梁瑞虹，趙 蓋，陳 寧，李 宋,盧曉蓉，陳政燃

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所，上海 201899;2.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，江蘇 南京 210016;3.國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073;4.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

1 引 言

作為超聲電機(jī)的核心部件，壓電器件和摩擦副對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和能量傳遞具有決定性的影響。近年來(lái)，空間環(huán)境下的高端裝備對(duì)超聲電機(jī)提出了更苛刻的作動(dòng)需求[1]，能否制造出寬溫域條件下性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠的壓電器件和摩擦副，是提高超聲電機(jī)環(huán)境適應(yīng)性、驅(qū)動(dòng)能力和驅(qū)動(dòng)效率的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)超聲電機(jī)的服役條件，壓電陶瓷材料需要滿足寬溫區(qū)、高效率、低損耗，而摩擦材料需要實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)化率、高穩(wěn)定性、低磨損等要求。

針對(duì)空間環(huán)境，在壓電陶瓷(PZT)器件低溫下壓電、介電性能的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)等對(duì)超聲電機(jī)用壓電陶瓷器件進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)基于軟性PZT-5A與PZT-5H研制的壓電陶瓷器件性能在低溫-150 ℃時(shí)降低了50%[2]。美國(guó)賓州州立大學(xué)的Cross等對(duì)不同組分的PZT陶瓷的介電及壓電性能的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明材料的本征介電/壓電響應(yīng)幾乎不隨溫度變化，而隨著溫度的降低，非本征響應(yīng)對(duì)材料介電/壓電性能的貢獻(xiàn)減小，在15 K時(shí)只有室溫的1/3[3]。北京航空航天大學(xué)通過(guò)Sn摻雜提高PMN-PZT壓電陶瓷的低溫穩(wěn)定性(-55～25 ℃)[4]。從文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)低溫環(huán)境下壓電陶瓷器件的研究相對(duì)缺乏。

摩擦材料是超聲電機(jī)的核心部件之一，其性能的好壞制約超聲電機(jī)的應(yīng)用，影響電機(jī)的輸出效率和服役壽命。到目前為止，公開(kāi)報(bào)道的超聲電機(jī)用摩擦副的增摩減磨研究都是集中在摩擦層材料的性能提高方面，研究主要包括旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)用有機(jī)高分子材料和直線超聲電機(jī)用陶瓷基摩擦材料兩大類[5-8]。

目前，日本Shinsei公司選用改性聚四氟乙烯(PTFE)摩擦材料，其行波超聲電機(jī)的壽命可達(dá)5 000小時(shí)。在國(guó)內(nèi)，曲建俊等學(xué)者研制出改性酚醛樹(shù)脂和聚四氟乙烯基系列轉(zhuǎn)子摩擦材料[9]，清華大學(xué)研制出超高分子量聚乙烯基摩擦材料[10]，南京航空航天大學(xué)研究了聚四氟乙烯和環(huán)氧樹(shù)脂基等有機(jī)高分子摩擦材料[11-13]。結(jié)果表明：高/低溫、高低溫交變和真空環(huán)境對(duì)有機(jī)高分子材料的機(jī)械特性和摩擦學(xué)特性有顯著影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)特殊環(huán)境下摩擦副的公開(kāi)研究報(bào)道較少。常規(guī)條件下的摩擦磨損行為及其失效規(guī)律已不適用于摩擦副在高頻微振動(dòng)條件下的增摩減磨及失效機(jī)理。空天領(lǐng)域特殊的真空、高低溫交變的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)于超聲電機(jī)用摩擦材料提出了新的要求。因此，闡明特殊環(huán)境和運(yùn)動(dòng)形式下摩擦副的增摩減磨及失效機(jī)理，揭示真空、高低溫交變的復(fù)雜環(huán)境對(duì)其摩擦學(xué)性能及機(jī)械性能的影響機(jī)制，對(duì)研制適用于特殊環(huán)境的新型摩擦材料具有重要意義。

