一种舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法。

背景技术

船艉轴承是船舶推进系统轴系的重要设备之一，不仅用于承受尾轴、螺旋桨轴、螺旋桨及其附件的重力载荷，还需要承受因轴系运行期间及因水下攻击武器爆炸产生的动态及瞬态冲击载荷，其性能优劣对舰船的技术性能和使用性能具有重要影响。尾轴承的润滑技术主要有水润滑和油润滑两种，当前军用舰船均使用水润滑艉轴承，以由水润滑代替油润滑不仅能够舰船在海洋航行期间的隐蔽性，更能够保障海洋环境不受滑油泄漏的污染，是国内外在船舶动力系统领域研究的重要方向。同时，由于水的来源相对稳定，节能环保，是最具有发展潜力的工作介质。

水润滑技术与油润滑技术相比，具有以下优点：1、提高了冷却效果；2、简化了艉轴承润滑系统；3、避免滑油泄露导致舰船隐蔽性下降的问题；4、具有环保性；5、节省经费。优质水润滑轴承不仅需要具备良好的承载与摩擦性能指标，还需要具备匹配不同海域水温、海水中不同杂质及硬颗粒、瞬态及动态抗冲击等环境指标能力。为此，水润滑轴承材料的水胀系数、湿摩擦系数、热膨胀系数等指标是评价水润滑轴承材料优劣的重要考核判据。

目前，现有水润滑轴承按照使用大致可分为铁梨木轴承、夹布胶木轴承、胶合层板轴承、橡胶轴承以及硬质高分子复合材料轴承等。其中，申请人认为，硬质高分子复合材料轴承相较与其他类型轴承材料，由于其低水胀和热胀性的特点，因此在不用同温度的海洋环境中，其尺寸具有较强的稳定性，确保轴承与轴间隙相对稳定，可延长轴承使用寿命。在极限工况下，由于其具有良好的自润滑性能和抗磨损性能，能够确保在短暂缺水的情况下仍具备较低的摩擦系数，大大降低了轴承损坏的可能性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一个而提供一种具有较强机械性能及尺寸的稳定性的同时，可保证在极限工况下具备较低的摩擦系数及体积磨损量的舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种舰船用石墨水润滑轴承的制备方法，该方法包括以下步骤：

预处理：将高分子前驱体和催化剂加入反应釜中，反应后，得到超高分子热固性树脂溶液；

改性：在超高分子热固性树脂溶液中加入固体润滑剂和碱，搅拌后，得到改性的超高分子热固性树脂溶液；

上胶：将超高分子热固性树脂溶液浸渍于框架材料上，得到半固化高分子纳米复合材料片；

压制：将半固化高分子纳米复合材料片置入压机上压制，得到舰船用石墨水润滑轴承。

进一步地，预处理的具体步骤为：

将苯酚和甲醛按顺序加入投料，加热升温，得到前料1；

在前料1中缓缓加入催化剂，搅拌、加热、保温，缩聚成前料2。

对前料2进行抽真空脱水，胶化后形成前料3；

在前料3中加入溶剂，持续搅拌，冷却后，获得超高分子热固性树脂。

进一步地，所述苯酚和甲醛的摩尔比为1:(1.49-1.57)，催化剂的质量为苯酚的1/(10-20)，没有特别规定，一般为1/14，所述的催化剂为浓度25-28wt％的氨水。甲醛为浓度36-38wt％，密度约1.1g/cm

进一步地，制备前料1时，所述升温过程为：先将温度控制在50-80℃，再升温至83-85℃时，然后在85-90℃保温，保温30-40分钟开始冷却至40±5℃，得到前料1。

进一步地，制备前料2时，所述加热的温度为60-70℃，保温的时间为40-60min；制备前料3时，抽真空脱水的时间为2-4h，真空度为0.9-1.4MPa；胶化的温度为70±5℃，时间为80-120s。

进一步地，改性的超高分子热固性树脂溶液中，超高分子热固性树脂的固体量为60-80wt％，固体润滑剂的含量为6-8wt％，固体润滑剂与碱的质量比为(15-25):1，没有特别规定，一般为20:1；所述的固体润滑剂为石墨烯粉剂，所述的碱包括氢氧化钠、氢氧化钡、氨水或氧化锌中的1-2种。强碱催化剂有利于增大树脂的羟甲基含量和与水的相溶性。石墨烯的加入，与现有的纯氢氧化钠相比，该氢氧化钠/石墨烯纳米复合材料中纳米氢氧化钠颗粒负载到石墨烯片层上，在吸收空气变成碳酸钠，碳酸钠颗粒由于石墨烯片的连接而成长为大晶粒碳酸钠，一方面可以连接缝隙从而加固，另一方面利用石墨烯优良的机械性质，大幅提高加固的强度。

进一步地，改性时，所述搅拌的时间为60-120min，搅拌后，在60-80℃下沸腾脱水1-3h。

进一步地，所述上胶的温度为70-100℃，速度为1.5-3.5m/min，所述的框架材料为网状编织纤维，半固化高分子纳米复合材料片中含胶量为60-75wt％。

进一步地，所述压制的初始压力为40kg，逐步加压至50-150kg，压制时，在100-120℃下保温100-150min，冷却的时间为1-3h，冷却出料的温度为30-40℃。

