​PEEK复合材料及其在风电滑动轴承中的应用

《轴承》2023年 第6期

引文格式：禹程洪，朱杰，张亚宾，等.PEEK复合材料及其在风电滑动轴承中的应用[J].轴承，2023（6）：20-25,76.

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PEEK复合材料及其在风电

滑动轴承中的应用

禹程洪1,2,朱杰3,张亚宾3,黄帅1 ,2,冯凯1,2

(1.湖南大学 国家高效磨削工程技术研究中心,长沙 410082;2.湖南大学 高端智能装备关键部件湖南省重点实验室,长沙 410082;3.湖南崇德科技股份有限公司,湖南 湘潭 411101)

摘要：围绕聚醚醚酮(PEEK)复合材料在滑动轴承中的应用,阐述了PEEK材料的耐磨性、耐高温性、材料相容性等综合性能,总结了表面改性、纤维增强、颗粒填充及聚合物共混等改性方法;分析滑动轴承出现胶合、划伤等故障的原因,提出PEEK复合材料摩擦磨损性能研究的必要性;对比PEEK复合材料各成型方法的成型效率、制品强度,分析了注塑成型、热压成型、模压成型、缠绕成型等成型方法的优缺点;基于自润滑聚合物复合材料与金属基底结合机理,对比了采用机械互锁法、化学键法、添加增强体及激光处理获得结合界面的剪切强度;结合PEEK复合材料在压缩机、水泵、磁力泵、高温机械等设备中的应用,探讨了PEEK复合滑动轴承在风电领域应用的可行性,指出后续应以服役性能为目标,结合智能维护、寿命预测等技术,开展PEEK复合滑动轴承的设计与研发。

关键词：滑动轴承;风电轴承;风力发电机组;聚醚醚酮;复合材料;摩擦磨损;加工成型;结合方式

滑动轴承具有结构简单,径向尺寸小,承载能力强,减震性能好,工作稳定,无噪声和寿命长的优点[1],在内燃机曲轴、船舶推进轴、海洋设备、水利机械等场合应用广泛[2-3]。随着风力发电机朝着超大功率方向发展,采用滑动轴承代替滚动轴承可有效减小风电机组的整体尺寸,降低风电旋转设备成本,提高机组运行效率,为风电轴承设计提供了一种新的技术路线。

然而,滑动轴承启动摩擦阻力较大且难以保证润滑油充分储存。在反复重载冲击下,滑动轴承易发生界面滑移,轴瓦与轴颈接触,造成轴承衬材料剥落和内表面疲劳擦伤,导致抱轴、烧瓦等故障[3]。使用自润滑材料能有效改善滑动轴承摩擦磨损性能,减小启动摩擦阻力,在无润滑条件下可短期甚至长期正常工作,故自润滑材料成为当前滑动轴承的研究热点[4-5]。

聚醚醚酮(PEEK)是滑动轴承常用的一种自润滑材料,其耐磨性、化学稳定性及尺寸稳定性良好,但在实际应用中PEEK纯料存在表面黏结性不足,耐磨性难以满足工程要求和较难加工成型等问题,常对其进行改性以制造出综合性能更优异的PEEK复合材料。PEEK复合材料摩擦因数小,磨损率低,制造的PEEK复合材料滑动轴承自润滑性能优异。此外,PEEK复合材料滑动轴承的机械特性、耐疲劳性、耐温特性、耐腐蚀性、轻质特性及尺寸稳定性出众,目前已在诸多场合得到应用。

本文围绕PEEK复合材料在滑动轴承中的应用阐述PEEK材料的优缺点,针对PEEK纯料在滑动轴承应用中的缺陷总结PEEK常用改性方法,整理PEEK复合材料常用加工成型方法其与金属基底常见的结合方式,通过PEEK复合材料在压缩机、水泵、磁力泵等设备用滑动轴承中的应用案例展现PEEK复合材料滑动轴承在诸多场合具有的巨大优势和广阔前景。

1 PEEK材料特性及其改性方法

目前,自润滑滑动轴承广泛使用非金属-金属复合材料,其结构为基体(钢)+衬垫(自润滑聚合物)或基体(钢)+中间层(合金)+衬垫(自润滑聚合物)[6]。

PEEK作为滑动轴承常用的自润滑聚合物材料,常温下摩擦因数为0.48,磨损率为14× 10-6 mm3/(N·m),熔点约为344 ℃ ,玻璃化转变温度约为143 ℃,具有高强度、高韧性、高模量,强绝缘性、耐高温、耐水解、耐辐射[4]等性能。拥有较宽的复合改性条件[7],与诸多材料相容性良好,是一种理想的滑动轴承用自润滑材料。PEEK 纯料在应用中存在不足,需对其进行改性处理,常用的改性方法有表面改性、纤维增强改性、颗粒填充改性及聚合物共混改性[2,4]。

