多孔聚酰亞胺保持架含油材料的研究進展

何劉,李新躍,2*,李科,2,楊麟,楊林

(1.四川輕化工大學 材料科學與工程學院,四川 自貢 643000;2.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室,四川 自貢 643000)

作為飛輪和控制力矩陀螺等空間慣性傳動裝置的中樞零部件,空間軸承是航天機構的最基本組成部分,其可靠性直接影響航天器的性能和壽命[1-2]。許多航天器的失效故障就是空間軸承發生潤滑失效引起的[3]?？臻g軸承的工作條件非?？量?一般長期工作在失重、振動、高真空、高低溫和強輻射等環境[4-5]。因此,難以頻繁地對軸承進行潤滑油的添加,為避免其陷入貧油潤滑或干摩擦狀態,從而影響使用壽命,空間軸承的潤滑方式通常選取多孔含油保持架的空間微循環潤滑[6]。多孔材料因為內部分布有豐富的孔洞結構而具備優異的自潤滑性能,在正常工況下,這種孔洞結構能夠吸入并存儲潤滑油,而在工作時因為熱效應或受到壓力的作用,能夠持續穩定地向摩擦副表面供給潤滑油;在停止工作后,因為熱脹冷縮的原理和毛細管力的作用,潤滑油又被回吸到微孔中進行存儲,既能預防其流失,也可以避免潤滑油的污染[7]。常見的多孔材料包括多孔金屬、多孔陶瓷和多孔聚合物[8]。多孔金屬的強度雖然滿足軸承保持架材料的需求,但其耐腐蝕性和耐熱性差;多孔陶瓷雖然解決了金屬不耐熱和腐蝕的問題,但其密度大且抗沖擊能力差,也無法在空間軸承體系中實現應用。在符合所有要求的多孔聚合物中,聚酰亞胺(PI)材料是公認的綜合性能最優異的材料,是最重要的保持架工程塑料之一。

PI是一類主鏈上以酰亞胺環(-CO-NH-CO-)為結構特征的環鏈高分子聚合物,一般使用二元酐和二元胺進行合成制備,根據結構的不同可分為熱塑型和熱固型兩大類[9]。不僅不同種類的二酐和二胺可以制備出不同性能的PI,相同單體通過不同的合成方法制備的PI,其性能也會存在一定差異[10-12]。PI被譽為高分子材料金字塔的頂端材料,擁有卓越的耐高低溫性、耐輻照性和良好的熱穩定性、化學穩定性、耐磨性等,已在航空航天領域得到了較為普遍的應用,多孔聚酰亞胺(PPI)含油保持架便常被空間軸承使用[13]。目前已投入商業使用的聚酰亞胺保持架有日本的Upimol和Super Aurum,美國杜邦公司研發的Vespel SCP 5000,國內上海合成樹脂研究所的Ratem系列等[14]。對PPI含油保持架而言,機械強度和自潤滑性能難以兼得始終是個難點?？讖降拇嬖谑棺詽櫥阅艿奶嵘厝粫C械強度造成一定的損失。

本文系統介紹了國內外學者對多孔聚酰亞胺含油材料的研究現狀,總結了目前研究存在的一些問題,并展望了多孔聚酰亞胺含油材料的發展前景。

1 多孔聚酰亞胺材料的成型方法

1.1 冷壓燒結法

冷壓燒結可分為自由燒結和定容燒結。自由燒結指通過冷壓獲得脫模冷體,然后進行高溫燒結的工藝,適用于熔點低、彈性模量低的原料。這種方法由于難以克服材料的黏彈性導致機械性能極差。定容燒結則通過調節燒結壓力或型腔體積來獲得所需的孔隙率。通過這種方法獲得的這種多孔產品的性能受原料或粉末的特性以及所遇到的各種工藝參數的影響[15]。冷壓定容燒結制備的PPI的微孔隨著密度的減小而增大,含油率增大,但含油保持率較低,導致摩擦系數升高,拉伸強度和沖擊強度下降;較長的保溫時間有利于減小孔洞大小,但會降低PPI的強度[16]。對自由燒結和定容燒結制備的PPI進行比較:定容燒結制得的試樣綜合性能較好,其中環狀抗拉強度提高了82.0%;而自由燒結制得的試樣摩擦因數更低,但磨損量高了大約1/5;同一孔隙率下,兩者吸濕基本一致,均接近1%[17]。

