自潤(rùn)滑耐磨工程塑料是一種摩擦系數(shù)很低、耐磨性能優(yōu)良且有自潤(rùn)滑性的高分子材料，廣泛應(yīng)用于制造耐磨零部件，如軸承、齒輪、凸輪、軸套、密封件、輥?zhàn)雍突壍龋梢源娼饘伲ㄓ绕涫怯猩饘僦圃旎瑒?dòng)軸承、密封組件及各種摩擦組件），能用于油潤(rùn)滑以外的無(wú)油潤(rùn)滑或水潤(rùn)滑，甚至在更苛刻的條件下使用。
隨著現(xiàn)代高端裝備對(duì)系統(tǒng)可靠性與長(zhǎng)壽命等的技術(shù)需求，減摩耐磨等工程塑料零部件的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。同時(shí)，單一的工程塑料往往不能同時(shí)滿足系統(tǒng)對(duì)材料自潤(rùn)滑性和耐磨性能的需求，因而需要針對(duì)工況特點(diǎn)，對(duì)工程塑料材料進(jìn)行改性，以滿足更加廣泛的應(yīng)用需求。長(zhǎng)期以來(lái)，改善工程塑料的自潤(rùn)滑性和耐磨性能已成為人們關(guān)心和重視的課題。
通常，可以作為自潤(rùn)滑耐磨工程塑料基體材料的熱塑性聚合物有聚四氟乙烯（PTFE）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、尼龍（PA）、聚甲醛（POM）以及聚醚醚酮（PEEK）等高分子材料，熱固性材料有環(huán)氧樹(shù)脂（EP）、聚氨酯（PU）、酚醛樹(shù)脂以及聚酰亞胺（PI）等�？勺鳛樽詽�(rùn)滑以及耐磨損的高分子材料必須滿足基體材料在特定環(huán)境與工況條件下對(duì)耐溫性、承載力等性能的要求。
聚合物減摩與潤(rùn)滑理論
聚合物的摩擦磨損特性主要取決于聚合物材料的化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)等固有特性，除了聚合物的本征特性以外，聚合物材料在摩擦磨損過(guò)程中的服役環(huán)境與工況參數(shù)，如摩擦表面的組織結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、表面化學(xué)特征以及摩擦對(duì)偶材質(zhì)、載荷、滑動(dòng)速度、環(huán)境溫度、濕度等，對(duì)聚合物的摩擦磨損性能均有很大的影響。
眾所周知，當(dāng)兩固體表面接觸并產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生摩擦，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面破壞，即磨損，并產(chǎn)生摩擦熱。對(duì)于大多數(shù)對(duì)熱敏感的聚合物材料，強(qiáng)烈的摩擦熱作用會(huì)導(dǎo)致聚合物材料表面發(fā)生塑性變形或熔融，因此需要通過(guò)添加具有長(zhǎng)徑比的纖維（如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及陶瓷纖維等）或具有特殊結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)填料（如二氧化硅、三氧化二鋁及氮化硅等）對(duì)聚合物進(jìn)行增強(qiáng)改性，以防止在高載、高速或高溫條件下材料表面的變形與磨損。已有研究表明，硬質(zhì)顆粒會(huì)對(duì)接觸表面產(chǎn)生磨粒作用，通常會(huì)刮傷對(duì)摩材料表面，使得摩擦系數(shù)增大。
工程塑料的耐磨性與其物理機(jī)械性能緊密相關(guān)。摩擦系數(shù)與材料的本征特性也具有緊密關(guān)系。因此，通過(guò)化學(xué)手段改善聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)，以及通過(guò)物理共混等方法改善聚合物材料的物理機(jī)械性能均能提高材料的摩擦磨損性能。
通常，提高工程塑料的摩擦學(xué)性能主要有以下兩種技術(shù)手段。第一，在聚合物基體中添加具有低剪切強(qiáng)度和自潤(rùn)滑性的潤(rùn)滑粒子，如添加二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯等，以降低材料的摩擦系數(shù)。第二，在聚合物基體中添加硬質(zhì)顆�；蚶w維增強(qiáng)劑，以提高材料的耐磨性。隨著工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)こ趟芰夏Σ聊p性能要求的進(jìn)一步提高，采用耐磨劑與潤(rùn)滑劑共同添加的方式，以期獲得具有良好綜合性能的自潤(rùn)滑耐磨工程塑料。