本文開(kāi)展了特殊環(huán)境下壓電器件和摩擦材料設(shè)計(jì)與制備研究，揭示特殊環(huán)境下壓電器件的相結(jié)構(gòu)、性能演變規(guī)律和疲勞失效行為，設(shè)計(jì)并制備了寬溫區(qū)穩(wěn)定服役和低功耗高效率新型壓電器件；研究了溫度對(duì)摩擦材料硬度、壓縮性能、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能和晶型的影響，測(cè)試了摩擦材料在不同溫度下的摩擦系數(shù)與磨損率，形成了新型聚酰亞胺基摩擦材料的制備方案。基于新型壓電和摩擦材料，完成新型壓電器件的超聲電機(jī)裝機(jī)考核試驗(yàn)，提高了超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，滿足航空航天的應(yīng)用要求。

2 超聲電機(jī)功能材料的研制

2.1 壓電陶瓷性能

以南京航空航天大學(xué)研制的TRUM-60型超聲電機(jī)為例，由于它工作在B09模態(tài)，壓電陶瓷分區(qū)如圖1(a)所示。其中“+”“-”代表不同的極化形式，在交流電壓激勵(lì)下產(chǎn)生交變的伸縮變形，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如圖1(b)所示。

圖1 行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)壓電陶瓷的工作機(jī)理Fig.1 Mechanism of traveling wave ultrasonic motor

壓電陶瓷片在高頻高壓電場(chǎng)的激勵(lì)下，其介電損耗Wp可表示為[13]：

(1)

其中：fs為驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，εp為壓電陶瓷的介電常數(shù)，Um為驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值，hp為壓電陶瓷片厚度，tan δ為介電損耗系數(shù)。

為了盡可能降低壓電損耗，壓電陶瓷有較小的介質(zhì)損耗tanδ和較大的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm，同時(shí)為了保證輸出足夠的驅(qū)動(dòng)力，需要保持一定的壓電系數(shù)d33和機(jī)電耦合系數(shù)kp。

2.2 超聲電機(jī)用摩擦材料

超聲電機(jī)聚酰亞胺基和聚四氟乙烯基摩擦材料的設(shè)計(jì)與制備參見(jiàn)前期研究成果[14-15]。超聲電機(jī)摩擦材料粘貼在轉(zhuǎn)子表面上，直接接觸定子表面參與摩擦力傳遞過(guò)程[16]。若將行波型超聲電機(jī)沿圓周方向展開(kāi)，可以觀察到摩擦材料的磨損是由波峰隨時(shí)間推進(jìn)漸次剝落出來(lái)的。定子波峰接觸并犁削摩擦材料，會(huì)使摩擦材料在波峰前端產(chǎn)生變形堆積，隨著超聲電機(jī)的運(yùn)行，摩擦材料被一層一層的磨損，而堆積的磨屑會(huì)形成磨粒對(duì)摩擦材料產(chǎn)生磨損。

超聲電機(jī)用摩擦材料應(yīng)該滿足以下基本條件：(1)適合的靜摩擦系數(shù)(0.15～0.3)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相近，低速無(wú)蠕動(dòng)、爬行現(xiàn)象；(2)較好的耐磨特性，摩擦副的磨損都小；(3)摩擦噪聲低(<45 dB)；(4) 適當(dāng)?shù)挠捕群湍Σ粮北砻嬗捕鹊牧己闷ヅ湟约?常、高、低溫條件下)穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性；(5)良好的耐振動(dòng)和耐沖擊特性，耐低溫和耐高溫特性。

3 高穩(wěn)定低損耗壓電器件

3.1 溫度對(duì)壓電陶瓷材料的結(jié)構(gòu)及性能影響

采用原位X射線衍射(X-ray Diffraction,XRD)及透射電鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)表征手段分析不同溫場(chǎng)下壓電材料的結(jié)構(gòu)演變。從圖2的XRD結(jié)果可以看出，隨溫度降低，在45°衍射峰附近的(200)R衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。圖3沿[111]晶帶軸的TEM衍射圖案可以看出，隨溫度降低，(110)晶面的面間距逐漸增加，且與(011)晶面的面間接近。XRD及TEM的測(cè)試結(jié)果均表明，隨著溫度的降低，PZT陶瓷相結(jié)構(gòu)中三方相含量相對(duì)于四方相含量逐步增加。