1.2 模板-濾取法

模板-濾取法通過向聚合物粉末中加入成孔劑,然后進行溶解或在高溫下加熱等方法去除成孔劑以獲得具有受控孔徑和孔隙率的互連多孔結構材料[18],成孔劑一般為NaCl、K2CO3、淀粉、聚乙烯醇、蔗糖等易溶易分解物質。模板-濾取法通過對成孔劑的粒徑及含量進行調控,可以制備出孔徑可控且強度適中的多孔材料,但成孔劑殘留卻是難以避免的問題。隨著造孔劑含量的增大,PPI平均孔徑增大,含油率增加,自潤滑效果逐漸明顯;PPI的摩擦系數和磨損率則先降后升,成孔劑含量為8%時達到最低,分別為0.063和2.5×10-6mm3/(N·m),因此制備PPI應根據實際需求添加適量的成孔劑[19]。

1.3 等靜壓成型工藝

等靜壓成型工藝采用流體為載體對受壓物體各向等大小施加壓強,能實現孔徑的相對均勻分布。冷等靜壓的壓強和保壓時間對PPI的成孔性能的影響更大,而熱等靜壓的最高溫度提高和保壓時間延長則能得到更大的孔徑[20]。通過冷、熱等靜壓成型制備的兩級PPI孔隙率隨熱等靜壓壓力的增加而降低,但溫度對孔隙率的影響不明顯。兩級PPI保持了良好的力學性能,其拉伸強度高達22.3 MPa,且由于含油量高(>15%)和保油率高(93.3%,3 000 r/min,180 min),其摩擦系數低至0.096,磨損率更低至0.68×10-6mm3/(N· m)[21]。

1.4 3D打印成型工藝

傳統的冷壓成型方法,難以制造具有復雜形狀且保持良好性能的物體。三維(3D)打印的出現為聚合物提供了一種強大的技術來構建復雜和功能性的3D物體。它依靠材料的逐層或連續沉積來制造具有復雜的三維結構和精確控制的內部結構的物體。通過3D打印制得的PPI微孔分布均勻,具有良好的機械性能和熱穩定性能,其拉伸強度約為84 MPa,熱分解溫度約為475 ℃,并且在不同的潤滑油和載荷條件下均表現出良好的摩擦學性能,OPPI在5 N載荷下摩擦系數降至0.06[22]。

2 多孔聚酰亞胺的性能研究

2.1 孔徑和孔隙率對多孔聚酰亞胺材料的性能影響

多孔含油材料的孔徑和孔隙率不僅直接影響其儲油、出油性能,進而影響到其油浸摩擦學性能,而且對多孔材料的力學性能、導熱性能和耐腐蝕性能有決定性作用[23-24]。壓力和成孔劑是影響孔徑和孔隙率的主要因素。PPI的孔隙率與造孔劑的含量是正比關系,隨著孔隙率的增加,PPI的孔徑和含油量增加的同時保油率和力學性能降低,摩擦系數則是先減小后增大,OPPI的最佳孔隙率為20.05%,摩擦系數降低了46.15%[25]?？讖揭恢聲r,PPI的摩擦系數隨著載荷和轉速的增加而減小;隨著孔徑的增大,油浸試樣的摩擦系數先減小后增大;樣品的孔徑太小,則難以將潤滑劑充分地供應到表面,而孔徑過大的樣品會降低潤滑劑的承載能力;此外,對于孔徑較大的多孔聚酰亞胺保持架,應選用黏度較高的潤滑劑[26]。

2.2 溫度對多孔聚酰亞胺材料的性能影響

溫度是影響摩擦力的重要因素之一。材料表面的摩擦系數一般會由于環境溫度的改變而發生變化,不同材料變化的程度不同[27]。溫度的變化會使潤滑油產生熱脹冷縮效應,也會改變潤滑油的黏度,實現潤滑油的流動循環。隨著磨損表面溫度的升高,PPI的摩擦系數和磨損率均先顯著減小再增大,在300 ℃下,浸漬苯基硅油的PIB-2摩擦系數和磨損率分別為0.038和1.41×10-6mm3/(N·m)[28]。溫度對OPPI摩擦學性能的影響是通過改變供油量和黏度來實現的。隨著溫度的升高,潤滑劑的黏度降低,潤滑劑供給量增加,進而影響不同轉速下的摩擦學性能[29]。