自潤(rùn)滑耐磨工程塑料
下面就自潤(rùn)滑耐磨工程塑料在民用高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用做以介紹。
隨著汽車工業(yè)對(duì)成本與性能可靠性方面的需求增加，業(yè)界對(duì)汽車零部件的使用壽命與低摩擦提出了較高的技術(shù)要求。據(jù)美國(guó)環(huán)保局（EPA）依據(jù)典型汽車測(cè)得如下數(shù)據(jù)，汽車消耗在各種摩擦損失中的能量占其燃料能量消耗的10.5%，摩擦伴隨著磨損的產(chǎn)生，汽車零部件的主要失效形式之一是磨損，磨損故障約占50%，由磨損故障帶來(lái)的維修費(fèi)用約占汽車使用總費(fèi)用的25%。因此，如何正確選擇聚合物自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合材料的配方、設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)及采取何種潤(rùn)滑方式，以達(dá)到最佳的綜合使用效果，是長(zhǎng)期以來(lái)重要的研究課題。
例如，聚甲醛（POM）是在汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的自潤(rùn)滑耐磨工程塑料，在汽車泵、汽化器部件、動(dòng)力閥、萬(wàn)向節(jié)軸承、彈簧襯套、馬達(dá)齒輪、曲軸及汽車窗升降機(jī)裝置、安全帶扣等方面具有重要的應(yīng)用前景。PTFE復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用主要是利用其摩擦性能和耐熱性能制造各種墊圈、緩沖環(huán)、密封圈、閥座等。為了提高工程塑料的承載能力，將各種填充劑改性的PTFE與金屬進(jìn)行復(fù)合，制造成PTFE-鋼背復(fù)合材料（DU），可用作自潤(rùn)滑軸承、活塞環(huán)等制造各種襯套與軸承。聚酰亞胺（PI）也具有優(yōu)異的高溫摩擦磨損性能，在汽車上主要用于與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等有關(guān)的功能部件，如懸掛支撐盤(pán)、電機(jī)、齒輪及活塞裙、火花塞及車輪、制動(dòng)蹄片等。
自潤(rùn)滑耐磨工程塑料在工程機(jī)械領(lǐng)域中同樣具有廣泛的應(yīng)用。在起重機(jī)吊臂升降系統(tǒng)中，吊臂與承載高分子滑塊之間摩擦阻力較大會(huì)導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和異常噪聲，采用具有低摩擦特性的尼龍材料作為吊臂滑塊，可以顯著降低摩擦副之間的摩擦系數(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。在挖掘機(jī)領(lǐng)域中，挖斗部位的摩擦調(diào)節(jié)片采用POM自潤(rùn)滑耐磨材料，既可以防止灰塵污染，又可以起到良好的自潤(rùn)滑作用，大幅延長(zhǎng)了軸承的使用壽命。
在海洋工程領(lǐng)域，輕質(zhì)的高分子材料在水環(huán)境中表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑、耐磨以及耐腐蝕特性。例如，在船舶領(lǐng)域中，船舶艉系、舵系及甲板機(jī)械的軸承部件通常是以水作為潤(rùn)滑與冷卻劑，采用以輕質(zhì)高分子材料作為軸承可以顯著降低摩擦系數(shù)及摩擦噪聲，使得系統(tǒng)的隱蔽性與舒適性提到提高。在海洋鉆井平臺(tái)中，也常使用自潤(rùn)滑工程塑料作為襯套及密封件，可大幅度提高鉆井設(shè)備的使用壽命。
同樣，自潤(rùn)滑耐磨工程塑料在鐵路以及軌道交通領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用。道岔是鐵路線路上的重要部件，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)是行車安全的基本保證。多年來(lái)設(shè)法減小道岔尖軌的轉(zhuǎn)換阻力，提高道岔的轉(zhuǎn)換可靠性，一直是鐵路部門關(guān)注的課題。要減小道岔的轉(zhuǎn)換阻力，除了在道岔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪設(shè)安裝設(shè)備等方面進(jìn)行改進(jìn)外，減小尖軌和滑床板間的摩擦力也是有效的方法之一。長(zhǎng)期以來(lái)，主要采用在尖軌和滑床板間涂油潤(rùn)滑的方法來(lái)減小摩擦力。