超聲波電機用摩擦材料的研究進展
摘要：超聲波電機是種依靠摩擦為驅動力的新型驅動器。摩擦材料作為超聲波電機的關鍵部件之一，其性能的優劣在很大程度上影響和制約著超聲波電機的發腱與應用。歸納并探|寸了超聲波電機摩擦材料的基本要求與國內外研究進展�；谛胁ㄐ统暡姍C驅動特點及運行規律，從摩擦學、接觸力學和材料學三個方面對超聲波電機用摩擦材判的特殊要求進行了探討，初步得出了超聲波電機摩擦材料應具有優良的摩擦學、一定的接觸變形和一定的結構特性三個方面的特殊要求。最后，針對超聲波電機用摩擦材料研究中存在的問題，提出了一些值得重視的研究內容。
關鍵詞：超聲波電機；摩擦材料；研究進展；特殊要求
0引言 超聲波電機是20世紀80年代末發展起來的新型驅動器，其工作原理如圖1所示。它主要由定子壓電陶瓷和轉子摩擦材料等組成，利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使定子表面質點產生超聲頻域的橢圓形振動，通過轉子和定子的接觸摩擦驅動轉子轉動。與電磁電機相比具有以下一些特點：結構緊湊，低速大力矩，響應快速，控制精度高，無磁場干擾，體積小重量輕，適合劣
工作環境等�；谏鲜鎏攸c，超聲波電機受到國內外越來越多的關注，具有廣泛的應用領域，已在航空航天、武器裝備、微型機器人、精密定位等領域得到了成功應用。
國1超聲波電機工作原理
由圖1可知，超聲波電機的定子和轉子組成一對特殊的摩擦副，涉及到聲學、摩擦學、材料學和接觸力學等多學科的交叉。接觸表面高頻振動的存在，使摩擦副的摩擦變得復雜，給摩擦學
研究帶來許多新問題，形成了超聲波電機摩擦學新領域。摩擦材料作為超聲波電機的關鍵部件之一，其磨損及設計一直是研究人員致力于研究的熱點課題。超聲波電機的摩擦驅動原理決定了其接觸界面的磨損和疲勞是不可避免的，而摩擦材料通常是主要的易磨損部件，由于磨損的不可控性，使超聲波電機的性能壽命難于控制，限制了其優越性能的發揮及應用。因此，近年來，摩擦界面、摩擦材料的動態性能演變及超聲波電機的壽命預測等引起了人們的重視”。世界各國都在研究新型摩擦材料，期望提高超聲波電機的使用壽命和可靠性。
本文對國內外超聲波電機摩擦材料研究現狀及存在問題進行歸納與探討；針對行波型超聲波電機的驅動特點和運行規律，從摩擦學、接觸力學和材料學三個方面對摩擦材料的特殊要求進行分析，并討論超聲波電機摩擦學及摩擦材料等若干值得重視的研究課題。
1摩擦材料研究現狀
1 1摩擦材料基本要求
超聲波電機是靠摩擦傳遞動力的，定轉子摩擦副的磨損是不可避免的，為了保護定子，通常將摩擦材料作為主要的被磨損對象，一旦超聲波電機的定子和轉子材料選定，摩擦材料設計就成
為改善超聲波電機性能的關鍵因素，它對超聲波電機的轉換效率、輸出性能和使用壽命具有至關重要的作用。一般超聲波電機摩擦材料應滿足以下基本要求：
(I)適合的摩擦系數，以便將振動能高效地轉化成機械能；
f2)耐磨性高且對偶件的磨損也很輕微；
(3)接觸摩擦噪聲低；
(4)摩擦性能穩定，能長=期穩定地工作：
(5)有適當的機械性能，特別是適當的硬度；
(6)動、靜摩擦系數接近，低速無蠕動、爬行現象：
(7)接觸時不引起定子和轉子問的附加振動，特別是要求不吸收定子的切向振動；
(8)可進行精密加工，耐高、低溫及物理化學性能穩定等。
自從超聲波電機出現，摩擦材料就成為電機設計者和摩擦學家十分關心的問題。基于超聲波電機對摩擦材料的基本要求，縱觀國內外發展，已研制出幾種性能、多個品種的超聲波電機摩擦材料，歸納起來可分為：
f1)橡膠基摩擦材料；
(2)樹脂基摩擦材料“4
