多孔聚酰亚胺复合保持架材料环境适应性研究

2015-07-26李媛媛楚婷婷孙小波

轴承 2015年4期

李媛媛，楚婷婷，孙小波

(洛阳轴研科技股份有限公司非金属材料开发部，河南洛阳 471039)

多孔聚酰亚胺(PI)复合保持架具有孔径孔隙率可调控、耐磨自润滑、强度高、耐辐射等优点，经真空浸油后广泛应用于长寿命航天器用陀螺电机轴承、导航仪、动量轮轴承[1]。

多孔PI复合材料属于高分子复合材料，使用该材料保持架的轴承地面存储时间一般为5～10年或更长，在库存条件下，因温度和水分的影响，多孔PI复合材料易出现大分子降解和交联反应的老化现象[2]，使其理化性能、力学以及摩擦学性能发生变化，从而影响保持架的使用性能，导致轴承乃至主机的可靠性降低。而材料的耐老化性能是决定系统长期使用可靠性的重要环节。

下文采用高温老化的试验方法，初步研究了在不同环境温度下放置一段时间后，该材料的微观结构和宏观性能的变化。

1 试验

1.1 样品

按照文献[3]中的工艺制备出孔隙率为20%±2%的原材料，依据Q/ZYS J064—2013《多孔聚酰亚胺保持架胚料检验规范》和GB/T 1043.1—2008《塑料简支梁冲击性能的测定第一部分：非仪器化冲击试验》，分别加工用于进行拉伸强度和冲击韧度测试的试样(共44组，每组3个)，摩擦试验的试样与拉伸强度的相同。

1.2 试验方法

参照GB/T 2918—1998《塑料试样状态调节和试验的标准环境》，将经过状态调节的试样置于热老化试验箱中进行老化试验，试验温度分别为50，100，150和200 ℃，采样周期为3 d，老化时间为30 d。取出试样，再经过状态调节后进行性能测试：

(1)玻璃化转变温度Tg，采用NETZSCH 200F3差示扫描量热仪进行测试。

(2)热重TG和红外光谱，分别采用NETZSCH STA 449C热重-差热连用仪和Spextrum 100傅里叶变换红外光谱仪进行测试。

(3)拉伸强度和冲击韧度，分别采用DNS-200型电子万能试验机(拉伸速度为5 mm/min)和XJJD-50电子简支梁冲击试验机进行测试。

(4)摩擦因数和磨损量，用φ4 mm的钢球往复干摩擦，往复距离5 mm，施加载荷20 N，频率10 Hz，采用CFT-1型材料表面性能综合测试仪进行测试。

2 结果与讨论

2.1 微观性能

对材料进行状态调节(在23 ℃，50%的湿度下放置88 h)后，高温老化前试样的TG曲线如图1所示。从图中可以看出，温度为130 ℃时，TG值为98.86%，材料重量损失率为1.14%，这主要是由于材料在库存条件下长时间放置和状态调节后，表面及分子间所吸附的水分蒸发所致；温度为130～500 ℃时，重量几乎无变化，说明材料的耐老化性能良好；温度达到500 ℃时，TG值为98.6%，材料的重量损失率为1.4%，这主要是由于材料出现部分裂解所致。

图1 老化前试样的TG曲线

材料在高温老化过程中，可能会发生热分解、降解。高温老化试验前和200 ℃下老化30 d后试样的红外谱图如图2所示。从图中可以看出，老化前后特征峰位置和相对峰高均无明显变化，未发现老化后的红外谱图中出现新的特征峰，表明该材料未发生热分解或降解反应。

图2 老化前后试样的红外谱图

在不同温度下，材料经过热老化试验后的玻璃化转变温度Tg见表1。从表中可以看出，老化前和不同热老化条件下材料的玻璃化转变温度几乎没有变化。老化前和在200 ℃下老化30 d后材料的DSC对比曲线如图3所示。由于PI为非结晶高分子材料，因此无熔点，只有熔融温度范围。由图可知，热老化试验前后玻璃化转变温度未发生明显变化。

表1 不同老化温度下的玻璃化转变温度 ℃

图3 老化前后试样的DSC曲线

高分子材料老化的本质主要有2种：(1)材料发生了降解、交联等不可逆的化学反应，使其结构发生变化；(2)材料在玻璃化转变温度以下的储存过程中，从热力学的非平衡态通过链段的微布朗运动向平衡态过渡。在这些过程中，材料的结构和性质都会发生不同程度的变化，在DSC曲线上表现为玻璃化转变温度Tg降低，或是出现一个老化吸热峰。试验结果表明，DSC曲线未出现新的吸热峰，Tg也未发生变化，因此，在高温老化试验中，材料未发生老化现象。

通过微观结构的分析可知，该材料的热稳定性较好，表明该材料的环境适应性也较好。