超聲波電機(jī)用摩擦材料的性能分析

閆子琮

摘 要：超聲波電機(jī)是上世紀(jì)80年代誕生的一種新型驅(qū)動器，主要由轉(zhuǎn)子摩擦材料與定子壓電陶瓷組成，可以利用逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)定子表面質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，超聲波電機(jī)響應(yīng)速度快、不會受到磁場的干擾、適合應(yīng)用在各種惡劣的工作環(huán)境中。本文主要采用實(shí)驗(yàn)法對超聲波電機(jī)用摩擦材料的性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；摩擦材料；性能

超聲波電機(jī)是上個(gè)世紀(jì)八十年代開始發(fā)展的一種比較新型的電機(jī)。超聲波電機(jī)與普通的電磁電機(jī)相比，其最大的不同就是驅(qū)動方式。超聲波電機(jī)中物體的運(yùn)動依靠的是轉(zhuǎn)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(jī)的驅(qū)動與壽命。超聲波電機(jī)對摩擦材料的選取有兩個(gè)方面的要求：首先摩擦材料應(yīng)具有較大的摩擦因數(shù)即摩擦力要大，但磨損要?。黄浯文Σ敛牧线€應(yīng)該有一定的變形能力以及適中的硬度和好的熱穩(wěn)定性。本文筆者將很據(jù)以上要求，通過實(shí)驗(yàn)來對摩擦材料進(jìn)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕緣且阻燃。但其不足之處是摩擦因數(shù)低且硬度低、不耐磨，這些都不利于延長超聲波電機(jī)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(zhì)來對其進(jìn)行再造，彌補(bǔ)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(jī)用摩擦材料的力學(xué)和摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究。

二、實(shí)驗(yàn)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(gè)小時(shí)。

3）將保存后的材料裝入模具使之定型。

4）將定型的材料進(jìn)行燒結(jié)并加工成實(shí)驗(yàn)中所要用到的試樣。

（二）實(shí)驗(yàn)方法及步驟

1）用HVS-50型維氏硬度計(jì)來測量所得復(fù)合材料的硬度。

2）用WDW-5000N微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)來測量和計(jì)算復(fù)合材料的抗壓彈性模量。

3）用轉(zhuǎn)速測量儀測量超聲波電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩。

4）用摩擦磨隕試驗(yàn)機(jī)器在室溫條件下測量復(fù)合材料在干摩擦?xí)r的摩擦和磨隕性能，試驗(yàn)時(shí)間為三十分鐘。

5）用掃描電子顯微鏡觀察測試過后的復(fù)合材料試樣的表面形狀及面貌。

三、超聲波電機(jī)用摩擦材料的性能分析

（一）力學(xué)性能分析

由實(shí)驗(yàn)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(fù)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(qiáng)度都比PTEE大，并且玻璃纖維是三者中強(qiáng)度最大的。因此玻璃纖維填充PTEE的復(fù)合摩擦材料在強(qiáng)度和彈性模量方面是最佳的選擇。

（二）摩擦磨損性能分析

實(shí)驗(yàn)表明，四種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)比PTEE的摩擦因數(shù)都要低一些。并且在四種材料中，玻璃纖維填充的復(fù)合材料的摩擦因數(shù)最低。另外，復(fù)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(fù)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(shù)大，磨損量小的材料。

通過實(shí)驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)，四種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)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(fù)合摩擦材料比較適合于超聲波電機(jī)。

（三）磨損機(jī)制分析

通過掃描電子顯微鏡對試驗(yàn)過后的試樣表面的形狀及面貌進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)：

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(jī)制屬于典型的黏著磨損。

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

3）百分之二十玻璃纖維填充的復(fù)合材料試樣的磨損表面更加光滑，也無明顯的磨痕。這是因?yàn)椴ＡЮw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(qiáng)。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(fù)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(jī)制為磨粒磨損。

四、結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)對不同摩擦材料的性能進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)，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(jìn)一步分析得出百分之二十的玻璃纖維填充的復(fù)合材料最為理想。本實(shí)驗(yàn)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(jī)用摩擦材料，還需進(jìn)一步的研究更多地復(fù)合材料。

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