表面改性通过化学、物理途径处理PEEK材料表面使其结构发生改变,以改善其摩擦磨损性能、热力学性能及与其他材料间的结合强度;纤维增强改性将碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)及各种晶须作为填料改性PEEK以制备高耐磨性PEEK复合材料;颗粒填充改性则通过填充无机填料提高PEEK材料承载能力及转移膜强度,减少摩擦磨损;聚合物共混改性将PEEK与具有高玻璃化转变温度的聚合物共混以改善其热性能。

2 PEEK 复合材料摩擦磨损特性

滑动轴承工作中轴瓦与轴颈间的摩擦易导致轴颈大范围划伤、胶合及轴承衬疲劳剥落,严重时将引起滑动轴承失效,故有必要研究PEEK复合材料的摩擦磨损特性。

针对PEEK复合材料的摩擦磨损特性及改善方法,相关研究得到的材料配方、摩擦因数和磨损率见表1。文献[8]认为提高六方氮化硼(h-BN)含量可改善聚四氟乙烯(PTFE)/PEEK磨损性能,其磨损率与 h-BN含量大致呈负相关关系;文献[9]发现纳米Al2O3质量分数为4%时,制备的PEEK复合材料摩擦性能最优;文献[10]发现在PEEK中加入h-BN后,复合材料试样摩擦因数减小,磨损率稍有减小后一直增大;文献[11]通过干摩擦试验研究CF/PEEK的摩擦磨损特性,确定CF最佳质量分数为10%;文献[12]在PEEK/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面嵌入304不锈钢微球,改善了摩擦性能;文献[13]通过正交试验发现PTFE,h-BN,MoS2的加入均可改善PEEK的摩擦性能;文献[14]利用正交试验得出优化方案,制备的PEEK复合材料磨损表面平整光洁,磨损形貌得到改善。上述PEEK材料的改性方法及摩擦磨损特性研究为开发新型滑动轴承的材料配方提供了有利的先验条件与数据支撑。

表1 不同材料组分的PEEK复合材料及其摩擦磨损特性

Tab.1PEEK composites with different material components and their friction and wear properties

3 PEEK复合材料加工成型方法

PEEK分子链中包含羰基和醚键,柔韧性与工艺性良好。注塑成型作为PEEK材料加工成型常用方式,会产生银纹、气孔、熔接痕、冷料点等缺陷[17],一定程度阻碍了其在滑动轴承中的应用。

文献[17]发现在150～160 ℃下对PEEK纯料进行6～8 h烘干处理可避免银纹出现;降低熔体注射速度能避免产品内部形成气泡;增加保压时间可消除浇口去除后的气孔;依据在嵌件背面中心进料方式设计模具可避免熔接痕出现。文献[2]通过预处理、混粉、压片、烧结、水浴、超声清洗、干燥成型等工艺流程制备出用于轴承的多孔PEEK复合材料试样,其硬度最高为92 HRB,压缩强度最高为48.9 MPa。文献[15]通过对磨、清洗、干燥、装模、热压烧结将PEEK与CF,PTFE,Al2O3等添加剂制成可用于水润滑轴承的PEEK复合材料试样,其硬度最高为 30.24 HV,抗压强度最高为 110.4 MPa。文献[16]将PEEK,PTFE微粉和CF,MoS2常温机械共混,经高温模压、二次定型后处理、机加工制得可用于某高温重载机械设备的滑动轴承试样,其压缩强度可达60 MPa。文献[18]通过裁剪、装模、热压、冷却、脱模成功制备出表面平整、无明显残余应力导致变形的CF/PEEK热塑性复合材料层板,其压缩强度最高可达827.94 MPa。文献[19]通过静电粉末喷涂与模压成型成功制备出CF/PEEK复合板材,其拉伸强度可达774 MPa。文献[20]采用热模压工艺制备出硬度83 HA、拉伸强度93 MPa的PEEK/PTFE复合材料,可满足水润滑轴承材料要求。文献[21]经过粉料混合、冷压、烧结、机加工等工序制得可用于电驱系统的PEEK自润滑滑动轴承基体及PTFE/黄铜(brass)复合材料润滑剂补给销。

