繞復(fù)合軸承具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

表1 碳石墨制品的化學(xué)相容性[2]Table 1 Chemical compatability of manufactured carbon

3.1.3 良好的耐高、低溫性

碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承，不僅提高了軸承的強(qiáng)度，解決了現(xiàn)有技術(shù)鑲金屬石墨軸承，由于金屬和碳材料的熱膨脹系數(shù)不一致，在溫度較高的情況下，易產(chǎn)生脫落，松動(dòng)，使軸承失效的問(wèn)題。碳纖維纏繞軸承由兩部分組成，由于碳纖維材料和碳石墨材料的熱膨脹系數(shù)基本相同，其耐熱度100%相當(dāng)于碳素制品，即使在高溫的狀況下，也不會(huì)出現(xiàn)相互松動(dòng)、脫落的現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，一般的石墨軸承的使用溫度為200℃，而真正的純碳石墨軸承使用溫度可達(dá)500℃，其抗氧化性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表二，如果在真空或者保護(hù)氣氛下，其使用溫度可達(dá)1000℃以上，石墨的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度升高而增加，當(dāng)從室溫升高到2500℃時(shí)，強(qiáng)度約增加為兩倍。

表2 碳石墨材料的耐高溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 temperate test data of carbon graphite material

在-40℃以下時(shí)，大多數(shù)類潤(rùn)滑油要凝固或粘稠，使軸承類的功率損耗急劇增加，因?yàn)樘际S承具有自潤(rùn)滑性，所以即使在低溫環(huán)境中也可以運(yùn)轉(zhuǎn)而無(wú)損于轉(zhuǎn)軸，碳石墨制品在制冷環(huán)境中使用的潛力首先由Wisander等人做了深入的研究，他們的這項(xiàng)研究由Bisson和Hadg等人作了推廣，由于這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究結(jié)果，現(xiàn)在的碳石墨軸承已經(jīng)廣泛的使用于液氧和液氫泵中[3]。

3.1.4 碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承的其他性能

大劑量的輻射對(duì)多數(shù)油脂、塑料、金屬都存在有害影響，但Χ射線、β射線、γ射線對(duì)碳石墨制品是不起作用的，因此碳纖維纏繞復(fù)合石墨軸承具有很強(qiáng)的抗輻射能力。而用于航天、航空等場(chǎng)合，由于強(qiáng)大的離心力等作用，用油或者脂的軸承很快就會(huì)失掉它的潤(rùn)滑劑，因此碳纖維纏繞復(fù)合碳石墨軸承由于它的自潤(rùn)滑性、自身重量輕（其密度相當(dāng)于鐵等金屬的1/4～1/5)、強(qiáng)度高等特性，廣泛的應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域。 碳石墨軸承和其他軸承比較，還具有導(dǎo)熱性好，線膨脹系數(shù)小，能耐急熱急冷等性能。

3.2 碳纖維纏繞軸承的加工方法

其加工方法如下：先加工好石墨軸承套，在碳石墨軸承套的表面纏繞一層單邊約5毫米厚的碳纖維，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)-浸漬-固化-高溫?zé)Y(jié)等工藝處理，從而得到所需的碳纖維纏繞石墨軸承，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 碳纖維纏繞軸承結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Principal scheme of carbon fiber wound graphite bearing

具體加工案例（要求碳纖維纏繞軸承成品規(guī)格￠110*80*120）

第一步，碳纖維纏繞碳石墨軸承包括先加工好石墨芯軸套2，規(guī)格尺寸為￠105*70*130。

第二步，然后利用專業(yè)的纏繞設(shè)備，在石墨芯軸套的表面纏繞一層編織碳纖維層，其規(guī)格尺寸為￠115*70*130。表面碳纖維纏繞層1的單邊厚度至少為5mm，其纏繞的碳纖維層厚度與最終的軸承尺寸、軸承所受載荷成正比。

第三步，將纏繞好的石墨軸承，放入有氣體保護(hù)的電爐中，通過(guò)10個(gè)小時(shí)的加熱，最高溫度600，并恒溫2小時(shí)，該步驟的主要目的是燒掉碳纖維中的樹(shù)脂成分，使其部分碳化，騰出空間，為下一步做準(zhǔn)備。

第四步，將燒結(jié)后的碳纖維纏繞軸承放入反應(yīng)釜中，浸漬樹(shù)脂，然后放入固化罐中，抽真空，加壓至少0.6MPa,升溫到200℃進(jìn)行固化。

第五步，固化完成后的碳纖維纏繞軸承再次放入有氣體保護(hù)的電爐中，通過(guò)10小時(shí)的加熱，最高溫度800℃，使浸漬進(jìn)去的樹(shù)脂碳化，這種同體燒結(jié)，一能夠填充表面碳纖維上的間隙，另外也能夠填充碳纖維層與芯軸套之間的間隙，從而讓碳纖維表層和芯軸套通過(guò)樹(shù)脂的固化物更牢固的連接在一起。

第六步，粗車內(nèi)外圓和端面，以及內(nèi)部和端面的油槽。

第七步，按圖紙要求精車外圓，磨內(nèi)孔，拋光端面。

4 結(jié)論

由于碳纖維纏繞軸承獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在工作時(shí)，碳纖維纏繞層承擔(dān)大部分負(fù)荷，而內(nèi)部的碳石墨材料，在與軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，固體潤(rùn)滑劑通過(guò)轉(zhuǎn)移和反轉(zhuǎn)移，在摩擦面上形成潤(rùn)滑良好、附著均勻的潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜。隨著軸承的連續(xù)運(yùn)行，大幅度降低了工作磨損，優(yōu)良的自潤(rùn)滑性，足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性能、較高的導(dǎo)熱率和熱穩(wěn)定性能和良好的抗化學(xué)腐蝕性保證了長(zhǎng)期運(yùn)行的良好潤(rùn)滑，突破了普通軸承依靠油膜潤(rùn)滑的界限，具有承載能力強(qiáng)、耐沖擊、耐高溫、摩擦系數(shù)低、磨損小、低噪音、自潤(rùn)滑性強(qiáng)、免維護(hù)、抗酸堿腐蝕、不怕水沖等優(yōu)點(diǎn)。工作壽命長(zhǎng)，環(huán)保節(jié)能，效果顯著。特別適用于重載、高溫、低速、難以注油的場(chǎng)合。大大的拓展了軸承的使用范圍，廣泛應(yīng)用于礦山、化工、冶金、水利、建筑，航空、航天等領(lǐng)域。