(3)涂、鍍層基摩擦材料㈣
f4)陶瓷材料，含油粉末冶金材料。
盡管品種繁多，性能各異，但超聲波電機使用壽命仍然不長，據報道使用國外摩擦材料的行波超聲波電機負載壽命不超過．3000小時，用國內摩擦材料的電機使用壽命2000小時左右，并且轉換效率不超過40。特別是隨著摩擦材料的磨損，超聲波電機接觸狀態的改變，導致超聲波電機的性能壽命逐漸衰退，嚴重限制了超聲波電機特有的高性能的發揮。因此，如何提高超聲波電機的性能壽命，成為各國學者和電機制造商努力研究的熱點問題““。以日本shinsei公司超聲波電機為例，近十年來****的改進就是摩擦材料，包括摩擦材料的成份和粘結應用方法等，使超聲波電機性能有很大提高。這些熱點、難點問題的出現不僅僅因為超聲波振動摩擦驅動的復雜性，而且還有對摩擦材料要求認識的局限性。
1 2摩擦材料的研究
l 2l國外摩擦材料的研究
在超聲波電機問世之初，定轉子接觸界面的摩擦學及摩擦材料的選擇問題等就引起了關注。在1987年，日本的A End0和Nsasaki~開究了摩擦材料的摩擦系數和硬度對超聲波電機性能的影響。并研制出了一種以氛丁橡膠(c Rj為主要成分的摩擦材料““，其硬度為JIsA=98 8，摩擦系數為0 3。在超聲波電機線速度為lO．6 c州s的條件下連續運轉300小時后，磨損僅為5grn，該材料表現出了比較優異的性能。1997年，德國學者P Rehbein…等人研究了高頻率振動條件下聚四氟
乙烯cPTFE)、PTFF上100／6碳纖維、聚酰亞胺(PI)、PI+30PTFE、PI+20碳纖維和PI+20PTFE+20碳纖維與高碳鋼組合的摩擦磨損狀況。結果表明PI+30PTFEPI+200,PTFE+20碳纖維組成的復合材料與鋼組合時磨損最小，比較適用于以鋼為定子材料的超聲波電機的使用要求。日本學者Bkaaki Is。等人以碳纖維增強塑料(cFRP)為例對電機的壽命進行預測，并與試驗結果進行了比較，其使用的摩擦材料可連續使用6(i000～8000小時。2000年，日本的研究人員在復印機上使用了高精度的超聲波電機作為驅動裝置，該電機使用的摩擦材料為聚四氟乙烯復合材料。該材料經過長時間連續使用，可靠性滿足使用要求。同時還有學者利用一些特殊表面處理技術，如鋁合金轉子表面的陽極氧化”…和濺射涂層““等以提高接觸摩擦面的耐磨性。2005年，韓國學者Hyun—P11i11 K等研究了GET、nAlN、TN、DLc和si—DLc五種摩擦材料作為定予用摩擦材料的磨損特性。其中，有si—DLc鍍層的定子顯示出較好的動態特性。此時，在電機運轉過程中，其轉矩幾乎為常值，并認為璉電超聲波電機動態特性取決于****的摩擦材料。
國外無論在超聲波電機的研制，還是超聲波電機摩擦材料的研究制備上，一直處于****地位，但其摩擦材料組成配方、工藝參數等關鍵技術問題上卻高度保密，借鑒和引進國外的可能性極小，為了發展我國的超聲波電機事業，趕超世界先進水平，必須自主研究先進的超聲波電機摩擦材料及相關摩擦學問題。
l2 2國內摩擦材料的研究
中國電子科技集團公司第二十一研究所李寶庫用粘涂和粘接兩種方法研制了網種摩擦材料(材料配方為雙酚A型環氧樹脂+酚醛型環氧樹脂+摩擦系數調節填料+改性咪唑固化劑
