闫子琮

摘 要：超声波电机是上世纪80年代诞生的一种新型驱动器，主要由转子摩擦材料与定子压电陶瓷组成，可以利用逆压电效应实现定子表面质点的转动。与传统的电磁电机相比，超声波电机响应速度快、不会受到磁场的干扰、适合应用在各种恶劣的工作环境中。本文主要采用实验法对超声波电机用摩擦材料的性能进行分析。

关键词：超声波电机；摩擦材料；性能

超声波电机是上个世纪八十年代开始发展的一种比较新型的电机。超声波电机与普通的电磁电机相比，其最大的不同就是驱动方式。超声波电机中物体的运动依靠的是转子与定子之间的摩擦力。所以摩擦材料的性能决定了超声波电机的驱动与寿命。超声波电机对摩擦材料的选取有两个方面的要求：首先摩擦材料应具有较大的摩擦因数即摩擦力要大，但磨损要小；其次摩擦材料还应该有一定的变形能力以及适中的硬度和好的热稳定性。本文笔者将很据以上要求，通过实验来对摩擦材料进行一定的性能分析。

一、摩擦材料的概述

PTEE本身是一种常见的自润滑材料，虽然其耐高低温且化学性质稳定，绝缘且阻燃。但其不足之处是摩擦因数低且硬度低、不耐磨，这些都不利于延长超声波电机的寿命。因此，会在PTEE中加入玻璃纤维、石墨、碳纤维、二硫化锰和青铜粉等物质来对其进行再造，弥补其不足。本文将对POB、石墨、玻璃纤维和碳化硅粉填充PTEE的新型超声波电机用摩擦材料的力学和摩擦学性能进行研究。

二、实验部分

（一）材料的制备

1）首先，按照一定的比例向PTEE中加入适量的玻璃纖维、石墨、POB和碳化硅粉并搅拌均匀。

2）将混合后的材料放入一百摄氏度恒温箱中保存两个小时。

3）将保存后的材料装入模具使之定型。

4）将定型的材料进行烧结并加工成实验中所要用到的试样。

（二）实验方法及步骤

1）用HVS-50型维氏硬度计来测量所得复合材料的硬度。

2）用WDW-5000N微机控制试验机来测量和计算复合材料的抗壓弹性模量。

3）用转速测量仪测量超声波电机的空载转速和堵转力矩。

4）用摩擦磨陨试验机器在室温条件下测量复合材料在干摩擦时的摩擦和磨陨性能，试验时间为三十分钟。

5）用扫描电子显微镜观察测试过后的复合材料试样的表面形状及面貌。

三、超声波电机用摩擦材料的性能分析

（一）力学性能分析

由实验可以得出，POB、玻璃纤维、碳化硅微粉都能在一定程度上提高复合材料的硬度与弹性模量，并且玻璃纤维提升的程度最大。其原因便是玻璃纤维、POB和碳化硅微粉三者的强度都比PTEE大，并且玻璃纤维是三者中强度最大的。因此玻璃纤维填充PTEE的复合摩擦材料在强度和弹性模量方面是最佳的选择。

（二）摩擦磨损性能分析

实验表明，四种复合材料的摩擦因数比PTEE的摩擦因数都要低一些。并且在四种材料中，玻璃纤维填充的复合材料的摩擦因数最低。另外，复合材料的磨损量也均比PTEE的磨损量小，而且玻璃纤维填充的复合材料的磨损量最小。由上文可知，摩擦材料的最佳选择便是摩擦因数大，磨损量小的材料。

通过实验还可以发现，四种复合材料的摩擦因数虽然不同，但是差距很小，反之其磨损量的差距比较大。综合考虑，百分之二十玻璃纤维填充的PTEE复合摩擦材料比较适合于超声波电机。

（三）磨损机制分析

通过扫描电子显微镜对试验过后的试样表面的形状及面貌进行观察后发现：

1）PTEE试样的表面在磨损后有很明显的碳纤维，并且试样的基体大量脱落。此种磨损机制属于典型的黏着磨损。

2）百分之二十的POB填充的复合材料试样的磨损表面比PTEE材料要稍光滑，并且也未发现很明显的磨痕。但如果在显微镜下仔细观察可发现一些细小的裂纹，其原因是复合材料的强度变大，摩擦过程中难免会出现一些小裂纹，此种磨损机制为疲劳磨损。

3）百分之二十玻璃纤维填充的复合材料试样的磨损表面更加光滑，也无明显的磨痕。这是因为玻璃纤维的加入增加了材料的硬度和弹性模量，纤维也分散了部分压力，石墨的加入也起到了一定的润滑作用，使得材料的耐磨性增强。此外，材料表面也存在微观裂纹，所以属于疲劳磨损。

4）百分之二十碳化硅微粉填充的复合材料试样表面有较大的犁沟，表层也有部分脱落。其原因加入的碳化硅的含量过高且微粉颗粒过大。从材料表面的犁沟可以得出磨损机制为磨粒磨损。

四、结语

通过实验对不同摩擦材料的性能进行分析之后发现，POB、玻璃纤维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、弹性模量以及耐磨性。进一步分析得出百分之二十的玻璃纤维填充的复合材料最为理想。本实验所研究的摩擦材料也只是一小部分，要想寻找到更加理想、性能更加突出的超声波电机用摩擦材料，还需进一步的研究更多地复合材料。

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