超聲波電機用摩擦材料的性能分析

閆子琮

摘 要：超聲波電機是上世紀80年代誕生的一種新型驅動器，主要由轉子摩擦材料與定子壓電陶瓷組成，可以利用逆壓電效應實現定子表面質點的轉動。與傳統的電磁電機相比，超聲波電機響應速度快、不會受到磁場的干擾、適合應用在各種惡劣的工作環境中。本文主要采用實驗法對超聲波電機用摩擦材料的性能進行分析。

關鍵詞：超聲波電機；摩擦材料；性能

超聲波電機是上個世紀八十年代開始發展的一種比較新型的電機。超聲波電機與普通的電磁電機相比，其最大的不同就是驅動方式。超聲波電機中物體的運動依靠的是轉子與定子之間的摩擦力。所以摩擦材料的性能決定了超聲波電機的驅動與壽命。超聲波電機對摩擦材料的選取有兩個方面的要求：首先摩擦材料應具有較大的摩擦因數即摩擦力要大，但磨損要小；其次摩擦材料還應該有一定的變形能力以及適中的硬度和好的熱穩定性。本文筆者將很據以上要求，通過實驗來對摩擦材料進行一定的性能分析。

一、摩擦材料的概述

PTEE本身是一種常見的自潤滑材料，雖然其耐高低溫且化學性質穩定，絕緣且阻燃。但其不足之處是摩擦因數低且硬度低、不耐磨，這些都不利于延長超聲波電機的壽命。因此，會在PTEE中加入玻璃纖維、石墨、碳纖維、二硫化錳和青銅粉等物質來對其進行再造，彌補其不足。本文將對POB、石墨、玻璃纖維和碳化硅粉填充PTEE的新型超聲波電機用摩擦材料的力學和摩擦學性能進行研究。

二、實驗部分

（一）材料的制備

1）首先，按照一定的比例向PTEE中加入適量的玻璃纖維、石墨、POB和碳化硅粉并攪拌均勻。

2）將混合后的材料放入一百攝氏度恒溫箱中保存兩個小時。

3）將保存后的材料裝入模具使之定型。

4）將定型的材料進行燒結并加工成實驗中所要用到的試樣。

（二）實驗方法及步驟

1）用HVS-50型維氏硬度計來測量所得復合材料的硬度。

2）用WDW-5000N微機控制試驗機來測量和計算復合材料的抗壓彈性模量。

3）用轉速測量儀測量超聲波電機的空載轉速和堵轉力矩。

4）用摩擦磨隕試驗機器在室溫條件下測量復合材料在干摩擦時的摩擦和磨隕性能，試驗時間為三十分鐘。

5）用掃描電子顯微鏡觀察測試過后的復合材料試樣的表面形狀及面貌。

三、超聲波電機用摩擦材料的性能分析

（一）力學性能分析

由實驗可以得出，POB、玻璃纖維、碳化硅微粉都能在一定程度上提高復合材料的硬度與彈性模量，并且玻璃纖維提升的程度最大。其原因便是玻璃纖維、POB和碳化硅微粉三者的強度都比PTEE大，并且玻璃纖維是三者中強度最大的。因此玻璃纖維填充PTEE的復合摩擦材料在強度和彈性模量方面是最佳的選擇。

（二）摩擦磨損性能分析

實驗表明，四種復合材料的摩擦因數比PTEE的摩擦因數都要低一些。并且在四種材料中，玻璃纖維填充的復合材料的摩擦因數最低。另外，復合材料的磨損量也均比PTEE的磨損量小，而且玻璃纖維填充的復合材料的磨損量最小。由上文可知，摩擦材料的最佳選擇便是摩擦因數大，磨損量小的材料。

通過實驗還可以發現，四種復合材料的摩擦因數雖然不同，但是差距很小，反之其磨損量的差距比較大。綜合考慮，百分之二十玻璃纖維填充的PTEE復合摩擦材料比較適合于超聲波電機。

（三）磨損機制分析

通過掃描電子顯微鏡對試驗過后的試樣表面的形狀及面貌進行觀察后發現：

1）PTEE試樣的表面在磨損后有很明顯的碳纖維，并且試樣的基體大量脫落。此種磨損機制屬于典型的黏著磨損。

2）百分之二十的POB填充的復合材料試樣的磨損表面比PTEE材料要稍光滑，并且也未發現很明顯的磨痕。但如果在顯微鏡下仔細觀察可發現一些細小的裂紋，其原因是復合材料的強度變大，摩擦過程中難免會出現一些小裂紋，此種磨損機制為疲勞磨損。

3）百分之二十玻璃纖維填充的復合材料試樣的磨損表面更加光滑，也無明顯的磨痕。這是因為玻璃纖維的加入增加了材料的硬度和彈性模量，纖維也分散了部分壓力，石墨的加入也起到了一定的潤滑作用，使得材料的耐磨性增強。此外，材料表面也存在微觀裂紋，所以屬于疲勞磨損。

4）百分之二十碳化硅微粉填充的復合材料試樣表面有較大的犁溝，表層也有部分脫落。其原因加入的碳化硅的含量過高且微粉顆粒過大。從材料表面的犁溝可以得出磨損機制為磨粒磨損。

四、結語

通過實驗對不同摩擦材料的性能進行分析之后發現，POB、玻璃纖維和碳化硅微粉的加入都可以在一定程度上提高原材料的硬度、彈性模量以及耐磨性。進一步分析得出百分之二十的玻璃纖維填充的復合材料最為理想。本實驗所研究的摩擦材料也只是一小部分，要想尋找到更加理想、性能更加突出的超聲波電機用摩擦材料，還需進一步的研究更多地復合材料。

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