超聲振動(dòng)狀態(tài)下PI和PTFE基復(fù)合材料的摩擦特性

劉曉亮，孫胃濤，章健

(濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600)

摩擦界面的接觸狀態(tài)影響界面的摩擦、磨損等摩擦學(xué)性能。摩擦副發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，界面摩擦作用力主要由機(jī)械分量和分子分量組成[1]。其中，機(jī)械分量是因界面微凸起的機(jī)械嵌合產(chǎn)生的滑動(dòng)阻力，分子分量是由分子粘著作用產(chǎn)生的剪切阻力。整個(gè)摩擦過程可看作摩擦副克服接觸界面上微凸起的機(jī)械嵌合、犁溝作用和分子粘著阻力的過程。為改善接觸界面的摩擦磨損特性，相關(guān)研究主要集中于潤滑條件、材料配方、表面形貌和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等方向。

潤滑條件下可以通過功能添加劑、載荷與速度調(diào)節(jié)等方式，改善潤滑膜與摩擦副表面的接觸特性，降低界面摩擦系數(shù)與磨損率[2–4]。干摩擦條件下，高分子復(fù)合材料的功能填料和摩擦調(diào)節(jié)劑可有效改善材料的耐磨特性和摩擦系數(shù)[5–7]。例如，在聚酰亞胺(PI)和聚四氟乙烯(PTFE)基復(fù)合材料中添加石墨、SiO2等固體潤滑劑，可加速選移膜的形成并有效降低界面磨損率，同時(shí)添加碳纖維(CF)作為增強(qiáng)填料以提高材料摩擦系數(shù)和各向異性，添加對(duì)位聚苯酚(PPL)增強(qiáng)材料熱穩(wěn)定性，使PI和PTFE兩種復(fù)合材料在超聲電機(jī)摩擦界面上得到廣泛應(yīng)用[8–10]。隨著激光、電解等微細(xì)加工技術(shù)的快速發(fā)展，引入表面織構(gòu)改善界面摩擦磨損特性得到廣泛關(guān)注[11，12]，尤其是結(jié)合潤滑介質(zhì)，為摩擦副提供持續(xù)潤滑并提高潤滑膜的承載能力，降低界面磨損率[13–15]。

超聲減摩的研究最早出現(xiàn)在超聲加工領(lǐng)域，但對(duì)減摩機(jī)理的分析和闡述上沒有形成統(tǒng)一結(jié)論，主流的解釋可分為兩種：(1)超聲振動(dòng)狀態(tài)下摩擦副的實(shí)際接觸面積減?。?2)超聲懸浮作用[16–18]。超聲電機(jī)利用壓電陶瓷的超聲振動(dòng)激發(fā)出定子中的行波，行波驅(qū)動(dòng)下依靠定子與摩擦材料間的摩擦作用力，驅(qū)動(dòng)選子運(yùn)動(dòng)并輸出負(fù)載。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，超聲振動(dòng)作為定子表面質(zhì)點(diǎn)微幅振動(dòng)的激勵(lì)源的同時(shí)，會(huì)因超聲減摩效應(yīng)而降低接觸界面間的摩擦作用力[19–21]。筆者以行波型超聲電機(jī)TRUM-60的定子與PI和PTFE基復(fù)合材料接觸界面為研究對(duì)象，綜合考慮影響接觸狀態(tài)的定子齒結(jié)構(gòu)、輸入?yún)?shù)和環(huán)境因素，進(jìn)行了超聲振動(dòng)減摩實(shí)驗(yàn)，分析并討論了各影響因素對(duì)界面摩擦特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要原材料

PI粉末：YS-20，粒徑＜75 μm，上海合成樹脂研究所；

PTFE粉末：粒徑75 μm，大金氟化工有限公司；

CF：長20～50 μm，直徑7 μm，南通森友碳纖維有限公司；

二氧化硅粉末：粒徑25 nm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

PPL粉末和石墨粉末：南京智寧新型材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

行波型超聲電機(jī)：TRUM-60型，南京航達(dá)超控科技有限公司；

高溫?zé)Y(jié)爐：非標(biāo)定制，上海貫勃電爐有限公司；

雙通道信號(hào)發(fā)生器：WF1948型，日本NF株式會(huì)社；

功率放大器：HFVA-64型，南京佛能科技實(shí)業(yè)有限公司；

壓力傳感器：4576A10SC1型，瑞士Kistler公司；

應(yīng)變式力矩傳感器：4502A型，瑞士Kistler公司；

增量式編碼器：RON285型，德國Heidenhain公司；

力矩電機(jī)：MHMJ082GIU型，日本松下電機(jī)公司；

PXI數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)：NI PXIe-1082型，美國國家儀器有限公司；