但是，由于缺油或粉塵及各種雜物粘附在滑床板上，會(huì)使轉(zhuǎn)換阻力增大從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換不良的情況時(shí)有發(fā)生。而且，需要安排專人定期進(jìn)行道岔涂油養(yǎng)護(hù)，不僅增加了道岔的養(yǎng)護(hù)工作量，還會(huì)造成線路環(huán)境污染。采用以澆鑄尼龍為基體的自潤(rùn)滑滑床板，其尖軌轉(zhuǎn)換阻力大大低于涂油道岔的轉(zhuǎn)換阻力，經(jīng)三年多的運(yùn)行塑料板沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何損壞，最大磨耗不超過(guò)0.5mm，解決了安排專人定期涂油養(yǎng)護(hù)的問(wèn)題。
另外，斜楔和磨耗板是鐵路機(jī)車交叉支撐轉(zhuǎn)向架摩擦減振裝置中的主要摩擦副。在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，斜楔與磨耗板摩擦將部分振動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成摩擦熱能，減少了車輛的振動(dòng)和沖擊，同時(shí)枕簧被壓縮儲(chǔ)存了大量彈性勢(shì)能，緩和了振動(dòng)，從而改善了轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能。因此，斜楔和磨耗板組成的摩擦副性能對(duì)列車的正常運(yùn)行具有重要意義。傳統(tǒng)機(jī)車采用的斜楔材料主要是等溫淬火球墨鑄鐵斜楔，配對(duì)的磨耗板材料采用45 鋼，隨著貨車提速，列車制動(dòng)力相應(yīng)增加，非正常振動(dòng)的次數(shù)也隨之增加，導(dǎo)致摩擦副材料磨損嚴(yán)重，磨耗板使用壽命較短。采用自潤(rùn)滑耐磨工程塑料制成的磨耗板，摩擦系數(shù)與體積磨損量會(huì)明顯降低。
問(wèn)題與展望
我國(guó)在借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上在自潤(rùn)滑耐磨工程塑料的技術(shù)能力和工業(yè)化應(yīng)用取得了顯著提高�？墒�，在材料的種類、技術(shù)開(kāi)發(fā)能力以及應(yīng)用深度與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相距甚遠(yuǎn)，主要原因在于：（1）機(jī)械零部件設(shè)計(jì)者對(duì)于減摩、潤(rùn)滑等理論與相應(yīng)的技術(shù)方法了解不夠全面，很多領(lǐng)域仍采用傳統(tǒng)潤(rùn)滑技術(shù)方案，造成新型材料技術(shù)的推廣難度增大；（2）我國(guó)自潤(rùn)滑耐磨工程塑料的產(chǎn)業(yè)與技術(shù)水平較低，從事工程塑料的企業(yè)只關(guān)注材料改性研究，并且專業(yè)從事高分子材料潤(rùn)滑與耐磨的企業(yè)很少，大多數(shù)企業(yè)以潛在的銷售額或市場(chǎng)利潤(rùn)作為導(dǎo)向標(biāo)，忽略了長(zhǎng)期專業(yè)技術(shù)的積累與沉積，導(dǎo)致產(chǎn)品種類分散、專業(yè)性不強(qiáng)，技術(shù)人員不高；（3）產(chǎn)學(xué)研深度融合不足，自潤(rùn)滑耐磨材料的研究與技術(shù)往往需要材料、化學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域的交叉，需要企業(yè)與科研院所的廣泛交流與融合，目前我國(guó)提供此類技術(shù)交流的平臺(tái)，如企業(yè)的行業(yè)會(huì)議與科研部門的學(xué)術(shù)交流深度融合不足，無(wú)法將優(yōu)質(zhì)的科技資源與市場(chǎng)信息緊密結(jié)合。
隨著相關(guān)科技與產(chǎn)業(yè)政策的部署與實(shí)施，我國(guó)在聚合物復(fù)合材料和聚合物摩擦磨損等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的實(shí)力不斷加強(qiáng)，會(huì)影響工程技術(shù)人員對(duì)自潤(rùn)滑耐磨工程塑料的認(rèn)識(shí)與積累不斷增強(qiáng)。同時(shí)，在工程塑料、機(jī)械零部件等產(chǎn)業(yè)部門在應(yīng)用研究及技術(shù)集成的基礎(chǔ)上，相信自潤(rùn)滑耐磨工程塑料的應(yīng)用會(huì)更加廣泛與深入。