改性聚酰亞胺基復合材料在超聲電機中的應用

劉曉亮，章健，孫胃濤

(濱州學院，機電工程學院，山東濱州 256600)

行波型旋轉超聲電機是一種新型的精密驅動功能裝置，驅動負載的能力主要依靠定子中行波對轉子的摩擦作用力[1]。獨特的工作原理決定了其具有區別于傳統電機的諸多優勢，例如環境適應性強、控制精度高、響應速度快、低速大扭矩和斷電自鎖等。目前，已經在探月工程的嫦娥系列探測器、航空航天器姿態控制、高精度聚焦鏡頭、精準醫療器械和生物工程等領域得到廣泛應用[2–3]。超聲電機的能量轉換效率較低，一般在35%左右，其能量損耗主要由兩方面構成：(1)壓點器件將驅動電路輸入的電能轉換為定子的微幅振動過程；(2)定子與轉子接觸界面的摩擦作用力將定子的微幅振動轉換為轉子的宏觀運動過程。

為了提高超聲電機的能量轉換效率，尤其是在滿足特定的機械輸出性能指標的同時保持較高的效率，主要的研究工作集中于如何改善定子與轉子間接觸界面的摩擦特性[4–5]。一方面，通過優化聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亞胺(PI)等復合材料的配方，選擇合適的基體材料，并通過添加玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維等增強填料，石墨、PTFE和對位聚苯酚(PPL)等調節劑，綜合提高材料的彈性模量、摩擦系數和穩定性等摩擦特性，促進摩擦過程中轉移膜形成[6–8]。另一方面，隨著精密加工技術的不斷發展，表面織構技術作為有效改善接觸界面摩擦特性的方法開始得到越來越多的應用。最初研究主要集中于如何利用表面織構技術提高潤滑膜的承載能力[9]，以及織構儲存磨屑降低界面的磨損率[10–11]。干摩擦條件下，由于PTFE和PI基摩擦材料具有良好的自潤滑性，并且摩擦過程中可以快速形成轉移膜，織構化摩擦材料開始在超聲電機輸出性能改善中得到應用[12–14]。

相比于傳統的PTFE基摩擦材料，PI基摩擦材料的彈性模量更大，可以改善定子/轉子間的接觸區域，提高超聲電機的輸出轉速；摩擦系數更高，可以提高超聲電機的輸出力矩；熱穩定性更好，可以提升摩擦界面的運動穩定性和環境適應性。針對超聲電機的輸出性能，尤其是能量轉換效率較低的問題，筆者采用PI作為基體材料，將PTFE，碳纖維，PPL、石墨和二氧化硅按優化比例熱壓燒結，以PI基復合材料作為研究對象，并采用超聲波精密加工的方法在其表面加工不同面積密度的正方形織構。借助摩擦磨損試驗機、掃描電子顯微鏡(SEM)和超聲電機性能測試平臺等測試分析手段，對TRUM-60超聲電機的接觸界面的摩擦特性和輸出性能進行了表征，分析材料摩擦特性與表面織構對超聲電機輸出性能的影響規律。

1 實驗方法

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；碳纖維：長20～50 μm，直徑7 μm，南通森友碳纖維有限公司；

SiO2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；

環氧膠：DG-2型，株洲世林聚合物有限公司。

1.2 主要設備及儀器

高溫燒結爐：非標定制，上海貫勃電爐有限公司；

摩擦磨損試驗機：SFT-2M銷盤型，蘭州中科凱華科技開發有限公司；

超聲電機性能測試平臺：定制TRUM型，南京航達超控科技有限公司；

微細超聲加工系統：非標定制，南京航空航天大學；

SEM：Zeiss SUPRA 55型，德國卡爾·蔡司有限公司。

1.3 制備方法

改性PI基復合材料采用熱壓燒結工藝制備。首先，將PI粉末和其它功能填料按表1比例配制完成后分散在無水乙醇溶液中，在超聲振動臺上兼用機械攪拌的方式混料2 h，保證各組分粉末的均勻分布；然后，利用真空泵將原材料從溶液中分離出來，并在真空干燥箱中作恒溫80℃隔夜烘干處理；最后，過200目篩，將篩分完成的粉末裝進成型模具中，放入熱壓爐中燒結成型。熱壓燒結過程中的成型壓強為2.88 MPa，對應模具內材料的實際壓強為10 MPa。首先，從室溫加熱到250℃，此過程材料開始發生玻璃化轉變，原材料顆粒間隙內的空氣被充分擠壓并通過模具間隙排出；其次，加熱到330℃并保溫10 min，繼續加熱到380℃并保溫1 h，此過程材料變為熔融態且熔體的黏度處于最低點；最后，自然冷卻到室溫完成材料的制備。使用環氧膠將PI基復合材料粘貼在超聲電機轉子上，采用機加工的方式將其厚度切削到0.2 mm，并對其表面研磨處理，保證表面粗糙度Ra＜1 μm，如圖1所示。