表2总结了PEEK复合材料常见加工成型方法,主要有注塑成型、热压成型、模压成型、缠绕成型及等离子体喷涂、热喷涂等。注塑成型可制备复杂结构产品,成型效率高,但制品强度偏低,力学性能增强效果不理想[22];热压成型工艺相对简单,便于批量生产,可先制成平面制品,再二次加工出所需形状[22];模压成型效率高,工艺简单,常用于结构简单、尺寸较大的平面制品,但工艺参数选择不当会产生裂纹[23];缠绕成型可根据制品受力情况确定缠绕方式,制品质量稳定,便于自动化生产[23]。

表2 PEEK复合材料常见加工成型方法

Tab.2Common processing and molding methods for PEEK composites

4 自润滑聚合物复合材料与金属基底的结合方式

自润滑聚合物复合材料与金属基底的结合主要通过在金属基底表面形成不同的粗糙度或形成化学键实现,主要结合方式有机械互锁法、化学键法、添加增强体及激光处理等方法[30]。

表3总结了自润滑聚合物复合材料与金属基底的各种结合方式、实现过程及所制备复合材料性能。单纯采用机械处理制造的复合材料界面剪切强度一般难以满足重载工况下滑动轴承的承载要求,而采用化学键法、添加增强体及激光处理等方法可使自润滑聚合物复合材料与金属基底结合界面剪切强度达20 MPa以上。因此,为增强自润滑聚合物复合材料与金属基底间的结合强度,采用机械互锁与其他工艺相结合的方法更可靠。

表3 自润滑聚合物复合材料与金属基底结合方式

Tab.3Bonding mode of self-lubricating polymer composite with metal substrate

文献[31]对铝基底表面进行喷丸处理获得了不同粗糙度的表面,并通过注塑成型与添加了不同比例CF的聚苯硫醚(PPS)实现连接,提高了复合材料界面剪切强度,其增强原理如图1a所示。文献[33]通过砂纸打磨和摩擦搭接(图1b)将注塑成型的自润滑聚合物与金属基底直接连接,提高了结合强度。文献[34]采用阳极氧化将Ti6Al4V合金与环氧树脂结合,研究发现随着阳极氧化温度升高,试件的抗剪强度明显增加。文献[37]将多种重氮四氟硼酸盐电接枝并将其作为引物涂在玻璃钢表面,通过搭接剪切试验测试了PEEK与玻璃钢基体的黏接性能,发现结合界面剪切强度可达30 MPa以上。文献 [38]发现席夫碱配合物通过配位、氢键相互作用、机械互锁和分子纠缠等多重作用对Ti-6Al-4V/PEEK层合板的连接强度有较大贡献。文献 [39]发现结合预涂层和碳纳米管加固,环氧键合喷砂钢基板的抗剪强度提高了70%以上(图1c)。文献[41]研究了脉冲红外纳秒光纤激光与PEEK界面处作用机制(图1d),实现了激光诱导作用下PEEK表面金属层的制备。湖南崇德科技股份有限公司通过注塑成型制备出PEEK层,并通过在轴承基底上添加金属铜作为中间层,使PEEK层与基底结合强度达25 MPa,其结合强度测试工件如图2a所示,采用PEEK复合材料制造的滑动轴承如图2b所示。

 

(a) 增强原理图[31] (b) 摩擦搭接工艺示意图[33]

(c) 通过预涂层提高抗剪强度[39] (d) 激光与复合材料表面相互作用机制[41]

图1 自润滑聚合物复合材料与金属基底结合方式

Fig.1 Bonding mode of self-lubricating polymer composite with metal substrate

(a) 结合强度测试工件

(b) PEEK复合材料滑动轴承

图2 添加金属铜的PEEK复合材料

Fig.2 PEEK composite with added metal copper

5 PEEK复合滑动轴承应用案例

PEEK滑动轴承综合性能优异,目前已在诸多场合得到应用。文献[15]采用CF,PTFE 和 Al2O3对 PEEK协同改性,通过真空热压烧结制备出摩擦磨损性能优异的 PEEK 基复合材料,并将其应用于水润滑轴承。文献[16]通过比较某滑动轴承改造前后运行状况,验证了采用CF,PTFE和MoS2改性 PEEK 复合材料匹配韧性陶瓷材料制造滑动轴承的可靠性。文献[20]采用质量分数为5%的PTFE对PEEK共混改性,得到的PEEK复合材料综合性能优异,可满足水润滑轴承材料在吸水性、力学性能及寿命等方面的要求。文献[21]在 PEEK 滑动轴承基体中引进PTFE/brass 润滑补给销,形成协同减摩自润滑滑动轴承,其摩擦阻力矩降低约 50%,基体磨损率降低约2个数量级。文献[42]针对无油十字滑块压缩机用滚动轴承易损坏问题,提出采用PEEK复合材料制造直线滑动轴承,并通过不同条件下的摩擦副性能测试验证了其可行性。文献[43]对某磁力泵运行过程中出现的滑动轴承易碎情况,基于PEEK与Si3N4的力学性能,对该磁力泵进行改造、试验并交付使用,基本解决了滑动轴承易碎的问题。

