AISI 304和陶瓷軸承將對(duì)人類的下一次飛躍至關(guān)重要

美國(guó)國(guó)家航空航天局代理副局長(zhǎng)Aaron Cohen曾表示：“太空是一項(xiàng)危險(xiǎn)的業(yè)務(wù)。我一直認(rèn)為每次發(fā)射都是一次幾乎無法控制的爆炸?！薄！邦A(yù)計(jì)不久的將來會(huì)有幾個(gè)新的太空項(xiàng)目，必須不惜一切代價(jià)避免這些風(fēng)險(xiǎn)。這給工程師們帶來了更大的責(zé)任，讓他們制造出能夠承受劇烈航天飛機(jī)發(fā)射和惡劣太空真空的高性能部件。

聯(lián)合國(guó)已將天基服務(wù)和技術(shù)確定為其2030年17項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。其網(wǎng)站表示，空間技術(shù)將是“理解氣候變化和整個(gè)災(zāi)害管理周期的關(guān)鍵；在無數(shù)太空應(yīng)用中，這只是兩個(gè)例子?！薄陡２妓埂冯s志預(yù)測(cè)了未來幾年的幾項(xiàng)空間技術(shù)發(fā)展。其中包括以綠色為導(dǎo)向的項(xiàng)目，如安裝在衛(wèi)星上的紅外相機(jī)，用于監(jiān)測(cè)家庭和企業(yè)產(chǎn)生的熱排放，以及測(cè)量森林砍伐與碳使用之間關(guān)系的衛(wèi)星圖像地圖。

福布斯補(bǔ)充道，還計(jì)劃進(jìn)行較小規(guī)模的月球有效載荷旅行，并發(fā)射更多衛(wèi)星。這些項(xiàng)目將給設(shè)備制造商帶來更大的壓力，要求他們采購(gòu)和使用能夠在太空真空中生存的關(guān)鍵任務(wù)機(jī)器部件。傳感器、太陽能電池、透鏡和半導(dǎo)體等重要部件將因太陽未經(jīng)過濾的輻射而受到極端的溫度波動(dòng)，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致故障和價(jià)值數(shù)百萬美元的損失。

這些挑戰(zhàn)也適用于軸承。一個(gè)主要問題是，超清潔的真空環(huán)境，特別是那些以高溫或低溫或高腐蝕性元素為特征的環(huán)境，會(huì)對(duì)軸承壽命產(chǎn)生驚人的90%的影響。一方面，機(jī)器制造商一直在提高食品加工和鋼鐵制造等基于地球的應(yīng)用中使用的軸承的性能要求，特別是為了提高它們?cè)诟吒g性環(huán)境中以及在潮濕和化學(xué)品中的性能。但是，軸承如何承受太空的真空，以及在太空應(yīng)用中日益增長(zhǎng)的使用需求？

使用壽命更長(zhǎng)

太空的惡劣條件包括苛刻的因素，如絕對(duì)真空、波動(dòng)的溫度，以及火箭部件在發(fā)射過程中受到的極端和劇烈的重力。為了承受這些條件，軸承應(yīng)該經(jīng)過空間批準(zhǔn)——但這到底意味著什么？

首先，用于太空的軸承理想情況下應(yīng)符合AS9102航空航天首件檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了從小型電氣部件到大型結(jié)構(gòu)組件的零件制造過程，這些零件用于航空、太空和國(guó)防。這是AS9100系列法規(guī)的一部分，AS9100是航空航天的ISO 9001質(zhì)量管理體系。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軸承本身提出了工程要求。

以滾珠保持架為例，也被稱為保持架，它將軸承的滾珠與中心滾動(dòng)部件分離?；\可以由AISI 304奧氏體不銹鋼制成，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的耐腐蝕性和在高溫下的良好性能。在不銹鋼軸承上涂覆聚四氟乙烯（PTFE）也是有益的，聚四氟乙烯是世界上最通用的塑料材料之一。PTFE在航天器外的應(yīng)用越來越多，其拉伸、伸長(zhǎng)率、彎曲和沖擊性能在真空環(huán)境中比Tefzel（ETFE）等更常用的氟基塑料好十倍。

軸承的壽命也應(yīng)該考慮在內(nèi)，尤其是如果它們要用于航天器上的滾動(dòng)元件，這些航天器必須在遠(yuǎn)離地球的地方運(yùn)行數(shù)年、數(shù)十年或無限期。潤(rùn)滑在這里至關(guān)重要，低脫氣和低蒸氣壓油已經(jīng)被開發(fā)出來，特別是用于太空應(yīng)用。合成碳?xì)浠衔锘蛉勖眩≒FPE）液體潤(rùn)滑劑在航空航天工業(yè)中已經(jīng)使用了30多年。

侵略性環(huán)境

讓我們看看其他材料：陶瓷，它通常用于太空中的隔熱系統(tǒng)或隔熱罩。陶瓷被證明可以有效地承受極端的溫度變化，比如當(dāng)航天器高速進(jìn)入任何類型的大氣層時(shí)，無論是地球還是火星。陶瓷具有優(yōu)異的低溫和高溫穩(wěn)定性，這意味著它們可以用于深空、低溫以及熔爐應(yīng)用。

這就給我們帶來了陶瓷軸承，由于其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，陶瓷軸承往往被鋼軸承所掩蓋。首先是缺點(diǎn)：陶瓷軸承環(huán)的圓度不如高精度鋼軸承。盡管陶瓷軸承比鋼更硬，但這種材料也更脆。因此，全陶瓷軸承不用于機(jī)床或渦輪機(jī)等高速應(yīng)用。超精密混合軸承是這些應(yīng)用的首選。陶瓷軸承的成本也更高。

然而，陶瓷軸承用于其他材料不適用的侵蝕性環(huán)境。它們最常用于需要優(yōu)異耐腐蝕性以及暴露在極低或高溫下的應(yīng)用。換句話說，陶瓷生物是在太空中使用的理想選擇。

陶瓷軸承中最常用的材料是氧化鋯（ZrO2）和氮化硅（Si3N4）。兩者都具有優(yōu)異的耐腐蝕性，這些材料具有低摩擦系數(shù)，這給我們帶來了全陶瓷軸承的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：它們可以在沒有潤(rùn)滑的情況下持續(xù)高速運(yùn)行，這就是為什么Si3N4經(jīng)常用于真空環(huán)境的原因。

ZrO2軸承可在高達(dá)400攝氏度的溫度下使用，Si3N4軸承可在800攝氏度的高溫下使用。這意味著軸承沒有滾珠保持架，相反，自由空間允許安裝額外的滾珠。盡管最大速度大大降低，但滾珠補(bǔ)強(qiáng)的增加允許徑向軸承容量的顯著增加。低至大約零下200攝氏度，只要使用合適的保持架，陶瓷也具有優(yōu)異的低溫性能。

氮化硅軸承具有輕質(zhì)和真空兼容的特性，在太空探索應(yīng)用中將受到極大的依賴。它們將特別有利于衛(wèi)星和航天器，因?yàn)樗鼈冃枰罴训闹亓磕芰碓鰪?qiáng)飛行動(dòng)力學(xué)和加速度。這些專業(yè)軸承及其不銹鋼軸承將對(duì)確保人類的下一次巨大飛躍是一項(xiàng)遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)的事業(yè)至關(guān)重要。