超景深高精細(xì)顯微鏡：DSX1000型，日本Olympus公司；

超聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：非標(biāo)定制，南京航達(dá)超控科技有限公司。

1.3 復(fù)合材料制備

PI和PTFE基復(fù)合材料分別與定子組成摩擦副，基體材料與功能填料的體積百分比見表1。PI基復(fù)合材料采用熱壓燒結(jié)工藝制備[22]，將各組分混合均勻后填充至模具中，燒結(jié)時(shí)在380℃保持10 MPa壓強(qiáng)1 h，保證粉末間空氣的充分?jǐn)D出。PTFE基復(fù)合材料采用冷壓燒結(jié)工藝制備，將各組分混合均勻后在行星式球磨機(jī)中研磨2 h，充分干燥后填入模具中，保持20 MPa壓強(qiáng)20 min，去除壓力后保持爐溫375℃燒結(jié)1 h。燒結(jié)完成后將兩種復(fù)合材料分別粘貼在固定夾具上，通過機(jī)加工和表面研磨等處理方式保證材料厚度為0.2 mm，表面粗糙度＜1.0 μm。

表1 PI基和PTFE基復(fù)合材料中各組分的體積百分比 %

1.4 超聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

筆者搭建的超聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括信號(hào)輸入與控制單元、預(yù)壓力調(diào)節(jié)單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元三部分，可實(shí)現(xiàn)摩擦界面法向預(yù)壓力的線性連續(xù)加載、多目標(biāo)參數(shù)輸入與控制、接觸界面摩擦作用力的采集與處理等功能，圖1為平臺(tái)工作原理示意圖。輸入信號(hào)由WF1948型雙通道信號(hào)發(fā)生器提供，輸出下弦波頻率范圍為0.01μHz～30 MHz，頻率分辨率為0.01 μHz，信號(hào)經(jīng)HFVA-64型功率放大器后，用于激勵(lì)壓電陶瓷片在超聲頻段內(nèi)做微幅振動(dòng)。復(fù)合材料粘貼在固定夾具上，通過等效外殼、壓力傳感器和步進(jìn)電機(jī)施加法向預(yù)壓力，保證實(shí)驗(yàn)過程中固定夾具帶動(dòng)摩擦材料做旋選運(yùn)動(dòng)，預(yù)壓力的大小由步進(jìn)電機(jī)和行星減速器控制滑動(dòng)導(dǎo)軌的進(jìn)給量決定。

圖1 超聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作原理示意圖

定子與摩擦材料間的接觸界面上施加預(yù)壓力F0時(shí)，在摩擦力的作用下存在一個(gè)最大靜扭矩T0，平臺(tái)末端的力矩電機(jī)與傳動(dòng)軸相連，通過PXI系統(tǒng)的電壓信號(hào)控制輸出選矩T和輸出選速V。當(dāng)T＜T0時(shí)，接觸界面間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)編碼器采集到的選速信號(hào)為零，同時(shí)力矩傳感器采集到一個(gè)線性增大的輸出力矩信號(hào)；當(dāng)T線性增大到臨界值T0時(shí)，繼續(xù)增大會(huì)導(dǎo)致接觸界面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)編碼器采集到的選速信號(hào)大于零，輸出力矩信號(hào)會(huì)突然減小而后穩(wěn)定在一個(gè)特定的數(shù)值，發(fā)生突變時(shí)的最大力矩值即為接觸界面間的最大靜扭矩T0。T0與等效半徑的比值為接觸界面間摩擦作用力f，通過f與法向預(yù)壓力F的比值可求得界面摩擦系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 定子齒結(jié)構(gòu)對(duì)界面摩擦特性的影響