近年来,我国风电设备数量迅速增加,但普遍存在发电效率低,机组易损坏,潜在风险大等问题。将PEEK复合材料滑动轴承应用于风电旋转设备,在改善其摩擦磨损性能的同时,也减小了风电旋转设备尺寸,提高了风电机组运行的可靠性,是高功率密度风电轴承实现“以滑代滚”的关键技术,已成为提升风电装备性能和降低成本的一种新技术路线。据风电行业预测,使用滑动轴承可使风电旋转设备总成本减少15%,扭矩密度增加25%,质量减轻5%,传动链缩短5%[3]。湖南崇德科技股份有限公司制造的PEEK复合材料滑动轴承目前已在某型号风机中得到了初步应用,并实现了小批量生产,一定程度上验证了PEEK复合材料滑动轴承在风电领域应用的可行性。

6 结论与展望

本文综述了PEEK材料特性及常用改性方法,PEEK复合材料摩擦磨损特性及有效改善途径,加工成型方法、与金属基底结合方式及诸多PEEK复合滑动轴承应用案例,以期为新型滑动轴承选材与加工提供参考。

PEEK复合材料滑动轴承具有优异的自润滑性、耐温特性、机械特性、耐腐蚀性、耐疲劳性、轻质特性及尺寸稳定性等特点。在实际工程应用中,对PEEK复合材料滑动轴承的耐磨性、承载能力与抗剪切强度的要求越来越高,亟待提升PEEK复合材料的自润滑性能,创新PEEK复合材料成型工艺,提高滑动轴承承载能力以及PEEK复合材料与金属基底的结合强度。在面对极端工况的自润滑性能要求时,目前主要以大量试验及试制的方法进行探索,尚缺少以服役性能为目标的材料组分及加工工艺设计方法。在重大装备和极端工况中使用PEEK复合材料滑动轴承的时间尚短,缺少服役性能演化的数据积累,给轴承服役寿命预测与维护带来较大挑战。因此,需要开发以满足性能需求为目标的PEEK复合材料组分设计新方法,结合油膜、油温、磨粒监测及寿命预测、智能维护等技术,综合提升PEEK复合材料滑动轴承的服役性能。

End

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PEEK Composites and Their Application in Wind TurbineSliding Bearings

YU Chenghong1,2,ZHU Jie3,ZHANG Yabin3,HUANG Shuai1,2,FENG Kai1,2

(1.National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding,Hunan University,Changsha 410082,China;2.Key Laboratory of High-end Intelligent Equipment Key Components in Hunan Province,Hunan University,Changsha 410082,China;3 Hunan SUND Technological Corporation,Xiangtan 411101,China)

Abstract： Focusing on application of PEEK composites in sliding bearings,the comprehensive properties of PEEK composites are expounded,such as wear resistance,high temperature resistance and material compatibility,and the modification methods are summarized,such as surface modification,fiber reinforcement,particle filling and polymer blending.The reasons for faults are analyzed,such as scuffing and scoring in sliding bearings,and the necessity of studying the friction and wear properties of PEEK composites is proposed.The molding efficiency and product strength of PEEK composites produced by different molding methods are compared,and the advantages and disadvantages of injection molding,hot pressing molding,die pressing molding and winding molding are analyzed.Based on bonding mechanism between self-lubricating polymer composite and metal substrate,the shear strength of bonding interface obtained by mechanical interlocking method,chemical bonding method,reinforcement addition and laser treatment is compared.Combined with application of PEEK composites in equipments such as compressors,water pumps,magnetic pumps and high-temperature machinery,the feasibility of PEEK composite sliding bearings in wind turbine field is discussed.It is pointed out that the future design and development of PEEK composite sliding bearings should be carried out with the objective of service performances,combined with technologies such as intelligent maintenance and life prediction.

Key words： sliding bearing;wind turbine bearing;wind turbine;PEEK;composite;friction and wear;processing and molding;bonding form

中图分类号：TH133.31;TM315

文献标志码：B

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2023.06.003

收稿日期：2022-08-19;修回日期：2023-01-19

基金项目：湖南省创新型省份建设专项资助项目(2020GK2069)

作者简介：禹程洪(1998—),男,硕士研究生,主要研究方向为超声切割凝血手术刀,E-mail:[e-mail]。

通信作者：冯凯(1982—),男,教授,博士生导师,主要研究方向为超高速超精密关键部件与装备,E-mail:[e-mail]。

(编辑：侯万果)