圖2 不同溫度下MPB附近的PZT XRD圖Fig.2 XRD image of PZT near MPB with different temperatures

圖3 不同溫度PZT的TEM圖Fig.3 TEM image of PZT at different temperatures

從圖4可以看出隨著溫度的降低，PZT陶瓷的鐵電疇的疇密度不斷增加，也解釋了PZT陶瓷矯頑場(chǎng)隨著溫度降低而增大的現(xiàn)象(圖5)。

圖4 不同溫度PZT的電疇形貌Fig.4 Domain morphologies of PZT with different temperatures

圖5 不同溫度下PZT陶瓷電滯回線Fig.5 P-E curves of PZT at different temperatures

基于以上結(jié)構(gòu)分析，高穩(wěn)定壓電陶瓷的需要將組分設(shè)計(jì)在非MPB附近或?qū)PB調(diào)整為垂直相界，減少因相變產(chǎn)生的性能變化。

3.2 溫場(chǎng)-電場(chǎng)共同作用下的疲勞特性

超聲電機(jī)是在溫場(chǎng)-電場(chǎng)下共同加載下工作的，因此極有必要研究溫場(chǎng)-電場(chǎng)共同加載下PZT壓電陶瓷的疲勞特性。模擬實(shí)際超聲電機(jī)工作環(huán)境，頻率為50 kHz，當(dāng)施加交流電場(chǎng)幅度為1.5 kV/mm時(shí)，研究室溫、低溫和高溫下壓電陶瓷的性能演變。

從圖6(a)～6(c)可以看出，在高于矯頑場(chǎng)下工作(1.5 kV/mm)時(shí)，低溫下壓電陶瓷的抗疲勞特性顯著增強(qiáng)。這是由于溫度降低，鐵電疇活性降低,一定電場(chǎng)下，鐵電疇反轉(zhuǎn)的比例要低于室溫和高溫環(huán)境，材料的穩(wěn)定性和抗電致疲勞特性得以提高。為了研究電場(chǎng)幅度對(duì)材料抗疲勞特性的影響，將電場(chǎng)幅度降低至矯頑場(chǎng)以下(1 kV/mm)，研究不同溫度下PZT壓電陶瓷的疲勞特性。從圖 6(d)～6(f)可以看出，當(dāng)電場(chǎng)幅度低于矯頑場(chǎng)下工作時(shí)，壓電陶瓷的抗疲勞特性顯著增強(qiáng)，電場(chǎng)幅度對(duì)壓電陶瓷疲勞特性的影響顯著。因此，降低施加在超聲電機(jī)的交流電場(chǎng)幅度可顯著提高超聲電機(jī)的穩(wěn)定性。

圖6 不同溫度和不同電場(chǎng)疲勞條件下PZT壓電陶瓷疲勞前后的電滯回線演變

圖7 PZT電滯回線

3.3 高穩(wěn)定低損耗新型壓電材料的設(shè)計(jì)與性能

新型壓電陶瓷的組成設(shè)計(jì)上主要基于三個(gè)方法，一是通過(guò)調(diào)控Zr/Ti比形成非準(zhǔn)同型相界；二是加入第三組元提高壓電性，增大壓電系數(shù)，同時(shí)保證低溫穩(wěn)定性；三是添加偶極子缺陷MnO2釘扎疇壁，增大疇壁激活能，提高穩(wěn)定性、矯頑場(chǎng)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

表1是傳統(tǒng)超聲電機(jī)壓電材料與本文研制的低損耗材料電學(xué)性能的對(duì)比，圖7是它們的電滯回線。圖8是本文研制的壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)kp隨溫度的變化曲線。從測(cè)試結(jié)果可以看出，新研制的壓電材料具有低介電損耗、高機(jī)械品質(zhì)因素及高溫度穩(wěn)定性。

