在航空航天等高端装备制造工业领域中，延长装备的寿命、提高可靠性和极限工作能力一直受到轴承技术的制约，对高质量轴承的需求尤其迫切。经过多年的研究，国际上高性能陶瓷轴承基础研究和技术研发取得了丰富的成果，通过技术转化，特别是混合陶瓷球轴承已在航空航天领域得到了应用，以提高飞机发动机、发电机和起动机以及旋翼飞机齿轮箱的效率。

混合陶瓷球轴承:航空航天提高效率的关键

SKF的产品开发工程师表示：陶瓷滚动体和钢套圈的混合设计是目前用于航空发动机的最高性能的轴承设计。混合陶瓷球轴承是采用钢制内外圈与陶瓷滚动体，这种结构组成赋予了轴承独特的性能。首先陶瓷球轴承相比于钢球轴承，在摩擦学性能上具有无可比拟的优势。不管是耐磨性、高速下的摩擦损耗、运行温度、油脂寿命的延长，还是轴承的极限转速的提高，以及在润滑不良情况下保持正常运转等方面，陶瓷球都有极佳的表现。

一、防止变频驱动装置中的电腐蚀现象

在电机效率不断提高的同时，随之产生的电腐蚀难题也一直困扰着电驱动业内。解决轴承电腐蚀问题，混合陶瓷球轴承方案的又一大关键性能。

在电机转速较低或者长时间运转轴承温度较高时，轴承润滑和绝缘性能不足或下降，加之800V电压平台的提升，便会击穿轴承油膜，破坏其绝缘性，进而在轴承中会形成轴承电流。

当轴电流通过轴承时，产生的高温可能会对轴承滚动体、内外圈造成损伤，比如滚道上会出现搓板图案，并带有深灰色外观，这就是轴承电腐蚀的表现。电腐蚀带来的典型结果包括轴承表面损坏、润滑剂过早老化、产生异响，缩短轴承和润滑剂的使用寿命，最终导致轴承失效。因此，在电机轴承中就需要加上绝缘设计来避免电腐蚀的危害。而氮化硅是一种完美的电绝缘体，可以阻止电流在轴承内外圈之间通过，使用混合陶瓷球轴承，能令多数难题迎刃而解。

二、通过延长润滑脂寿命来延长维护间隔时间

混合陶瓷轴承的第二大优势在于延长维护间隔时间和使用寿命。而其中的陶瓷滚动体可大大延长润滑剂的使用寿命，这意味着轴承可以持续运行更长时间而无需维护。陶瓷滚动体可以改善润滑剂对滚动接触面的润滑状态，由于减小了摩擦和电腐蚀现象，避免了润滑剂受热降解，从而使其润滑性能保持更长时间。

在SKF的测试中，混合陶瓷深沟球轴承中的润滑剂寿命是相同规格全钢制轴承的两倍以上，最高接近七倍。在对圆柱滚子轴承进行的类似测试中，混合陶瓷圆柱滚子轴承中的润滑剂寿命是相同规格全钢制轴承的两倍到四倍。

三、高转速性能有助于提升功率密度

混合陶瓷轴承的第三个优势在于能实现更高的转速，从而提高功率密度，这是电机制造行业的总体趋势。简单来说，功率是扭矩和转速的函数。如果轴承的转速提高，那么电机功率也会增加。

由于混合陶瓷轴承的重量比钢制轴承轻，因此其转速性能最大可以提高25%。此外，混合陶瓷轴承的摩擦较小，这就意味着工作温度更低以及在高速下使用寿命更长。更重要的是，轴承刚度提高有助于提高设备精度，并降低发生转子动力学问题的风险。

四、减少摩擦

混合陶瓷轴承还有一个优势是摩擦减少。减少轴承摩擦有助于降低能耗，这是现代工业的一个重要考虑因素。混合陶瓷轴承中的陶瓷滚动体对滚动和滑动扭矩产生的摩擦有直接影响。对于混合陶瓷轴承而言，由于杨氏模量较高使得接触椭圆面较小，从而降低了滚动扭矩造成的能量损失。此外，由于陶瓷滚动体的表面质量更好，滑动摩擦扭矩也得以降低。

▲（图源：斯凯孚）

SKF进行的试验表明，混合陶瓷轴承在高速下的摩擦扭矩比全钢制轴承低5%到8%。同时，试验还表明，混合陶瓷轴承还可以很好地应对润滑不足及其粘度降低的工况，这种特性有助于减少摩擦。这些润滑因素的调整改善了应用工况，在不影响轴承使用寿命的前提下，最大可将摩擦减少50%。

采用陶瓷滚动体和钢制内外圈的混合陶瓷轴承有望解决设计和维护方面的多种问题，从而提高可靠性。除了能够解决技术问题，混合陶瓷轴承还能实现更经济的运行和更高的功率输出。因此，混合陶瓷轴承极有可能在未来几年成为众多应用场合和行业的标准轴承解决方案。

航空陶瓷轴承技术发展趋势

陶瓷轴承以其优异的性能，能够为航空装备领域发展提供重要基础技术保障，是应对航空装备高速化发展的有效技术途径之一。未来航空陶瓷轴承的技术发展趋势包括：

一、低成本批量稳定生产技术

陶瓷轴承的成本包括全寿命期研发费用、产品费用和维修费用，高成本依然是制约目前高端陶瓷轴承系统深入研究的影响因素，在应用中还主要依赖全钢轴承，同时高成本还源于主机技术复杂、对轴承需求批量小和可靠性要求高等特点。

二、轻质化结构，精确设计技术

航空传动系统技术要求结构轻、可靠性高。为此基于轴承接触力学性能、热学性能、摩擦学性能匹配与分析、轴承动力学性能、轴承-转子系统动力学性能、轴承-基座结构力学分析的轴承精确设计技术依然是重点发展趋势；此外，通过极限性能的精确设计，发展先进的表面抗疲劳技术、高速高温固体润滑技术、脂润滑技术、C-C轻型保持架技术，改善轴承内部冲击，降低轴承发热，简化轴承润滑系统，可以进一步减少零件数量和减轻主机质量，这对有限寿命和异常情况下航空装备的安全将带来突破性技术变革。

三、陶瓷轴承的运行健康状态监控技术

现代航空器的转速、温度和载荷越来越高，而轴承性能的波动和轴承失效都会导致严重的系统问题或者失效，智能健康监测系统是航空装备技术监测的总体发展趋势，轴承和齿轮的健康状态监测是其核心技术之一。

四、无损检测和可靠性评价技术

陶瓷滚动体是多相烧结材料，其滚动接触疲劳寿命受原材料、工艺、工况和工作历史等参数明显影响，因此轴承寿命的离散度大，可靠性评价还存在技术困难。发展对表面和次表层缺陷和损伤的无损检测技术，特别是快速可靠的无损检测技术，控制陶瓷元件的成品质量，定量研究损伤模式和规律、极限抗损伤能力，建立可靠性评价模型，都是陶瓷轴承高可靠性应用的重点关注技术。