[01636166]高导热聚合物基网络互穿耐磨复合材料及其作为免维护轴承的应用

轴承被誉为工业的“关节”。传统的金属轴承在使用过程中必须添加润滑油脂，否则容易发生干磨、抱轴直至失效而造成重大经济损失。聚合物基耐磨材料因轻质、自润滑、耐腐蚀、易成型等而越来越多地替代金属用于制造轴承等核心耐磨部件。然而，一般聚合物材料的导热系数低于0.5W/m·K，使用过程中极易因摩擦生热、表层温度过高发生疲劳甚至软化熔融而失效。该项目基于结构功能一体化思路，研发了集高导热和耐磨于一体的聚合物基复合材料，并将其作为免维护轴承在机械、汽车等领域进行了推广应用。该项目研究内容、成果与应用产品高度相关。 该项目在科技部国际合作专项、湖南省科技计划重点项目等支持下，共发表论文12篇，获得发明专利4项，取得显著的应用研究成果：(1)以聚甲醛(P0M)、聚醚醚酮(PEEK)为聚合物代表，以金属铝为导热载体，以功能化石墨烯为界面结合和热阻调控层，研制了高导热P0M/泡沫铝耐磨材料(LG01)和高导热PEEK/泡沫铝耐磨材料(LG03)，导热系数分别为13.3W/m·K和12.8W/m·K，比相应聚合物提高40倍以上。前者可部分替代铜、合金和粉末冶金材料而用于轴承、滑块等汽车配件；后者替代了意大利进口材料用于高品质防磨垫片。(2)研发了高导热碳纳米管改性聚酯耐磨材料(LG04)，替代进口赛龙轴承材料而用于水泵导轴承，其耐热性、耐磨性优于赛龙，但价格不及其三分之一。(3)研发了高导热碳纤维和聚四氟乙烯改性尼龙66基复合材料(LG05)，替代铜、巴氏合金而首次用于重卡平衡梁衬套，其轻质、性能优越，因免维护而大幅降低使用成本。(4)采用嵌入式结构，通过注塑方法研制了铝塑和钢塑复合轴承，彻底解决了轴承防抱死问题，也降低了成本。上述产品在长沙精达高分子材料有限公司、湖南天宏泵业制造有限公司、株洲时代新材料科技股份有限公司等10余家企业获得广泛应用，近三年新增销售额20728.4万元，新增利润6913.3万元。 上述成果得益于：在理论研究方面，率先采用第一性原理计算方法进行聚合物基耐磨复合材料的微观尺度计算与设计，建立材料的微观结构与其宏观力学及摩擦学性能间的内在关联，并以此为依据，实现对聚合物基耐磨复合材料的优化设计与性能预测，并从电子结构角度揭示其物理本质。课题组率先开展了Al/POM网络互穿耐磨材料、铬(Cr)-铝(Al)-氮(N)基刀具耐磨涂层材料等方面的计算与设计工作；同时，开展了功能化石墨烯在聚合物基耐磨复合材料的界面作用机制研究，为耐磨复合材料的优化设计提供了理论依据与指导。在实验研究方面，率先采用电沉积方法在泡沫金属表面制备了致密的高导热石墨烯涂层，为增强聚合物/泡沫金属网络互穿耐磨复合材料界面结合强度、降低界面热阻奠定了基础；同时，采用磁控溅射法制备了高热稳定性耐磨Cr-Al-N刀具涂层，为上述耐磨材料制品的高质量机械加工提供了保障，表面粗糙度达Ra0.8。