表1 壓電材料電學(xué)性能對(duì)比

圖8 不同溫度壓電材料的kp變化曲線Fig.8 kp dependence of PZT on temperature

4 高性能摩擦材料

4.1 溫度對(duì)摩擦材料的性能影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，主要從探索溫度對(duì)摩擦材料的機(jī)械性能以及摩擦學(xué)性能影響進(jìn)行分析。

4.1.1 溫度對(duì)PTFE基摩擦材料機(jī)械性能的影響

圖9研究了溫度對(duì)PTFE基摩擦材料硬度、壓縮性能、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能(DMA)和晶型的影響。從圖9中可以看出，PTFE基摩擦材料的硬度、壓縮模量及屈服強(qiáng)度都隨著溫度的降低呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，主要是由于溫度降低，PTFE分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)受到限制，使得材料的硬度以及機(jī)械性能明顯增加。

圖9 溫度對(duì)PTFE基摩擦材料機(jī)械性能的影響Fig.9 Effect of temperature on mechanical properties of PTFE-based friction material

進(jìn)一步觀察得到，PTFE基摩擦材料的硬度在-60～120 ℃內(nèi)，由73.5下降到50，而壓縮模量由3.3 GPa下降到1.2 GPa。對(duì)照PTFE基摩擦材料DMA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摩擦材料的硬度以及機(jī)械性能隨溫度的變化趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)與DMA中損耗因子(tanδ)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)。在-60～120 ℃內(nèi)，PTFE分子鏈主要經(jīng)過(guò)了27.6 ℃和112.3 ℃的β和α松弛，而在此過(guò)程中PTFE晶型也由三斜晶系(-60～19 ℃)通過(guò)六方晶系(19～30 ℃)轉(zhuǎn)變?yōu)榧倭骄?30～120 ℃)。正因?yàn)镻TFE分子鏈的β松弛，PTFE基摩擦材料硬度、彈性模量和強(qiáng)度大幅降低。這說(shuō)明PTFE基摩擦材料的硬度以及壓縮性能隨溫度的變化主要取決于PTFE分子鏈隨溫度變化所處狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，特別是與PTFE分子鏈的β松弛、晶型轉(zhuǎn)變有著密切的關(guān)系。依據(jù)這種轉(zhuǎn)變，有望從分子層面上揭示機(jī)械性能以及摩擦磨損性能隨溫度變化的演變機(jī)理。

4.1.2 溫度對(duì)PTFE基摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響

圖10表示了大氣環(huán)境中PTFE基摩擦材料在1 MPa，180 r/min條件下，30～120 ℃內(nèi)的摩擦系數(shù)曲線變化。

圖10 PTFE基摩擦材料在不同溫度的摩擦系數(shù)曲線[17]Fig.10 Friction coefficients of PTFE-based friction material at different temperatures[17]

圖11表示了該條件下PTFE基摩擦材料的平均摩擦系數(shù)與磨損率的變化。由圖可知，PTFE基摩擦材料在1 MPa,180 r/min條件下，30～120 ℃時(shí)摩擦系數(shù)表現(xiàn)非常平穩(wěn)，在30～120 ℃內(nèi)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到0.996，變化系數(shù)達(dá)到0.989。摩擦系數(shù)穩(wěn)定性的提高一方面取決于摩擦材料優(yōu)異的熱機(jī)械性能以及抗變形能力，降低了材料的熱衰退性能；另一方面取決于納米二氧化硅的滾動(dòng)作用以及優(yōu)異轉(zhuǎn)移膜的形成。圖11(b)為PTFE基摩擦材料磨損率隨溫度的變化，磨損率隨著溫度的升高而增大，120 ℃時(shí)磨損率的增大較為明顯，但整體表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，始終保持非常低的磨損率。

圖11 PTFE基材料在不同溫度的平均摩擦系數(shù)和磨損率[17]Fig.11 Average friction coefficients and wear rates of PTFE-based friction material[17]

