溫濕度對多孔含油膠木保持架性能的影響

買楠楠，席博倫，李媛媛，董胤喆，孫小波

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.高性能軸承數字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；3.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039)

多孔酚醛膠木管是以棉布為基材，酚醛樹脂為粘合劑，熱反應型發泡劑為成孔劑，通過熱輾壓及燒結工藝成為管狀的復合材料[1]。將多孔酚醛膠木管按照尺寸要求加工成多孔膠木保持架，再經清洗、干燥、真空浸油和去除浮油后，即可得到多孔含油膠木保持架。多孔含油膠木保持架利用棉纖維的毛細管作用吸收并儲存潤滑油，具有良好的儲油能力和摩擦性能[2]，在無額外供油的條件下，能夠有效緩釋潤滑，實現航空、航天軸承的長壽命、高精度和高可靠性[3-4]。

干燥的多孔膠木保持架材料具有較強的吸濕性，吸濕后保持架材料發生膨脹，其直徑增加0.2%～0.4%[5-6]，保持架浸油后，潤滑油會與空氣中的水分進行交換，依舊表現為吸濕性。復合材料的吸濕性[7-8]主要受溫度、濕度、應力、介質等因素的影響，多孔含油膠木保持架材料的吸濕性還與酚醛樹脂合成工藝及棉布支數有關。根據長壽命軸承的應用特點，保持架的含油率、尺寸、拉伸強度等參數都有設計范圍，即使保持架材料和潤滑介質均在存儲期內，若保持架的性能參數及尺寸精度受溫、濕度影響超出設計范圍，也將對軸承的使用壽命產生不可預估的影響。

本文以新型多孔酚醛膠木管為研究對象[9]，研究溫濕度對多孔含油膠木保持架關鍵指標的影響規律，為軸承設計人員和主機用戶提供基礎數據，保證航空、航天長壽命軸承的可靠性。

1 試驗

1.1 樣品制備

多孔酚醛膠木材料以酚醛樹脂為粘合劑，亞硝基類為發泡體系，使用100 支紗細平布基棉布，采用熱卷壓及固化發泡成孔方法制備多孔酚醛層壓布管材料。將管料按照尺寸要求粗車成保持架，經高低溫穩定處理和保持架預浸油工序后，有效釋放材料應力，尺寸提前變化到量，再經精車到位，得到多孔膠木保持架。將加工得到的成品多孔膠木保持架清洗后，于真空環境下浸入潤滑油中，采用自制離心機在25 ℃，8 000 r/min 條件下對含油保持架進行甩油，得到多孔含油膠木保持架。

1.2 試驗儀器及材料性能測試方法

采用Autopore Ⅳ 9500 型高壓孔隙結構儀測試保持架的孔徑和孔隙率；室溫環境(25 ℃)下，采用CMT6503型微機控制電子萬能試驗機測試試樣拉伸強度，測試件為與保持架內外徑尺寸相同的試環，測試3 件，結果取平均值；采用VMS-4030G型軸承影像測量儀測量保持架的內外徑；采用MS105DU 型精密天平測試保持架浸油前、后的質量，通過(1)式計算保持架的含油率；采用TSY-1109A 型運動黏度測定儀測試潤滑油的運動黏度。含油率及尺寸每組取平均值，保持架浸用油為4123 精密軸承潤滑油，性能見表1。試驗保持架取2 種典型尺寸并分別記為保持架A 和B，其初始尺寸及性能見表2。

表1 4123潤滑油性能

表2 試驗保持架初始尺寸及性能

式中：η為含油率；G1為試樣浸油后的質量；G0為試樣未浸油時的質量。

1.3 試驗方法

1.3.1 溫度試驗

將制備好的2 種多孔含油膠木保持架每10 件為一組置于烘干箱中，溫度分別選擇40，60，80，100 ℃，每個溫度點試驗240 h，取樣周期為24 h，即每隔24 h 取出試驗保持架，在干燥器中穩定至室溫后測試保持架的含油率、內外徑尺寸及拉伸強度。

