图1  齿轮由于做过射线交联成网处理，可以获得在高能塑料上才能看到的性能；而且非常简单且费用低廉

电子辐射提高了工程热塑性材料的置换潜力，特别是在耐磨性和耐高温方面。因此，用昂贵的高性能塑料经射线交联制成的热塑性材料在变速器零件上作为金属的替代物毫不逊色。

塑料的一个应用领域是驱动技术。塑料是制造齿轮、轴套及其他滑动器件如曲线件时可供选择的结构材料。在办公设备和汽车上，在家用技术设备和模型制造上，随处都可以看到这种物美价廉的轻型零件。其抗化学制剂的稳定性以及无需润滑即可工作的能力，注定了塑料零件尤其适用于医疗和食品技术。

在结构设计上更自由

塑料制成的变速器零件最突出的优点包括：比重较轻，耐磨性能强，具有良好的滑动性能和自润滑性能，耐蚀性能强，几乎没有吸湿性或吸湿性极小，具有良好的抗化学药品稳定性和抗水解性。另一个材料优点在于抗压性能强，耐压能力达500～1000kg/cm2；还具有良好的冲击缓冲性，低温下也被认为具有很强的缺口冲击韧性。若零件设计经过优化，对体积稳定性的要求也不会限制造型设计时的高自由度。

由于塑料没有润滑也能很好的工作，所以塑料滑动轴承属于免润滑、免维护轴承的最重要的代表之一。

图2  由于做了射线交联成网处理，这种聚酰胺套管在140℃及以上的温度下工作依然正常；而在这种温度下润滑是不可能的

诚然，问题在于热胀系数。塑料的热胀系数显然高于金属。为了确定变速器在120℃时不会发生抱死，设计师在设计零件时必须注意温度膨胀情况，这对传动装置的精密性会产生负面影响。

对塑料零件的要求在日益广大的范围内越来越高，最大的挑战之一是使用温度。塑料变速器在极端温度下也应当能够可靠且免维护的运转。在办公设备如在激光打印机上，必须能够承受150℃甚至更高的局部峰值温度。例如聚酰胺或聚甲醛制成的齿轮，在这个温度就已经达到了极限，两种塑料开始变软，就无法再传送和室温下相同的力。

高能塑料更贵

在选择塑料时，重要的是关注在应用中对塑料的要求是什么。以齿轮为例，提出这样的问题：哪种塑料满足在摩擦系数、抗压强度、使用温度、可能还有冲击负荷以及必要的形状稳定性方面的要求？由于其他材料如钢的摩擦系数特别小，如聚四氟乙烯（PTFE）就很容易被用作轴承材料。如果说在变速器零件上的要求太高，那么制造厂商就经常选择高能聚合物，如聚醚醚酮（PEEK）、聚苯撑硫（PPS）或热固性塑料。不过，这些塑料不仅比热塑性工程塑料贵很多，而且对加工也提出了更高的要求。

塑料制成的机器零件的相对运动，始终导致摩擦和磨损过程，这些过程限制了它们的使用寿命，可能会发生磨合损失、材料磨损以及错误焊接。由于温度过高以及负荷过大，会加速磨损，限制使用寿命。节省下来的制造成本往往会因频繁的维护投入而消耗，这样的缺陷不利于促进对供货商产品的信任。

图3  摩擦性能得到改善，这对塑料齿轮的运动性能产生积极的影响。利用射线交联成网的热塑性材料，可以比高性能塑料更加成本低廉地达到这一点

对于高能聚合物还有另一种在经济上具有吸引力的选择，就是通过射线交联成网得到优化的工程塑料。借助于这种工艺，可以获得在高能塑料上才能看到的性能；而且非常简单且费用低廉（图1）：通过射线的能量，塑料分子发生反应，于是形成永久的交联网络，这种交联网络赋予塑料以更高的性能。射线交联成网不仅可以提高使用温度，而且可以减少常温蠕变，具有更高的热变形稳定性，在提高了摩擦性能的同时也提高了在抗应力裂变方面的性能；而且在重要应用领域中的热膨胀也能够由于射线交联成网而减小。如图2所示，由于做了射线交联成网处理，这种聚酰胺套管在140℃及以上的温度下工作依然正常。