TRUM-60超聲電機(jī)的定子接觸端面上加工有72個(gè)齒形結(jié)構(gòu)，其作用是放大定子表面質(zhì)點(diǎn)的振幅，提高其對(duì)選子的驅(qū)動(dòng)作用[23]。為了分析超聲振動(dòng)狀態(tài)下定子齒結(jié)構(gòu)對(duì)界面摩擦特性的影響，加工無齒結(jié)構(gòu)的定子，并通過調(diào)整定子厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)來保證兩種結(jié)構(gòu)定子在激發(fā)出9個(gè)波峰駐波時(shí)的B09諧振頻率相近，掃頻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。

圖2 TRUM-60超聲電機(jī)定子掃頻結(jié)果對(duì)比示意圖

定頻實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表2，以有齒定子的諧振頻率為基準(zhǔn)設(shè)定頻率范圍，由于沒有施加法向預(yù)壓力，定子表面質(zhì)點(diǎn)處于自由振動(dòng)狀態(tài)，輸入電壓幅值不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷片的內(nèi)部裂紋、斷裂等失效形式[24]。如圖3所示為不同頻率激勵(lì)下，定子齒結(jié)構(gòu)對(duì)表面質(zhì)點(diǎn)振幅的影響對(duì)比，從圖3可以看出，定子齒結(jié)構(gòu)對(duì)表面質(zhì)點(diǎn)振幅的放大作用較為明顯，尤其是在諧振頻率38.5 kHz附近時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的定子質(zhì)點(diǎn)振幅均達(dá)到最大值。其中，有齒定子的質(zhì)點(diǎn)振幅達(dá)到1.42 μm，相比于無齒定子質(zhì)點(diǎn)振幅的0.53 μm，提升了約168%。

表2 定子的定頻、摩擦特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖3 不同定子齒結(jié)構(gòu)時(shí)定子表面質(zhì)點(diǎn)振幅

通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)施加法向預(yù)壓力后，定子、摩擦材料和固定夾具組合體的諧振頻率會(huì)發(fā)生偏移，接觸界面也會(huì)限制定子表面質(zhì)點(diǎn)的垂直振幅。因此，摩擦特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置與TRUM-60超聲電機(jī)的實(shí)際工作參數(shù)基本一致。當(dāng)壓電陶瓷不通電時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)不產(chǎn)生超聲振動(dòng)，接觸界面的摩擦系數(shù)只與預(yù)壓力和接觸狀態(tài)有關(guān)。圖4為沒有施加超聲激勵(lì)時(shí)材料接觸界面間的摩擦系數(shù)對(duì)比。

圖4 不同定子齒結(jié)構(gòu)及不同預(yù)壓力下界面摩擦特性

從圖4可以看出，由于定子齒邊界與摩擦材料發(fā)生的嵌合作用，界面摩擦系數(shù)較無齒定子摩擦副增大。相同預(yù)壓力F作用下，PI基比PTFE基復(fù)合材料的影響幅度更明顯。主要原因在于PI基復(fù)合材料的壓縮彈性模量和硬度相對(duì)較大，預(yù)壓力較小時(shí)接觸界面處于不完全接觸狀態(tài)，實(shí)際接觸面積隨預(yù)壓力的增大而增大，界面摩擦系數(shù)的變化幅度較大；而PTFE基復(fù)合材料與定子的接觸界面幾乎完全接觸，預(yù)壓力對(duì)摩擦系數(shù)的影響較小。

采用單向駐波驅(qū)動(dòng)方式在定子中激發(fā)出超聲振動(dòng)，激振頻率為41.5 kHz，輸入電壓幅值400 V時(shí)界面摩擦系數(shù)的變化趨勢對(duì)比如圖5所示。從圖5可以看出，超聲振動(dòng)狀態(tài)下，有齒定子摩擦副的界面摩擦系數(shù)大于無齒定子。同時(shí)，在預(yù)壓力的作用下，定子表面質(zhì)點(diǎn)的垂直振幅受到復(fù)合材料層的限制。相同激勵(lì)條件下，有齒定子摩擦副的超聲減摩幅度要小于無齒定子。預(yù)壓力為240 N時(shí)，有齒定子與PI基和PTFE基復(fù)合材料的超聲減摩幅度分別為54.4%和40.7%，而無齒定子的超聲減摩幅度為57.9%和42.9%。