傳統(tǒng)的PTFE基摩擦材料雖然能夠滿足超聲電機(jī)的使用需求，但是轉(zhuǎn)換效率和輸出扭矩低的缺點(diǎn)仍制約其進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)超聲電機(jī)獨(dú)特的接觸模型，發(fā)現(xiàn)新型摩擦材料的研制應(yīng)從兩方面入手：一方面是機(jī)械性能的改進(jìn)，高的彈性模量；另一方面是摩擦性能的改進(jìn)，高的摩擦系數(shù)。超聲電機(jī)依靠定子與轉(zhuǎn)子接觸界面間的摩擦作用力進(jìn)行動(dòng)力傳遞，所以摩擦材料的彈性模量對(duì)超聲電機(jī)的輸出特性有很大的影響。根據(jù)定/轉(zhuǎn)子間的動(dòng)力傳遞形式可以得出，在一定預(yù)壓力作用下，摩擦材料層的法向變形量Δh可以寫(xiě)成：

Δh=FN·hm/Embm(2πre),

(2)

其中:Em為摩擦材料的彈性模量，F(xiàn)N為預(yù)壓力值，hm為摩擦材料層的厚度，bm為摩擦材料層的寬度，re為摩擦材料層的等效半徑。

當(dāng)彈性模量較小時(shí)，定/轉(zhuǎn)子的接觸區(qū)域很容易超過(guò)等速點(diǎn)，接觸區(qū)域會(huì)部分位于阻礙區(qū)間內(nèi)，這會(huì)削弱定子對(duì)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)作用。當(dāng)彈性模量較大時(shí)，摩擦材料的法向變形量減小，定/轉(zhuǎn)子的接觸區(qū)域會(huì)相應(yīng)減小且大部分位于驅(qū)動(dòng)區(qū)間內(nèi)。

摩擦系數(shù)與超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率息息相關(guān)。當(dāng)摩擦系數(shù)較高時(shí)，超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率相應(yīng)升高，兩者的關(guān)系如下:

(3)

T=μFNre，

(4)

Pout=Tω，

(5)

η=Pout/Pin，

(6)

其中：T表示超聲電機(jī)的輸出扭矩，ω表示超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，I為流過(guò)定子的兩組壓電陶瓷片的電流，V為輸入定子的兩組壓電陶瓷片的電壓，τ為輸入電壓的周期。

綜上可知，提高效率的兩個(gè)最重要的因素是高摩擦系數(shù)和彈性模量，因此，選擇PI作為新型摩擦材料的基體。PI基摩擦材料制備完成后，需要對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并與當(dāng)前超聲電機(jī)常用的PTFE基摩擦材料的特性進(jìn)行對(duì)比。表2列出了PI基和PTFE基摩擦材料的特性對(duì)比數(shù)據(jù)。PI基摩擦材料的彈性模量相對(duì)較大，從而提高電機(jī)的輸出性能。電機(jī)運(yùn)行時(shí)的摩擦界面會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致整機(jī)溫度升高，較高的玻璃化溫度也可以保證電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

表2PI和PTFE基材料的力學(xué)性能對(duì)比

Tab.2 Mechanical properties of PI and PTFE-based materials

性 能PI基PTFE基彈性模量/GPa9.31.1邵式硬度(SD)8564玻璃化轉(zhuǎn)變溫度/℃250137儲(chǔ)能模量/MPa3 4401 700