一种如上所述方法制备的舰船用石墨水润滑轴承。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用可靠的复合增强聚合物材料来取代油润滑铜合金等材料，水润滑结构是符合国际环保公约的，解决沿海航行中有润滑轴承绕进渔网等障碍物时必然会漏油污染，要立刻停航修理无法违避导致的航行水域污染及高成本罚款的难题，以及滑油泄漏所导致的舰船隐蔽性下降，暴露行踪，对人员、装备造成巨大损失的问题；

(2)本发明采用石墨烯融入几种高分子加入添加剂熔合填入纤维经高压下形成铁梨木相似的材料来替代铁梨木，通过对材料一系列的试验优化了材料的布氏硬度，解决了轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子、硬质异物、金属表面的磨屑且接触表面相对移动而造成犁沟状的擦伤及磨损问题；

(3)本发明中，在树脂类合成材料中添加一些助剂的同时，严控压制温度及压力确度，通过改善加工工艺解决材料水溶胀增大尺寸影响轴承精度，以及影响轴系正常运转等问题，使得轴承长期在海水环境下，保持轴承内衬材料的稳定性，以及在长期应力的作用下不易发生老化，抗咬合能力强，使之满足特定的性能要求；

(4)本发明采用石墨烯高分子合成树脂上胶增强型纤维，渗透极强，压制后的石墨烯复合材料耐高温、耐磨，高温高压下不变形，无噪音；

(5)本发明与国外同类产品加拿大赛龙、英国飞龙T12对比试验证明，其综合性能指标优于国外进口轴承材料，使用温度范围更广，可作为解决典型舰船前期出现的进口水润滑轴承磨损严重问题的国产化替代方案。其水胀系数接近进口飞龙T12材料，明显优于赛龙材料，湿摩擦系数明显优于赛龙及飞龙T12材料，充分保证了轴承内衬材料的稳定性。

附图说明

图1为实施例1中制备的材料抛光后的电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法，该轴承材料通过以下步骤来制备：

1、预处理：先把几种高分子液体按配比计量加入反应锅，计时控制温度，真空度和中间加入催化剂，具体为：将苯酚和甲醛按顺序加入投料，加热升温，温度控制在50-80℃，再到83-85℃，85-90℃保温，保温30-40分钟开始冷却至40±5℃，得到前料1。在前料1中缓缓加入催化剂氨水，搅拌，加热至60-70℃开始保温，反应放热使物料自动升温至沸腾，保温时间40-60分钟，待成膜物质变色后取样，缩聚成前料2。对其进行抽真空脱水，2-4小时后温度回升至70±5℃，真空度为0.9-1.4MPa，取样测最终胶化时间100s，形成前料3；在前料3中加入甲醇，持续搅拌，直至完成反应溶液，冷却至50℃以下，获得超高分子热固性树脂中，形成的缩聚树脂可交联固化。苯酚和甲醛摩尔比为1:(1.49-1.57)。甲醛溶液密度1.1g/cm

2、改性：在步骤1制得的超高分子热固性树脂中，加入固体润滑剂石墨烯粉剂和催化剂强碱氢氧化钠，持续搅拌并脱除气泡，搅拌时间持续60-120min，改性沸腾反应时间1-3h，脱水温度60-80℃。强碱催化剂有利于增大树脂的羟甲基含量和与水的相溶性。石墨烯的加入，与现有的氢氧化钠相比，该氢氧化钠/石墨烯纳米复合材料中纳米氢氧化钠颗粒负载到石墨烯片层上，在吸收空气变成碳酸钠，碳酸钠颗粒由于石墨烯片的连接而成长为大晶粒碳酸钠，一方面可以连接缝隙从而加固，另一方面利用石墨烯优良的机械性质，大幅提高加固的强度。超高分子热固性树脂分子量为500-1000KG，固体量60-80wt％；石墨烯粉剂含量6-8wt％。

3、上胶：取上述步骤2中石墨烯纳米复合材料，浸渍于纤维增强型框架材料中。上胶温度70-100℃，上胶速度为1.5-3.5m/min，上胶完成后形成半固化高分子纳米复合材料片。所述的框架材料为网状编织纤维结构。所述的半固化高分子纳米复合材料片含胶量为60-75wt％。

4、压制：将上述步骤3中所形成的半固化高分子纳米复合材料片，置入压机上压制。设置初始压力为40kg，视流胶情况逐步加压：50-150kg，保温温度在100-120℃，保温时间为100-150分钟。冷却1-3小时，至30-40℃出料。

