AISI 304和陶瓷轴承将对人类的下一次飞跃至关重要

美国国家航空航天局代理副局长Aaron Cohen曾表示：“太空是一项危险的业务。我一直认为每次发射都是一次几乎无法控制的爆炸。”。“预计不久的将来会有几个新的太空项目，必须不惜一切代价避免这些风险。这给工程师们带来了更大的责任，让他们制造出能够承受剧烈航天飞机发射和恶劣太空真空的高性能部件。

联合国已将天基服务和技术确定为其2030年17项可持续发展目标的关键。其网站表示，空间技术将是“理解气候变化和整个灾害管理周期的关键；在无数太空应用中，这只是两个例子。”《福布斯》杂志预测了未来几年的几项空间技术发展。其中包括以绿色为导向的项目，如安装在卫星上的红外相机，用于监测家庭和企业产生的热排放，以及测量森林砍伐与碳使用之间关系的卫星图像地图。

福布斯补充道，还计划进行较小规模的月球有效载荷旅行，并发射更多卫星。这些项目将给设备制造商带来更大的压力，要求他们采购和使用能够在太空真空中生存的关键任务机器部件。传感器、太阳能电池、透镜和半导体等重要部件将因太阳未经过滤的辐射而受到极端的温度波动，在某些情况下会导致故障和价值数百万美元的损失。

这些挑战也适用于轴承。一个主要问题是，超清洁的真空环境，特别是那些以高温或低温或高腐蚀性元素为特征的环境，会对轴承寿命产生惊人的90%的影响。一方面，机器制造商一直在提高食品加工和钢铁制造等基于地球的应用中使用的轴承的性能要求，特别是为了提高它们在高腐蚀性环境中以及在潮湿和化学品中的性能。但是，轴承如何承受太空的真空，以及在太空应用中日益增长的使用需求？

使用寿命更长

太空的恶劣条件包括苛刻的因素，如绝对真空、波动的温度，以及火箭部件在发射过程中受到的极端和剧烈的重力。为了承受这些条件，轴承应该经过空间批准——但这到底意味着什么？

首先，用于太空的轴承理想情况下应符合AS9102航空航天首件检验标准，该标准涵盖了从小型电气部件到大型结构组件的零件制造过程，这些零件用于航空、太空和国防。这是AS9100系列法规的一部分，AS9100是航空航天的ISO 9001质量管理体系。这些标准对轴承本身提出了工程要求。

以滚珠保持架为例，也被称为保持架，它将轴承的滚珠与中心滚动部件分离。笼可以由AISI 304奥氏体不锈钢制成，因为它具有优异的耐腐蚀性和在高温下的良好性能。在不锈钢轴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在航天器外的应用越来越多，其拉伸、伸长率、弯曲和冲击性能在真空环境中比Tefzel（ETFE）等更常用的氟基塑料好十倍。

轴承的寿命也应该考虑在内，尤其是如果它们要用于航天器上的滚动元件，这些航天器必须在远离地球的地方运行数年、数十年或无限期。润滑在这里至关重要，低脱气和低蒸气压油已经被开发出来，特别是用于太空应用。合成碳氢化合物或全氟聚醚（PFPE）液体润滑剂在航空航天工业中已经使用了30多年。

侵略性环境

让我们看看其他材料：陶瓷，它通常用于太空中的隔热系统或隔热罩。陶瓷被证明可以有效地承受极端的温度变化，比如当航天器高速进入任何类型的大气层时，无论是地球还是火星。陶瓷具有优异的低温和高温稳定性，这意味着它们可以用于深空、低温以及熔炉应用。

这就给我们带来了陶瓷轴承，由于其优点和缺点，陶瓷轴承往往被钢轴承所掩盖。首先是缺点：陶瓷轴承环的圆度不如高精度钢轴承。尽管陶瓷轴承比钢更硬，但这种材料也更脆。因此，全陶瓷轴承不用于机床或涡轮机等高速应用。超精密混合轴承是这些应用的首选。陶瓷轴承的成本也更高。

然而，陶瓷轴承用于其他材料不适用的侵蚀性环境。它们最常用于需要优异耐腐蚀性以及暴露在极低或高温下的应用。换句话说，陶瓷生物是在太空中使用的理想选择。

陶瓷轴承中最常用的材料是氧化锆（ZrO2）和氮化硅（Si3N4）。两者都具有优异的耐腐蚀性，这些材料具有低摩擦系数，这给我们带来了全陶瓷轴承的一个关键优势：它们可以在没有润滑的情况下持续高速运行，这就是为什么Si3N4经常用于真空环境的原因。

ZrO2轴承可在高达400摄氏度的温度下使用，Si3N4轴承可在800摄氏度的高温下使用。这意味着轴承没有滚珠保持架，相反，自由空间允许安装额外的滚珠。尽管最大速度大大降低，但滚珠补强的增加允许径向轴承容量的显著增加。低至大约零下200摄氏度，只要使用合适的保持架，陶瓷也具有优异的低温性能。

氮化硅轴承具有轻质和真空兼容的特性，在太空探索应用中将受到极大的依赖。它们将特别有利于卫星和航天器，因为它们需要最佳的重量能力来增强飞行动力学和加速度。这些专业轴承及其不锈钢轴承将对确保人类的下一次巨大飞跃是一项远离风险的事业至关重要。