圖12和圖13給出了PI和PTFE摩擦材料摩擦系數(shù)和磨損率隨環(huán)境溫度的變化曲線(彩圖見(jiàn)期刊電子版)。試驗(yàn)真空度為10-5Pa，環(huán)境溫度為-120～20 ℃。從圖12可以看出，隨著溫度從-120 ℃升到0 ℃，PI的摩擦系數(shù)逐漸降低,但當(dāng)溫度繼續(xù)升高到室溫時(shí)，摩擦系數(shù)不再下降，反而升高，室溫時(shí)摩擦系數(shù)約為0.278。而PTFE在室溫下的摩擦系數(shù)比低溫時(shí)高，在0 ℃以下，摩擦系數(shù)在-75 ℃達(dá)到最大。PI和PTFE在室溫條件下的摩擦系數(shù)均高于低溫摩擦系數(shù)，但是由于低溫時(shí)聚合物材料很難轉(zhuǎn)移到對(duì)偶表面并在其表面形成完整的轉(zhuǎn)移膜，因此決定低溫摩擦系數(shù)的因素不再是轉(zhuǎn)移膜，而是聚合物和對(duì)偶的真實(shí)接觸面積。一方面，隨著溫度降低，聚合物硬度增加；另一方面，低溫下聚合物材料與對(duì)偶在一定載荷下接觸時(shí)，硬度的增大使材料變形減少，實(shí)際接觸面積減小，因此低溫的摩擦系數(shù)要比室溫低。

圖12 不同溫度下PI的摩擦系數(shù)和磨損率Fig.12 Friction coefficients and wear rate of PI at different temperatures in vacuum

圖13 不同溫度下PTFE的摩擦系數(shù)和磨損率Fig.13 Friction coefficient and wear rate of PTFE at different temperatures in vacuum

5 應(yīng)用新型材料的電機(jī)性能評(píng)估

采用研制的新型壓電材料與PI基和PTFE基摩擦材料(見(jiàn)圖14)組裝TRUM-60超聲電機(jī)，預(yù)壓力為240 N，對(duì)應(yīng)電機(jī)的起始轉(zhuǎn)速為160 r/min。圖15和圖16所示為不同材料組裝的超聲電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和能量轉(zhuǎn)化效率對(duì)比曲線,試驗(yàn)參數(shù)為240 N，41.6 kHz(PTFE)/41.45 kHz(PI)，初始轉(zhuǎn)數(shù)160 r/min。試驗(yàn)不同的激振頻率以保證試驗(yàn)時(shí)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速相近。

圖14 本文研制的新型壓電陶瓷片及摩擦材料Fig.14 Novel piezoelectric ceramic and friction material

圖15 不同材料電機(jī)的輸出特性對(duì)比Fig.15 Output characteristics of ultrasonic motor with different materials

圖16 兩種摩擦材料的輸入功率及效率對(duì)比Fig.16 Comparison of input power and efficiency between two friction materials

從圖15可以發(fā)現(xiàn)，新型高穩(wěn)定低損耗壓電材料較傳統(tǒng)壓電材料制備的超聲電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率提高了3.3%，從結(jié)果可以看出，低介電損耗高穩(wěn)定壓電材料有利于提高超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。從圖16中可以看出，PI基摩擦材料的能量轉(zhuǎn)換效率有了明顯地改善，相比于PTFE基摩擦材料，PI電機(jī)的最高效率提高了6.19%。其主要原因是由于材料摩擦系數(shù)的增大改善了電機(jī)的輸出力矩，彈性模量的增大提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，兩者綜合作用下使電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率有了明顯的提升。從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，使用PI為超聲電機(jī)的摩擦材料可以有效地改善其輸出性能，提高電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩，在降低輸入功率的同時(shí)提高了能量轉(zhuǎn)換效率，對(duì)比現(xiàn)有超聲電機(jī)的輸出性能均有明顯的提高，對(duì)于后續(xù)拓寬超聲電機(jī)的實(shí)際工程應(yīng)用范圍具有重要的意義。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)研究壓電材料及摩擦材料在特殊環(huán)境(高低溫、多場(chǎng)耦合和真空環(huán)境)的性能演變，研究了材料在特殊環(huán)境下的組成-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過(guò)相結(jié)構(gòu)調(diào)控、功能填料加入研制了針對(duì)航空航天應(yīng)用的高穩(wěn)定低功耗壓電新材料及新型聚酰亞胺摩擦材料。新型材料經(jīng)裝機(jī)實(shí)驗(yàn)后，超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率都有明顯提高。綜合兩種新型材料后，超聲電機(jī)的最大效率提升了13.6%，可靠工作溫度從-40～70 ℃提升至-60～120 ℃。