实施例1

一种舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法，该轴承材料通过以下步骤来制备：

在反应锅中将苯酚和甲醛按顺序加入投料，苯酚和甲醛摩尔比为1:1.49，加热升温到85℃保温，30分钟开始冷却至35℃。

加入浓度为25wt％的氨水，搅拌加热至60℃，反应放热使物料自动升温至沸腾，保温时间40分钟，抽真空脱水，2小时后温度回升至65℃，真空度为0.9MPa。

加入甲醇，持续搅拌，直至完成反应溶液，冷却至45℃，制得超高分子热固性树脂500-1000KG。

加入石墨烯粉剂和氢氧化钠，持续搅拌并脱除气泡，搅拌时间60min，改性沸腾反应时间1h，脱水温度60℃。超高分子热固性树脂的固体量为60-80wt％，固体润滑剂的含量为6-8wt％，固体润滑剂与碱的质量比为20:1。

浸渍于纤维材料中，密度为190g/m

置入压机上压制，初始压力为40kg，加压至80kg，保温温度在100℃，保温时间为100分钟。冷却1小时，至30℃出料。

实施例2

一种舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法，该轴承材料通过以下步骤来制备：

在反应锅中将苯酚和甲醛按顺序加入投料，苯酚和甲醛摩尔比为1:1.49，加热升温到85℃保温，30分钟开始冷却至35℃。加入浓度为28wt％的氨水，搅拌加热至60℃，反应放热使物料自动升温至沸腾，保温时间40分钟，抽真空脱水，2小时后温度回升至65℃，真空度为0.9MPa。加入甲醇，持续搅拌，直至完成反应溶液，冷却至45℃，制得超高分子热固性树脂500-1000KG。

加入氢氧化钡，持续搅拌并脱除气泡，搅拌时间持续80min，改性沸腾反应时间1.5h，脱水温度70℃。

浸渍于纤维材料中，上胶温度70℃，上胶速度1.5m/min，上胶完成后形成半固化复合材料片。

置入压机上压制，初始压力为40kg，加压至80kg，保温温度在100℃，保温时间为100分钟。冷却1小时，至30℃出料。

实施例3

一种舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法，该轴承材料通过以下步骤来制备：

在反应锅中将苯酚和甲醛按顺序加入投料，苯酚和甲醛摩尔比为1:1.57，加热升温，温度控制在80℃，85℃保温，30分钟开始冷却至35℃。加入浓度为28wt％的氨水，搅拌加热至60℃，反应放热使物料自动升温至沸腾，保温时间40分钟，抽真空脱水，2小时后温度回升至65℃，真空度为0.9MPa。加入甲醇，持续搅拌，直至完成反应溶液，冷却至45℃，制得超高分子热固性树脂500-1000KG。

加入石墨烯粉剂和氢氧化钠，持续搅拌并脱除气泡，搅拌时间60min，改性沸腾反应时间1h，脱水温度60℃。

浸渍于纤维材料中，上胶温度70℃，上胶速度1.5m/min，上胶完成后形成半固化高分子纳米复合材料片。

置入压机上压制，初始压力为40kg，加压至80kg，保温温度在100℃，保温时间为100分钟。冷却1小时，至30℃出料。

实施例4

一种舰船用石墨水润滑轴承及其制备方法，该轴承材料通过以下步骤来制备：

在反应锅中将苯酚和甲醛按顺序加入投料，苯酚和甲醛摩尔比为1:1.49，加热升温，温度控制在50℃，85℃保温，30分钟开始冷却至35℃。加入浓度为25wt％的氨水，搅拌加热至60℃，反应放热使物料自动升温至沸腾，保温时间40分钟，抽真空脱水，2小时后温度回升至65℃，真空度为0.9MPa。加入甲醇，持续搅拌，直至完成反应溶液，冷却至45℃，制得超高分子热固性树脂500-700KG。

加入石墨烯粉剂和氢氧化钠，持续搅拌并脱除气泡，搅拌时间60min，改性沸腾反应时间1h，脱水温度60℃。

浸渍于纤维材料中，上胶温度80℃，上胶速度2.5m/min，上胶完成后形成半固化高分子纳米复合材料片。

置入压机上压制，初始压力为40kg，加压至80kg，保温温度在100℃，保温时间为100分钟。冷却1小时，至30℃出料。

实施例2-4未公布的具体参数，可参考实施例1。

实施例1-4的性能表征如下：

可以看出，强碱催化剂有利于增大树脂的羟甲基含量和与水的相溶性。所述固体润滑剂为石墨粉剂，石墨烯的加入，与现有的氢氧化钠相比，该氢氧化钠/石墨烯纳米复合材料中纳米氢氧化钠颗粒负载到石墨烯片层上，在吸收空气变成碳酸钠，碳酸钠颗粒由于石墨烯片的连接而成长为大晶粒碳酸钠，一方面可以连接缝隙从而加固，另一方面利用石墨烯优良的机械性质，大幅提高加固的强度。

本发明与现有技术的性能对比如下：

可以看出，本发明与国外同类产品加拿大赛龙、英国飞龙T12对比试验证明，其综合性能指标优于国外进口轴承材料，使用温度范围更广，可作为解决典型舰船前期出现的进口水润滑轴承磨损严重问题的国产化替代方案。其水胀系数接近进口飞龙T12材料，明显优于赛龙材料，湿摩擦系数明显优于赛龙及飞龙T12材料，充分保证了轴承内衬材料的稳定性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。