+KF[2550硅烷偶聯劑+硬度調節填料)，并對它們的摩擦系數、耐磨性和硬度進行了測試。材料經清華大學、中國電子科技集團公司第二十一研究所等單位使用，取得了良好的效果。在1999年，中國科學院蘭州化學物理研究所劉旭軍等人，采用氧化亞銅、石墨和碳纖維研制出高摩擦系數、低磨損的芳香聚酰胺基摩擦材料”…。經測試證明此材料綜合性能較好，與國外材料的驅動性能基本相當，而且溫升特性上優于國外樣品。2003年清華大學的龔文等人研制出以超高分子量聚乙烯為基體，通過聚氨脂和多種無機微粒改性的摩擦材料““。測試了長達lO小時的電機轉速隨時間的變化，結果表明，電機的轉速比較穩定，并證明材料比較刮磨。但超高分子量聚乙烯為基體的摩擦材料應用于大力矩驅動型超聲波電機中可能會遇到熱穩定性問題。2004年，西南交通大學施軍麗采用制各耐磨薄膜的方法，在超聲波電機定子表面鍍一層氮化鈦薄膜，將其作為摩擦材料來與鎳鋼轉子組合“…。通過電機運轉試驗證明此種摩擦副具有磨粒小、不粘結、易排出，電機輸出平穩、發熱小等優點。2007年，南京航空航天大學的丁慶軍等制備一種以環氧樹脂為基體的定子用涂層摩擦材料”…，試驗結果表明摩擦材料制作在定子上時電機的工作頻率變寬，這樣就可以使電機運行更加平穩，同時還研制了一種碳纖維改性的聚四氟乙烯基摩擦材料。
哈爾濱工業大學從1995年開始至今一直積****力于研究超聲波電機中與摩擦學相關的問題，在超聲波電機接觸摩擦磨損”““0特性、摩擦材料結構”�！�0特性與研制等方面取得了一定的研究成果。在1998年研制出一種主要性能與國外水平接近，適用于環形超聲波電機的改性酚醛樹脂基摩擦材料，在電機負載特性和電機轉速隨時闖變化性能方面優于日本的摩擦材料。并經清華大學、南京航空航天大學等單位使用后證明性能較好。隨后又研制出納米材料改性的超聲波電機摩擦材料，并已在行波超聲波電機上得到初步應用。2005年，研制r一種聚苯酯合金納米超聲波電機摩擦材料”“。2009年，該研究組還制備了一種涂層摩擦材料，并對梯度涂層摩擦材料”“進行了嘗試，試驗結果表明梯度摩擦材料可以改善超聲波電機的輸出性能。同年，又研制出了聚苯酯合金定子用摩擦材料”…，與國內幾種常用摩擦材料的比較表明，其堵轉力矩大，空載轉速高，耐磨性好，加工性能和粘結性能較好，與銅轉予組合時，電機摩擦驅動特性****，但存在韌性不好的問題。在研制摩擦材料的同時，也對摩擦材料的制備方法進行了改進。
在研究各向同性復合材料的基礎E，也在特殊性能的摩擦材料方面進行了一定的研究，比如各向異性摩擦材料和梯度摩擦材料，在2003年對三種不同纖維排列方向的超聲波電機摩擦材料進行了研究。利用有限元方法模擬分析了摩擦材料的各向異性對定轉子接觸狀態的影響，探討了纖維取向的作用。結果表明纖維方向平行于滑動方向，并且具有較高切向彈性模量的摩擦材料，
對于改善電機的性能是有益的。2007年，該研究組初步研究了不同彈性模量匹配的各向異性摩擦材料”，并進行了實驗找到了合適的配比關系。并開發了一種各向異性摩擦片制備的專用裝置”“。在2009年，該研究組研制了一種用于超聲波電機的梯度涂層摩擦材料，并確定了其****使用厚度，結果表明梯度涂層摩擦材料有助于提高超聲波電機的性能。同時對梯度摩擦材料在超聲波電機上應用進行了初步可行性分析研究，結果顯示梯度摩擦材料能夠改善超聲波電機的輸出定性和延長其使用壽命，因此研究組在該方面正進行深入的研究，以期取得突破性的成果。
綜上所述，國內外在超聲波電機用摩擦材料研究方面做了很多工作，也取得了一些成果，但仍存在著一些問題。目前超聲波電機摩擦材料研究的毛要問題是，缺乏對定子和轉子之間的特殊摩擦磨損規律的深層認識，以及摩擦材料磨損對接觸狀態和超聲波電機性能的影響理解。關于摩擦材料的研究方面，雖然研制了多種基體多種類型的摩擦材料，但是研究方法仍然以實驗為主，缺乏系統理論指導，也沒有完全形成設計原則；在研究思路上主要集中在單一均質材料及如何提高摩擦材料的耐磨性E，沒有從摩擦副的組合匹配方面進行系統研究，使摩擦材料研究處于只是品種變更，而性能沒有實質性提高的低水平徘徊狀態。