1.3.2 濕度試驗

將制備好的2 種(每種10 件)多孔含油膠木保持架置于溫度40 ℃，濕度98%的溫濕度箱內，試驗總時間為28 d，測量試驗前后保持架的質量改變率、內外徑尺寸及拉伸強度。

2 結果與分析

2.1 溫度試驗

2.1.1 溫度對保持架含油率的影響

不同溫度下多孔含油膠木保持架的含油率如圖1 所示：保持架A 初始含油率為11.58%，經過240 h試驗后，含油率在40，60，80，100 ℃時分別降至11.25%，11.10%，10.99%，10.84%；保持架B初始含油率為14.12%，經過240 h 試驗后，含油率在40，60，80，100 ℃時分別降至13.94%，13.85%，13.62%，13.51%。由表1 可知，潤滑油運動黏度隨溫度升高而降低，潤滑油黏度降低，其在棉纖維毛細管中流動性變大，保持架出現一定程度的出油現象，保持架含油率降低，因此試驗初始時保持架含油率下降明顯，隨后趨緩，在第7—8天后基本不變，達到穩定狀態。在相同溫度條件下(如100 ℃)，與初始值相比，試驗后保持架A 含油率下降了6.39%，保持架B 含油率下降了4.32%，這是由于保持架A 孔徑是保持架B 的1.9 倍，保持架材料孔徑越大，越易出油。

圖1 不同溫度下多孔含油膠木保持架的含油率

2.1.2 溫度對保持架尺寸的影響

多孔含油膠木保持架尺寸變化量隨溫度的變化如圖2所示：保持架A經240 h溫度試驗后，外徑變化量不大于0.015 mm，內徑變化量不大于0.003 mm；保持架B 經240 h 溫度試驗后，外徑變化量不大于0.020 mm，內徑變化量不大于0.010 mm。這是因為保持架B 外徑大于保持架A，變化量也較大。高低溫穩定處理和保持架預浸油工序后，精車到位的保持架經同一溫度試驗后尺寸比較穩定，不同溫度下保持架尺寸變化量隨溫度升高略有增大趨勢，但相比各自初始值，尺寸變化率不大于0.1%。

圖2 多孔含油膠木保持架尺寸變化量隨溫度的變化

2.1.3 溫度對保持架拉伸強度的影響

多孔含油膠木試環拉伸強度隨溫度的變化如圖3所示：保持架A 和B 經240 h溫度試驗后，拉伸強度均在1%以內變化，基本穩定。這是因為多孔酚醛膠木管固化保溫溫度大于110 ℃，酚醛樹脂凝膠固化和發泡劑的發泡達到同步，固化成孔，形成固定的孔徑和孔隙率，多孔含油膠木保持架的拉伸強度與孔隙率有關，隨著試驗溫度升高，保持架孔隙率不變，拉伸強度基本穩定。

圖3 多孔含油膠木試環拉伸強度隨溫度的變化

2.2 濕度試驗

2.2.1 濕度對保持架含油率的影響

保持架A 和B 在40 ℃，98%RH 環境條件下存在一定程度的出油現象，但保持架吸濕后，微孔中的潤滑油被空氣中的水取代，吸濕量大于出油量，保持架質量增加，質量改變率隨吸濕時間的變化如圖4所示：保持架A的質量隨著在溫濕度箱中時間增加而增加，在初始的8 天內質量改變率達到0.40%，隨后緩慢增加，最終穩定在0.45%，而未浸油保持架A在初始的8天內質量呈線性增長，隨后平緩增加，最終基本保持在0.6%；保持架B 的質量也隨著在溫濕度箱中時間增加而增加，在初始的6天內質量改變率快速達到0.15%，隨后緩慢增加，最終穩定在0.17%，而未浸油保持架B 在初始的8 天內質量改變率呈線性增長，隨后緩慢增加，最終保持在0.37%左右。