2.3 潤滑油與多孔聚酰亞胺材料的相容性

相容性指的是潤滑油不會對與其接觸的材料產生侵蝕,同時也不會被該材料污染[30]。不相容會導致保持架材料的各項性能下降、潤滑油污染變質,對含油潤滑性能產生影響[31]。不同牌號的潤滑油浸漬后,PPI的含油率基本一致,運動黏度對含油率不產生影響,潤滑油的性能和保持架材料的力學性能也未發生明顯改變。黏度較大的聚α烯烴油,在多孔結構中的流動性較差,保油率較高;黏度一致的情況下,潤滑油的流動性與分子結構有關[32-33]。浸漬多烷基化環戊烷(MACs)油、聚α-烯烴(PAO)油后保持架的保油率并無明顯差異,均在94%以上;保持架干摩擦系數為0.147,而浸漬MACs油、PAO油后的摩擦系數分別降至0.042和0.061[33]。

2.4 多孔聚酰亞胺材料的尺寸穩定性研究

PPI機械強度相對較低,同時具備較強的吸附能力,因此在進行機械加工、超聲清洗和潤滑油浸漬等預處理手段中容易受到溫度、濕度以及內外應力等工作環境的影響,嚴重時還可能發生分子鏈斷裂和交聯的老化現象,對PPI保持架材料尺寸的穩定性造成破壞[34]。溶劑清洗會使PPI保持架材料的微孔吸入溶劑而發生膨脹,在經過真空高溫烘干后可恢復;而含油狀態和高低溫熱循環對其無影響;此外,環境濕度對PPI影響較大,其尺寸隨著濕度的增加而增大[35]。對PPI進行長達1 000 h的水解老化試驗后發現其具有比較優異的耐濕熱老化性能和環境適應性[36]。

2.5 多孔聚酰亞胺材料的改性研究

雖然PI的含油摩擦性能較為優異,但在實際應用中一般還存在含油率低或含油率高但保油性差等不足,含油摩擦性能達不到預期結果,對其進行相應的改性能夠有效改善性能、彌補不足。采用氨基硅油作為改性劑對PPI的表面進行化學修飾可以減小孔徑和硅油接觸角,使PPI對硅油的保有率由52%提高到87%[37]。介孔碳能明顯提高PPI的含油率,介孔碳質量分數2%時的改性PPI含油率提升了1/2,但機械性能顯著降低,摩擦系數升高;少量的石墨烯能提高PPI的含油率,并降低其摩擦系數,但含量過多會導致PPI的含油摩擦系數迅速升高,沖擊強度明顯下降,與改性前相比,石墨烯質量分數1.0%時的改性材料摩擦系數減小6.6%,磨損率下降27.3%;稀土對PPI含油摩擦性能的優化極大,含油率隨稀土含量的增加而升高,含油摩擦系數雖先降后升,但均比純PI低,最低達0.026,磨損量也極小[38-39]。

3 存在問題及展望

盡管多孔聚酰亞胺保持架相關的研究不少,并且有一些已經在航天航空領域得到了應用,但是隨著航空航天事業的進一步發展,對多孔聚酰亞胺保持架材料的要求越來越高,現有的成果還滿足不了未來的需求。目前存在的一些問題也急需解決:1)PPI先進制備技術復雜,某些新工藝的工業化進程不夠,生產效率較低;2)PPI相關分子動力學方程的建立和潤滑模型的構建不夠完善;3)PPI的孔徑及孔隙度等微觀結構仍未徹底實現可控與可調;4)PPI的磨損機理和潤滑機理研究不足,致使減緩軸承潤滑事故的技術停滯不前。

為保證航天器的低摩擦、低磨損和長壽命,有關多孔聚酰亞胺保持架的研究還需深入。為了達到這個目的,可以從這些方向著手:1)合成具有特殊分子結構的聚酰亞胺;2)改進多孔聚酰亞胺保持架的制備工藝;3)進一步探尋多孔聚酰亞胺材料的復合改性;4)加強對多孔聚酰亞胺保持架的潤滑機理的研究。

4 結束語

多孔聚酰亞胺軸承保持架材料密度低、質量小、耐高低溫、自潤滑性能好,適用于作為高精度、長壽命的空間用軸承保持架材料。但目前存在使用溫度較低、機械性能與含油性能相互對立、難以協同等問題,其研究還需深入。并且,多孔聚酰亞胺含油保持架在潤滑機理方面的研究相對較少,進一步明確其潤滑機理對高精度、長壽命的多孔聚酰亞胺含油軸承保持架的深入研究有重要的指導意義。