2摩擦材料特殊要求
由超聲波電機的驅動機理和運行規律可知，超聲波電機的輸出性能不僅與摩擦界面的摩擦磨損有關，而且還與接觸狀態有關，并且兩者互相影響。接觸界面的不斷磨損，使得定轉予接觸參
數和接觸狀態不斷變化，因此，針對這一特點，從摩擦學、接觸力學和材料學三個方面來分析超聲波電機對摩擦材料的特殊要求。
2 1摩擦學角度分析
超聲波電機的定子和轉子組成一對特殊的摩擦副，在接觸表面存在高頻超聲波振動，使摩擦磨損行為變得復雜，對摩擦材料有特殊的摩擦學特性要求。目前，對定子和轉子接觸界面摩擦磨損機理仍然缺乏深層認識，導致摩擦材料的研究工作多數集中在如何提高其耐磨性和如何增摩擦力上。然而，超聲波電機是摩擦傳動，磨損是其固有特性，不兇選擇的摩擦材料耐磨性有多高而消除。因此，在摩擦材料設計中，應考慮采用何利，性能的摩擦材料，在一疋的磨損范圍內，可以保持超聲波電機輸出的穩定性，在此基礎上，設計研究出提高超聲波電機輸出能力、耐磨性的新型摩擦材料，以延長超聲波電機的性能壽命。
此外，定子和轉子是一對摩擦副，其摩擦磨損性能取決于雙方的組合匹配，而不是單純由摩擦材料自身耐磨性決定，這也是目前的研究不足。例如，一種與鋼和鋁組合有較好摩擦磨損特性
的摩擦材料，在與銅定子組合時雙方都產生了較嚴重的磨損。因此研究高性能摩擦材料摩擦學特性的同時還需研究與其匹配良好的對偶摩擦副。
2 2接觸力學角度分析
以轉子摩擦材料為例，其與定子接觸應有一定的接觸變形(可由定轉子的接觸狀態直接反映)，以便產生足夠大的摩擦力，但從另一方面，定子的行波各點的水平振動速度與轉子宏觀速度是不同的，接觸變形又不能太大，以免產生過多的摩擦阻礙區。因此對摩擦材料提出了接觸力學特性要求。
隨著摩擦材料的磨損，接觸參數發生改變，進而導致接觸狀態、接觸變形亦發生變化，致使超聲波電機性能被影響。然而，在目前所建立的諸多接觸模型中，并沒有考慮磨損對接觸狀態的影響，因此，這些模型較難有效地指導高性能摩擦材料的設計。作者建立了一個超聲波電機簡化接觸模型”。利用厚度減薄等效磨損原理，模擬分析了摩擦材料厚度變化對接觸參數的影響，如圖2至圖4所示。圖3中，姆菠示施加預壓力機構的剛度系數。
由圖2可見，當k=10N／㈣時，雖然摩擦材料厚度僅變化O 2mm，接觸預壓力降低了2N；當島=30 N，nlm時，接觸預壓力就降低了6 N。由此可見，當島值較小時，接觸預壓力受摩擦材料的磨損的影響較輕微，隨著毛值的增大，接觸預壓力受摩擦材料的磨損的影響越嚴重。
由圖3可見，當政=10N／㈣時，摩擦材料厚度減小0_2 mm，接觸寬度降低了32 5；而當島=30
N，mm時，接觸寬度就降低35．9。由此可見，隨著摩擦材料厚度減小，施加預壓力機構的剛度越大，定轉子問的接觸寬度降低程度越大。
由圖4可見，摩擦材料法向等效剛度白在厚度由03mm減小到O．1mm，雖然厚度僅變化0 2mm，白卻增大了3倍。由此可見，采用單一均質摩擦材料時，摩擦材料厚度的微小變化都會導致其單位長度上法向等效剛度較大的變化，這反映了隨著摩擦材料磨損，接觸狀態明顯變化，導致摩擦驅動力下降，從而引起超聲波電機性能壽命降低。而且這一分析被實驗證實。
這些現象都是目前摩擦材料研究者沒有重視，也沒有很好研究的問題，值得進一步探索。因此，采用
圖4摩擦材料法向等效剛度變化
何種性能的摩擦材料在磨損過程中還能控制接觸狀態穩定，成為超聲波電機摩擦材料設計的關鍵。
2 3材料學角度分析