对塑料分子链有目的的进行射线交联成网，如今大部分都采用电子射线。有时候由于穿透性更好而采用γ射线。通过电子射线交联成网，主要发生在分晶的热塑性塑料的非晶形部分。但是在微型构件和齿轮上，由于零件的几何尺寸和形状各异，在零件表面与零件体积之间的比例上会出现对形成形态和结晶性不利的比例关系。如恰恰是在摩擦负荷强大的边缘部位，其结构却是非晶态无定形的。这些部位尤其可以从射线交联成网得到好处，因为这种网络可以明显减少磨损和磨蚀。

在环境温度升高时改善磨损性能

电子射线一般发生在室温下。由于大分子的运动性较强，因而部分晶化的塑料主要是在非晶形区域形成交联网络。这时，取决于温度的分子链的运动性减小了，随着网络化程度的提高，导致了玻璃过渡温度的升高。

多年来，Erlangen大学聚合物技术研究所（LKT）就已经对射线交联成网塑料（主要是聚酰胺）的性能潜力进行了分析，焦点集中在电子技术和摩擦学当中的应用。比如射线交联成网的聚酰胺，在环境温度升高时仍具有非常好的耐磨损性能。所以这种射线交联成网的工程塑料适用于原先只能由成本昂贵的高温塑料如PEEK、PPS和热塑性塑料占主导的领域。

在同BGS的合作中，LKT对采用PA 66制成的射线交联成网塑料齿轮进行了无数次试验。这种聚酰胺主要是BASF公司一种名为Ultramid A3的产品。另外，为了进行摩擦性能比较，还使用了Adelshofen市PTS Plastic Technologie Service Marketing & Vertriebs公司的热稳定PA 66塑料Creamid A3H2。试验零件做成了110mm×110mm×4mm的模板；而且为了制造极近似无晶形的边缘层，还对模具的温度进行了多种变化。摩擦性能得到改善，这对塑料齿轮的运动性能产生积极的影响。利用射线交联成网的热塑性材料，可以比高性能塑料更加成本低廉地达到这一点（图3）。

图4  射线交联成网对PA 66的热膨胀有影响（含水量﹤0.2%，TMA，标准阳模，加热率3℃/min，测量点未修平，喷射方向为X方向）

首先是在无晶形部位，射线导致了分子的部分交联成网，这样就提高了热稳定性、强度以及耐磨性。同时还观察到了蠕变倾向的减小，因为分子通过网络位置的滑离变得困难了。当交联成网度达到53%时，PA 66热塑性塑料的磨损系数由原来的大约6×10-6mm3/Nm降到了2.2×10-6mm3/Nm。由于后续的射束照射过程，当交联成网度达到60%时，磨损系数达到了1.86×10-6mm3/Nm。一种额外做了热稳定处理的PA 66塑料，测得的磨损系数（在交联成网度达到61%时）甚至达到了1.42×10-6mm3/Nm。摩擦系数在射线照射方面没有明显的影响，但其值介于0.78～0.93，处于对聚酰胺来说也是很高的水平。

在摩擦负荷下，塑料的最高使用温度取决于摩擦热和环境温度。视温度的不同，交联成网状的PA 66在摩擦性能上表现出明显的偏差（如上表）。因此，射线交联成网的PA 66在持续使用温度高出100℃时依然表现出色，但与此同时磨损系数仍非常低。此外，由于射束照射而形成的三维网络，导致了热胀系数的减小，射线交联成网对聚酰胺PA 66的热膨胀有影响（图4）。

组件性能与零件造型无关

许多方面对射线交联成网都是有利的。这种方法非常快捷，是利用电子作为“添加剂”工作的，这样不会由于化学制剂而造成环境污染。产品获得最终性能与其造型无关；同时，热塑性塑料转变成为热弹性材料。在多材料系统中，射线的照射有助于相结合达到最佳，比如纤维-矩阵-粘合。由于射线穿透了材料界限，甚至金属-塑料的组合也可以进行射束照射。

射线交联成网是一个经过考验的合作模式：对于塑料制造商来说，根本不会产生任何投资。他们只需在照射服务提供商如BGS公司交货之前，简单地做好最后一道加工程序而已。对材料的质量不必担心，因为只有很少几个电参数影响到这种方法的质量。射线交联成网提供的产品具有可精确复制的性能，这样可以满足极高的质量要求。射线照射所用时间很短，因而产品能够几乎就像是“在送往客户的路上”顺便经过BGS公司门前一样。