圖4 保持架質量改變率隨吸濕時間的變化

由于多孔酚醛膠木材料的吸濕特性，保持架即使完全浸油后依舊發生吸濕現象。初期保持架材料與環境之間因較大的濃度梯度而快速擴散吸濕，后期開始吸收結合水，吸濕速度減慢，最終達到飽和。未浸油保持架比浸油后保持架吸濕量大，質量改變率大，其中保持架A 未浸油的質量改變率是浸油的1.3倍，保持架B未浸油的質量改變率是浸油的2.2倍，這是由于未浸油保持架孔道豐富且富含親水性官能團(如羥基)，具有較強的吸濕性，而浸油后保持架孔道充滿潤滑油，吸濕速率減慢。保持架A 的質量改變率是保持架B 的2.6 倍，這是由于保持架A的壁厚和孔徑均大于保持架B，水分子更易受材料內外部的滲透壓驅動，通過毛細管擴散作用向材料內部擴散。

2.2.2 濕度對保持架尺寸的影響

保持架尺寸變化量隨濕度的變化如圖5所示：未浸油保持架A 外、內徑變化率分別為0.30%和0.18%，未浸油保持架B 外、內徑變化率分別為0.20%和0.09%；浸油后，保持架A 外徑比初始增大了0.035 mm，外徑變化率為0.11%，保持架A內徑比初始增大了0.015 mm，內徑變化率為0.05%，保持架B 外徑比初始增大了0.040 mm，外徑變化率為0.06%，保持架B 內徑比初始增大了0.025 mm，內徑變化率為0.04%。這是因為水分子一部分通過擴散進入多孔膠木孔隙，主要集中在保持架表層的微孔中，另一部分與極性基團鍵合，形成范德華力，使分子鏈加寬，體積增大，保持架外形發生變化，導致尺寸變化。

圖5 保持架尺寸變化量隨濕度的變化

根據試驗結果可以得出，多孔含油保持架吸濕后尺寸變化量與壁厚有關，保持架A 壁厚是保持架B 的1.6 倍，其內部濕度梯度較大，各個方向呈現復雜的變形，因此無論是否含油，保持架A 內外徑的變化率均大于保持架B。參照表2 保持架尺寸參數，多孔含油保持架吸濕后尺寸變化量在設計要求范圍內。

2.2.3 濕度對保持架拉伸強度的影響

28 天吸濕試驗后，保持架A 和B 的拉伸強度均略有降低，保持架A 的拉伸強度從82.6 MPa 降至82.5 MPa，降低至初始的98.7%，保持架B 的拉伸強度從72.4 MPa 降至70.8 MPa，降低至初始的97.8%。多孔酚醛膠木材料由棉布纖維和酚醛樹脂組成，內部分布微孔，固化過程中發泡劑的揮發存在隨機性，氣泡可能發生聚集或合并長大，形成材料孔徑分布不均勻的現象；且固化后酚醛樹脂的結構具有熱穩定性，分子中多為交聯密度高且結構致密的樹脂，吸濕性能低于棉布纖維，使得酚醛樹脂基體與棉布纖維的體積膨脹不匹配，從而導致復合材料中局部應力和應變區的形成，因此多孔含油保持架吸濕試驗后的拉伸強度有所降低。

3 結論

以新型多孔酚醛膠木管為研究對象，分析溫濕度對多孔含油膠木保持架各項關鍵指標的影響規律，得到主要結論如下：

1)多孔含油膠木保持架隨溫度升高出現一定程度的出油現象，試驗初期含油率下降速率最大，隨后緩慢下降并趨于平穩，含油率下降速率與初始含油率和孔徑有關，材料孔徑越大，出油量越大。隨溫度升高，多孔含油膠木保持架尺寸變化量略有增大趨勢，尺寸變化率不大于0.1%，拉伸強度變化浮動在1%以內。

2)多孔膠木保持架浸油后孔道充滿潤滑油，吸濕速率慢于未浸油保持架。吸濕初期由于較大的濃度梯度，多孔含油膠木保持架質量改變率增大，后期速度減慢，最終趨于飽和，質量改變率與保持架壁厚和孔徑有關；保持架吸濕后內外徑均有所增大，尺寸變化率不大于0.2%；保持架吸濕后拉伸強度降低，降低率不大于3%；高濕度對多孔含油膠木保持架尺寸和拉伸強度的影響大于溫度。