超聲波電機摩擦材料既要有足夠的摩擦，又要耐磨損，還要具有定的接觸變形，并能在超聲波振動條件下穩定工作，它是一種特殊的功能材料。究竟它應具有怎樣的材料特性是研制高性
能摩擦材料必須解決的問題。然而，這個問題直到目前，尚未很好認識。利用超聲波電機接觸模型，在超聲波電機定子振動狀態不變的前提下，以定轉子接觸寬度不變為目標，研究摩擦材料的法向彈性模量和單位長度上法向等效剛度隨其磨損應具備的特性，如圖5所示。
圖5彈性模量與法同等效剛度隨厚度變化
由圖5可見，當摩擦材料厚度減小時，欲保持超聲波電機輸出性能穩定或減緩輸出性能的衰減速率，摩擦材料的彈性模量在法向上由表及里應呈現遞減趨勢。具有這種性能的超聲波電機摩擦材料有望使超聲波電機具有良好的穩定性和長久的使用壽命，由此可以推斷，高性能的超聲波電機摩擦材料不僅是一種摩擦功能材料，還應是一種梯度功能材料，應具有結構性能要求。
分析現有摩擦材料可知，目前超聲波電機采用的單一均質摩擦材料，隨著摩擦材料的磨損，厚度逐漸減薄，由于受基體的影響，摩擦材料層的綜合硬度呈逐漸增大趨勢，一般情況下，硬度
的變化也間接反映了材料的彈性模量的變化趨勢，因此，單一均質摩擦材料與所需摩擦材料的結構特性不符，導致超聲波電機性能壽命很難維持。
綜上所述，超聲波電機對摩擦材料的特殊要求主要有良好的摩擦學特性、一定的接觸變形特性和一定的結構性能特性。這就使得摩擦材料研究變得復雜，已有的單一均質摩擦材料，靠單純地提高耐磨性很難滿足要求，因此必須突破現有的摩擦材料設計思想，應用新材料理論，探索新思路。
3摩擦材料發展方向
(1)建立完善的超聲波電機接觸模型。超聲波電機是種在具有超聲振動環境中，依靠摩擦作為動力的驅動器，其工作特性和使用壽命都與這種特殊環境下的接觸表面的摩擦磨損特性密切相關。因此，進一步深入研究超聲波電機的摩擦機理，建立完善的摩擦驅動模型對超聲波電機用摩擦材料的研究具有重要理論指導意義。
(2)研究開發多種系列，適用于不同環境下的摩擦材料。雖然近十幾年，我國的摩擦材料研究取得了一些進展，但與國際先進水平相比仍有很大差距。超聲波電機的優點之一是可應用于多
種苛刻環境，如高、低溫和真空或多環境的復合等。這些環境是極不相同，因此，需要充分結合超聲波電機運行特點及環境條件，研究多種系列，適合不同使用環境的摩擦材料，甚至研究開發可以對超聲波電機性能實施主動控制的特殊性能摩擦材料。
(3)建立模擬具有超聲波電機振動環境的專門試驗臺與測試方法技術。超聲波電機運行過程中伴隨著超聲振動，研究超聲振動環境下的摩擦學問題對超聲波電機及摩擦材料的研究具有重要
意義。因此，需要建立仿超聲波電機接觸界面振動摩擦形式的專門試驗設備及測試方法技術，為摩擦材料的性能提供試驗依據，從而更好地為摩擦材料設計研究提供指導。
(4)完善超聲波電機摩擦材料壽命預測與試驗方法。目前，關于超聲波電機壽命與摩擦材料壽命預測的工作已經引起了重視，但是方法仍主要是以實際測試為主，存在著周期長，影響因素
多等不足。需急切開展超聲波電機摩擦材料壽命預測模型，縮短壽命試驗周期的有效方法等方面
的l丁作。
4結語
摩擦材料作為超聲波電機的關鍵部分之一，其性能的優劣直接影響超聲波電機的性能壽命及可靠性。深入認識超聲波電機的運行特點與規律，從摩擦學、接觸力學、材料學和聲學等多角度，研究適合超聲波電機多種運行環境的多種系列的高性能摩擦材料及優異的摩擦匹配關系，為加速
我國超聲波電機的發展貢獻力量。
參考文獻
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