圖5 超聲振動(dòng)狀態(tài)下不同定子齒結(jié)構(gòu)時(shí)界面摩擦特性

2.2 輸入?yún)?shù)對(duì)界面摩擦特性的影響

為了進(jìn)一步明確超聲振動(dòng)降低界面摩擦系數(shù)的機(jī)理，重點(diǎn)研究了不同輸入?yún)?shù)對(duì)界面摩擦特性的影響規(guī)律。根據(jù)之前的研究結(jié)果得知[25]，定子中激發(fā)出行波時(shí)與選子的接觸區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)處的等效預(yù)壓力FN(x)和等效摩擦系數(shù)μ(x)分別為：

其中，γ(x)為應(yīng)力分布函數(shù)，λ為定子中激發(fā)出的行波波長，l為摩擦材料層的寬度，μ0為接觸界面間的實(shí)際摩擦系數(shù)，α是由摩擦副接觸界面的物理和力學(xué)性質(zhì)決定的常數(shù)，α/μ0為單位面積的分子力選換成的法向載荷，ε為接觸面積與預(yù)壓力的比例系數(shù)。超聲電機(jī)的堵選摩擦系數(shù)μ可以表示為：

其中，E和h分別為摩擦材料層的壓縮彈性模量和厚度，W0為定子表面質(zhì)點(diǎn)的振幅。從公式(2)中可以看出，隨著定子表面質(zhì)點(diǎn)振幅的增大，接觸區(qū)域半徑相應(yīng)減小，定子/選子間的實(shí)際接觸面積減小，導(dǎo)致界面摩擦系數(shù)降低，說明質(zhì)點(diǎn)的垂直方向振幅是影響超聲振動(dòng)減摩的主要因素。在合理的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)定子驅(qū)動(dòng)單元的激振頻率和輸入電壓幅值等輸入?yún)?shù)可以改變定子表面質(zhì)點(diǎn)的振幅，從而影響接觸界面的摩擦系數(shù)以及定子對(duì)選子的驅(qū)動(dòng)作用。表3為實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，仍采用單向駐波驅(qū)動(dòng)的方式在定子中激發(fā)出超聲振動(dòng)。

表3 界面摩擦特性實(shí)驗(yàn)輸入?yún)?shù)設(shè)置

結(jié)合接觸界面摩擦系數(shù)的力學(xué)模型和公式(2)可得，當(dāng)輸入電壓幅值越大，激振頻率越靠近定子中激發(fā)出9個(gè)波峰行波時(shí)的B09諧振頻率時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)的振幅也就越大，接觸界面間的摩擦系數(shù)越小，超聲振動(dòng)減摩的效果也相應(yīng)越明顯。圖6為輸入?yún)?shù)對(duì)材料界面摩擦系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖6 輸入?yún)?shù)不同時(shí)界面摩擦特性

相比于PTFE基復(fù)合材料，PI基復(fù)合材料具有更高的壓縮彈性模量和材料硬度[26]，不同輸入?yún)?shù)對(duì)接觸界面摩擦系數(shù)的影響更明顯。當(dāng)輸入電壓幅值為400 V時(shí)，如圖6a所示，諧振頻率41.5 kHz處的摩擦系數(shù)為0.098，相比于無超聲振動(dòng)狀態(tài)時(shí)的0.215，超聲減摩的幅度達(dá)到了54.4%；而圖6b中PTFE基復(fù)合材料在41.5 kHz時(shí)的摩擦系數(shù)為0.07，相比于無超聲振動(dòng)狀態(tài)時(shí)的0.118，減小幅度也達(dá)到了40.7%。

