航天動(dòng)力的先進(jìn)汽油渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)處于設(shè)計(jì)階段。這些發(fā)動(dòng)機(jī)將具有非常高的效率，而且在很多例子中，能使航天飛機(jī)的速度超過(guò)3馬赫。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承的工作條件要求非常高。可以預(yù)測(cè)到，主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)30000r/min，而軸承的溫度超過(guò)650°C。

在需要有較長(zhǎng)的軸承壽命的用途中，對(duì)于采用液體潤(rùn)滑的鋼制軸承來(lái)說(shuō)，目前的溫度極限是200°C。對(duì)于軸承壽命短的應(yīng)用中，有可能達(dá)到450°C。即使使用在技術(shù)上最先進(jìn)的液體潤(rùn)滑劑和金屬合金，在軸承工作極限壽命中，軸承的工作溫度是500°C。

越過(guò)常規(guī)軸承的設(shè)計(jì)理念，利用最新的研究成果應(yīng)用到高溫材料和固體潤(rùn)滑劑的新想法是需要的。在目前的溫度極限下，預(yù)計(jì)極高的工作溫度（800°C -900°C）是不可能達(dá)到的。陶瓷軸承帶來(lái)了能提高工作溫度達(dá)到相當(dāng)于650°C的希望，但是發(fā)生在高速高溫陶瓷滾動(dòng)軸承中的摩擦的相互作用是復(fù)雜和變化的。軸承和潤(rùn)滑劑材料的有效選擇取決于他們熱量的、物理的、化學(xué)的和機(jī)械的特性，也包括應(yīng)用的工作環(huán)境和工程技術(shù)約束。

滾動(dòng)體和滾道的材料

對(duì)于高溫軸承的滾動(dòng)體和滾道，評(píng)價(jià)材料的最重要標(biāo)準(zhǔn)是高溫強(qiáng)度（硬度），機(jī)械特性和氧化性。工具鋼是目前制造航天發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的最常用材料，它的實(shí)際溫度極限大約是400°C。在這種溫度下，正常軸承用鋼會(huì)快速失去硬度。

超高溫軸承是一組高性能陶瓷材料。在溫度高于1100°C時(shí)，這些陶瓷材料比常規(guī)的軸承工具鋼具有更高的硬度。在過(guò)去的10年里，開(kāi)發(fā)了一種具有高速高溫的陶瓷材料制成的滾動(dòng)軸承：熱壓的或熱等靜壓的氮化硅。當(dāng)有足夠的潤(rùn)滑劑的時(shí)候，氮化硅是合用的，因?yàn)榫哂泻玫母邷貜?qiáng)度和硬度，在強(qiáng)度/重量關(guān)系上有優(yōu)勢(shì)，而且還能具有極好的防止?jié)L動(dòng)體發(fā)生疲勞性能。

然而，氮化硅有缺點(diǎn)，包括較低的抗拉強(qiáng)度，較低斷裂韌度和非常低的熱膨脹系數(shù)。由于具有這些性能，在陶瓷軸承的制造和應(yīng)用方面需要做大量的開(kāi)發(fā)工作。

其他的陶瓷材料，例如碳化硅和碳化鈦，已經(jīng)被評(píng)為合適的滾動(dòng)體和滾圈的材料。盡管不像氮化硅那么普及和成熟，它們確實(shí)具有某些能夠使其成為高溫滾動(dòng)軸承備選材料的性能。例如，在做40000r/min的軸承測(cè)試中，把碳化硅作為滾動(dòng)體的材料，雖然溫度沒(méi)有達(dá)到極限，但是它已經(jīng)超過(guò)了液體潤(rùn)滑劑的范圍。潤(rùn)滑系統(tǒng)僅僅包含了一層固體潤(rùn)滑劑膜。

碳化硅有利于在高溫軸承中應(yīng)用的性能是其良好的導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率，抗氧化性和高純度（性能幾乎不受雜質(zhì)的影響）。這種材料的一個(gè)缺點(diǎn)是它具有較高的彈性模量。它的彈性模量比熱壓氮化硅高出50%，因?yàn)楦吆掌澖佑|應(yīng)力的危險(xiǎn)，使這一特性作為一個(gè)潛在的問(wèn)題。

固體潤(rùn)滑劑

值得注意的是，對(duì)于大多數(shù)的合成潤(rùn)滑劑，它的溫度極限幾乎等于最先進(jìn)的軸承用鋼的溫度。對(duì)于未來(lái)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)算的工作溫度是大大超過(guò)了這些材料的溫度極限。唯一的解決辦法就是利用非常規(guī)的潤(rùn)滑劑。

如果滾動(dòng)軸承充分潤(rùn)滑劑和并且有良好的密封性，阻擋污染物進(jìn)入，軸承的壽命一般取決于材料的疲勞極限。如果不能采用液體潤(rùn)滑劑，則有必要采用某種形式的邊界潤(rùn)滑來(lái)減少摩擦熱和磨損。軸承接觸部分表面形成的氧化層可以提供有限周期的潤(rùn)滑。

當(dāng)選擇了固體潤(rùn)滑劑之后，發(fā)現(xiàn)困難在于找到一種復(fù)合物，它的耐熱和抗氧化性都超過(guò)溫度范圍，例如，從-50°C到+980°C。在低溫條件下工作良好的固態(tài)潤(rùn)滑劑經(jīng)常會(huì)在高溫情況下被損壞或變得有磨蝕性，反之亦然。

潤(rùn)滑膜的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分，即使采用陶瓷材料時(shí)也是這樣。無(wú)潤(rùn)滑的氮化硅或碳化硅既沒(méi)有固有的低摩擦性，也沒(méi)有良好的抗磨損性。這些特性可以通過(guò)與材料相適宜的固態(tài)潤(rùn)滑劑的幫助而獲得。用包含高溫添加劑的石墨潤(rùn)滑氮化硅，可以形成一層減小摩擦系數(shù)的摩擦化學(xué)膜，因此，便減少了熱量的產(chǎn)生。摩擦力的減小取決于：油膜與基體材料相比，它是否更容易被撕裂。

對(duì)于工作在超高溫—--高于550℃情況下的軸承，更要考慮較之于石墨潤(rùn)滑劑更具熱穩(wěn)定性的固態(tài)潤(rùn)滑劑。在充分理解各式各樣元件之間的摩擦學(xué)關(guān)系的前提下，來(lái)進(jìn)行復(fù)雜潤(rùn)滑系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，如：高溫潤(rùn)滑劑，陶瓷制軸承，是絕對(duì)必要的。