表1 PI基及PTFE基復合材料中各組分的體積百分比 %

圖1 粘貼在TRUM-60轉子上的改性PI基復合材料

1.4 表面織構的加工

采用微細超聲加工系統在PI基復合材料表面加工正方形微織構，該系統主要由超聲波發生器、超聲振動裝置和微細加工刀具等部分組成。待加工的正方形微織構的邊長分別預設為150，200，250，300 μm，深度為50 μm，織構中心間距為1.0 mm，對應的面積密度分別為2.25%，4%，6.25%，9%。為兼顧超聲加工的效率和精度要求，優化懸浮液中磨粒的大小、濃度分別為1.0 μm和15%。超聲加工系統的功率范圍設定為90～130 W(可調)，超聲頻率為20 kHz，加工時間為15 s，超聲加工刀具和完成后表面織構的三維形貌如圖2所示。

圖2 超聲加工刀具示意圖和正方形微織構的三維形貌圖

1.5 摩擦實驗及輸出性能測試

(1)改性PI基復合材料織構化前后的摩擦實驗。筆者以傳統PTFE基復合材料為參考對象，采用銷盤式旋轉摩擦試驗機測試改性PI基復合材料織構化前后的摩擦特性，實驗原理如圖3所示。

圖3 銷盤式旋轉摩擦實驗測試原理圖

TRUM-60超聲電機的組裝預壓力為300 N，定子與轉子間的接觸面積為297.2 mm2，穩定運行時接觸面積減小到102.9 mm2，對應的等效壓強值為2.91 MPa。實驗中采用磷青銅材質的平頭銷作為摩擦材料的對偶件，其截面尺寸為4×4 mm2；設定預壓力值分別為30，45，60 N，對應接觸壓強值分別為1.88，2.81，3.75 MPa；旋轉速度設定為300 r/min，實驗時間設定為30 min。

(2) TRUM-60超聲電機的輸出性能測試，實驗平臺如圖4所示。

圖4 TRUM-60超聲電機性能測試平臺

輸入信號為直流電壓12 V，電流0～4.5 A(可調)，經驅動器放大信號后輸入到TRUM-60超聲電機。實驗的負載由測試平臺末端的磁滯制動器提供，其額定電流控制范圍為0～2 A，對應負載范圍為0～2.5 N·m。

扭矩傳感器和編碼器采集電機實時的輸出力矩T和輸出轉速V，由公式(1)得到輸出功率Pout。隨著輸入功率Pin的逐漸增大，T，V相應增大，達到堵轉力矩時超聲電機停止工作，能量轉換效率η由公式(2)計算得到。

2 結果與討論

2.1 彈性模量的影響

摩擦材料的彈性模量影響超聲電機的輸出轉速和堵轉力矩，進而影響其能量轉換效率。但是，兩者之間并非純線性關系，而是針對不同型號的超聲電機存在一個合理的范圍[15–16]。當超過合理范圍時，進一步增加彈性模量會減小定/轉子間的接觸區域，減小定子對轉子的摩擦作用力，也就相應降低了超聲電機的能量轉換效率。

在特定預壓力的作用下，摩擦材料的彈性模量影響其法向變形量，如公式(3)所示。

式中，Δh為摩擦層的法向變形量，hm為摩擦層的厚度，bm為摩擦層的寬度，re為摩擦層的等效半徑，Em為彈性模量，F為預壓力值。當摩擦材料的彈性模量較大且在合理范圍內時，摩擦層的接觸剛度相應較大，相同預壓力作用下的法向變形量減小，定/轉子的接觸區域會相應減小且大部分位于驅動區間內，此時超聲電機的輸出轉速和堵轉扭矩變大，接觸區域內各點處的接觸力沿徑向的分量減小，接觸界面的滑動損耗減小，從而提高超聲電機的能量轉換效率。