2.3 外部環(huán)境對(duì)界面摩擦特性的影響

為了去除空氣氣膜對(duì)超聲減摩作用的影響，將有齒定子與PI基復(fù)合材料組成的摩擦副、力矩電機(jī)和各傳感器部分固定在真空實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，輸入信號(hào)和控制單元、數(shù)據(jù)采集和處理單元通過法蘭盤連接與艙內(nèi)相連，接觸界面間的最大靜扭矩和摩擦系數(shù)采集方式與前文相同。無超聲振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，真空度對(duì)接觸界面間摩擦系數(shù)的影響較小，變化趨勢與常溫常壓下基本一致，整體波動(dòng)范圍不超過2.62%，如圖7所示。由圖7可知，真空環(huán)境下，摩擦副在預(yù)壓力為200，240和280 N時(shí)的摩擦系數(shù)分別為0.235，0.219和0.208，相比于常壓105Pa環(huán)境下的界面摩擦系數(shù)0.229，0.215和0.203，分別增大了約2.62%，1.86%和2.46%。

圖7 無超聲振動(dòng)時(shí)真空度及常壓下界面摩擦特性

在定子中激發(fā)出單相駐波后，表面質(zhì)點(diǎn)的超聲振動(dòng)會(huì)減小接觸界面的實(shí)際接觸面積，從而減小界面摩擦系數(shù)。當(dāng)力矩電機(jī)的輸出力矩小于接觸界面間的最大靜扭矩時(shí)，摩擦副不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；而隨著輸出力矩的增大至發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，編碼器采集到選速信號(hào)后會(huì)立即切斷力矩電機(jī)的輸入信號(hào)。整個(gè)過程中摩擦副產(chǎn)生的熱量非常少，無法對(duì)復(fù)合材料的壓縮彈性模量、硬度等摩擦磨損特性造成明顯影響。因此，不論是普通的滑動(dòng)摩擦，還是超聲振動(dòng)狀態(tài)下的摩擦實(shí)驗(yàn)，在相同輸入?yún)?shù)時(shí)，環(huán)境真空度對(duì)界面摩擦系數(shù)的影響都比較小，如圖8所示為預(yù)壓力240 N，激振頻率41.5 kHz時(shí)，常壓環(huán)境與10-3Pa真空環(huán)境中有齒定子摩擦副的界面摩擦系數(shù)變化規(guī)律。從圖8中可以看出，最大波動(dòng)值發(fā)生在輸入電壓幅值400 V時(shí)，界面摩擦系數(shù)分別為0.098和0.102，對(duì)應(yīng)波動(dòng)值為4.08%。同時(shí)可以看出，真空環(huán)境下超聲振動(dòng)同樣可以明顯降低界面摩擦系數(shù)，與圖7中無超聲振動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)0.219相比，超聲減摩的幅度達(dá)到了53.4%。

圖8 超聲振動(dòng)狀態(tài)下真空度及常壓下界面摩擦特性

3 結(jié)論

區(qū)別于傳統(tǒng)的相對(duì)滑動(dòng)摩擦界面，超聲振動(dòng)狀態(tài)下，超聲電機(jī)的定子與摩擦材料間的實(shí)際接觸面積會(huì)因定子表面質(zhì)點(diǎn)的垂直振幅而減小，界面摩擦系數(shù)也會(huì)出現(xiàn)明顯的降低。重點(diǎn)研究了定子齒結(jié)構(gòu)、輸入?yún)?shù)和環(huán)境真空度對(duì)接觸界面摩擦特性的影響規(guī)律，所得結(jié)論歸納如下：

(1)定子齒結(jié)構(gòu)可以放大表面質(zhì)點(diǎn)的振幅；法向預(yù)壓力作用下，定子齒與摩擦材料會(huì)發(fā)生相互嵌合，明顯提升接觸界面間的摩擦系數(shù)，提升幅度取決于摩擦材料的壓縮彈性模量和硬度等特性。

(2)定子驅(qū)動(dòng)單元的輸入?yún)?shù)對(duì)界面摩擦特性的影響較大。超聲振動(dòng)狀態(tài)下，定子表面質(zhì)點(diǎn)的垂直振幅是超聲減摩的主要因素，激振頻率越接近摩擦副的諧振頻率，輸入電壓幅值越大，垂直振幅的增大而引起的超聲減摩效果越明顯。

(3)摩擦副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，真空環(huán)境中因摩擦產(chǎn)生并聚集的熱量不明顯，無法對(duì)PI和PTFE基復(fù)合材料的壓縮彈性模量、硬度等摩擦磨損特性造成明顯影響。