筆者制備的改性PI基復合材料的彈性模量為9.1 GPa，TRUM-60超聲電機的各參數分別為F=240 N，bm=2.5 mm，hm=0.2 mm，re=27.77 mm，經計算可得摩擦層的法向變形量Δh=1.21×10-5mm，而相同條件下PTFE基摩擦材料層的法向變形量為9.17×10-5mm，說明制備的改性PI基復合材料具有更高的承載能力。

2.2 摩擦系數的影響

接觸界面的摩擦系數直接影響超聲電機的輸出力矩等性能參數，在制備摩擦材料時需優化各組分配比。筆者選用PI作為基體材料，分子主鏈上的環狀和線型酰亞胺結構使其具有優異的機械特性和抗承載能力。碳纖維的拉伸強度較高且耐熱性能好，作為增強填料時可改善PI復合材料的摩擦系數和各向異性；添加PTFE和石墨作為摩擦調節劑來調節材料的摩擦系數，改善材料的磨損特性和接觸界面的穩定性；添加PPL用來改善材料的熱穩定性。

燒結成型后的PI復合材料與磷青銅材質的平頭銷組成摩擦副，與現有PTFE基復合材料的摩擦特性對比如圖5所示。

圖5 PTFE基和PI基復合材料的摩擦系數對比

從圖5可以看出，PI基復合材料在其基體PI材料特性以及碳纖維改性的共同作用下，其彈性模量和摩擦系數比PTFE基復合材料有了明顯提高。由于預壓力較小時摩擦副的實際接觸區域集中在材料表面微凸起部分，摩擦副未完全接觸使得界面摩擦系數隨預壓力的變化比較明顯；而PTFE 基復合材料本身的彈性模量較小，施加較小的預壓力時摩擦副已經處于完全接觸狀態，此時預壓力的變化只影響到界面的摩擦力，而對摩擦系數的影響就相對較小。當預壓力為45 N時，PI 基復合材料的平均摩擦系數為0.242，相比于PTFE 基復合材料提高了

22.8%。

織構化界面在完全接觸前，隨著法向預壓力的不斷增大，實際接觸界面微凸起的相互作用位置更加接近于根部位置，表面織構的邊界處會進一步增大與對偶件微凸起間的相互作用力，因相互嵌合和微切削所產生的機械阻力越大，犁溝作用也越明顯，接觸界面摩擦作用力也就明顯增大。Kang等[17]在高純度鋁材上加工了直徑3 μm且六邊形陣列分布的半球形表面織構，研究發現織構化界面在干摩擦或濕潤表面條件時，與聚二甲基硅氧烷半球作為摩擦副時接觸界面間的摩擦系數有了較為明顯的提升。Schille等[18]在合金鋼42CrMo4+QT(AISI 4140)表面加工了凹坑形織構和深熔焊點，使用相同材質的對偶件進行旋轉摩擦實驗，得出表面織構可以明顯提高接觸界面間摩擦系數的結論。圖6為PI基復合材料織構化前后的摩擦系數對比。磷青銅與PI基復合材料的硬度相差較大，兩者組成的摩擦副在發生相互運動時，垂直于運動方向的織構邊界與對偶件的微凸起間的機械阻力和犁溝作用會增大，相應提高接觸界面的摩擦力作用；另一方面，表面織構位置材料的缺失會減小界面間的摩擦作用力，兩方面共同作用下存在一個最優化面積密度使界面摩擦系數最大。正方形織構的邊長為250 μm，對應6.25%的面積密度時，界面摩擦系數達到最大值，相比于無織構界面，平均摩擦系數提高了約19.4%。

圖6 PI基復合材料織構化前后摩擦系數對比

圖7為摩擦實驗前后PI基復合材料的表面磨損形貌對比圖。由于接觸界面動態接觸以及高頻剪切作用導致無織構樣品表面有明顯的剝層、刮擦和犁溝現象，主要磨損形式表現為磨粒磨損和剝層磨損，如圖7a所示。正方形表面織構可以儲存因對偶件磨損產生的部分磨屑，避免捕捉到的磨屑再次進入接觸界面引起的磨粒磨損和犁溝作用，明顯改善了摩擦材料表面的磨損現象，提高界面的運動穩定性，如圖7b所示。

圖7 PI基復合材料織構化前后磨損形貌對比

2.3 超聲電機輸出性能的影響

超聲電機的輸出力矩主要取決于摩擦界面間的作用力大小，因此，在合理范圍內適當增大摩擦材料的彈性模量和接觸界面的摩擦系數，可以明顯改善超聲電機的輸出轉速、力矩和能量轉換效率等輸出性能。Zhao等[19]研制的PTFE基復合材料，加工成0.3 mm厚的摩擦層后粘貼在TRUM-60超聲電機的轉子上，可使其堵轉力矩(輸出轉速降低到0時的負載力矩)達到1.2 N·m，能量轉換效率達到30%左右。Song等[20-21]研制的PTFE基復合材料，通過調整基料、增強劑和改性劑的配比，降低摩擦副磨損的同時提高了材料的摩擦系數，應用于超聲電機后可以降低界面磨損，提高輸出性能和使用壽命。曲建俊等[22]根據摩擦粘著理論建立了摩擦副的減摩和增摩模型，研制了具有增摩結構的環氧樹脂基和聚苯酯基涂層摩擦材料，研究了涂層摩擦材料和軟質層厚度對電機輸出轉速的影響規律，研究表明當涂層厚度為1.0 mm，軟質層厚度為0.7 mm時電機具有較好的輸出性能。

圖8為采用不同基體時，PI和PTFE基摩擦材料特性對超聲電機輸出轉速和能量轉換效率的影響對比。電機的組裝預壓力均為240 N，激振頻率分別為41.45 kHz (PI)和41.6 kHz (PTFE)，對應電機的起始轉速為160 r/min。彈性模量的增大可以提高摩擦層的接觸剛度并改善定子對轉子的驅動作用，在輸出力矩值相等的情況下，PI電機的輸出轉速有較為明顯的提升。從圖8中輸出轉速的對比可以看出，尤其是在輸出力矩為1.0 N·m時的輸出轉速可以達到116.1 r/min，相比于PTFE電機的109.4 r/min提高了約6.12%。在預壓力和定/轉子間接觸半徑一定時，摩擦系數的增大有效改善了超聲電機的輸出力矩和能量轉換效率。從圖8中還可以看出，有效力矩范圍(效率值大于40%時的輸出力矩范圍)為0.5～1.15 N·m，最高效率值可以達到44.29%，相比于PTFE超聲電機的最高效率值38.72%提高了約14.4%。

圖8 不同基體摩擦復合材料超聲電機性能

表面織構的引入會進一步提高定/轉子接觸界面的摩擦系數，Li等[23-24]優化PTFE基復合材料的組分配比，并在其表面采用激光加工的方式優化了表面織構的特征參數，有效提高了超聲電機的輸出性能。Li等[25]在定子上加工了不同特征參數的表面織構，實驗結果表明織構化定子會降低超聲電機的輸出轉速和效率，但是有利于防止PTFE基復合材料大轉移膜的形成，界面的粘著磨損顯著降低。筆者采用超聲加工方式在PI基復合材料表面加工了不同面積密度的正方形織構，由于材料自身的彈性模量和硬度相對較大，本身的壓縮強度較高，在輸入參數不變的情況下，定子表面質點形成的行波與織構化摩擦材料的接觸范圍增大，有效提高行波對轉子的驅動作用并改善超聲電機的輸出性能，如圖9所示。從圖9的實驗數據可以看出，面積密度為6.25%的織構化PI超聲電機的堵轉力矩提高到1.45 N·m，輸出力矩1.0 N·m時的輸出轉速也從116.1 r/min提高到121.3 r/min，最高效率值從44.29%提高到47.12%，有效力矩范圍也增大到0.4～1.3 N·m。

圖9 PI基復合材料織構化前后超聲電機性能對比

3 結論

制備了改性PI基復合材料，并在其表面上加工不同面積密度的正方形表面織構，重點研究了接觸界面的摩擦特性，及其對TRUM-60超聲電機的輸出轉速和能量轉換效率的影響規律。得出結論如下：

(1)改性PI基復合材料有效提高了其彈性模量和摩擦系數，相比于傳統的PTFE基復合材料，新型TRUM-60超聲電機的整體性能明顯改善，最高能量轉換效率可達到44.29%，輸出力矩為1.0 N·m時的輸出轉速可以達到116.1 r/min。

(2)織構化PI可以進一步提高接觸界面的摩擦系數，并提高運動穩定性，超聲電機的能量轉換效率可達到47.12%，有效力矩范圍增大到0.4～1.3 N·

m。