超声电机宽温域低损耗压电与摩擦功能材料

梁瑞虹，赵 盖，陈 宁，李 宋,卢晓蓉，陈政燃

(1.中国科学院 上海硅酸盐研究所，上海 201899;2.南京航空航天大学 航空学院，江苏 南京 210016;3.国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410073;4.中国科学院 兰州化学物理研究所，甘肃 兰州 730000)

1 引 言

作为超声电机的核心部件，压电器件和摩擦副对电机的运动转换和能量传递具有决定性的影响。近年来，空间环境下的高端装备对超声电机提出了更苛刻的作动需求[1]，能否制造出宽温域条件下性能优越，稳定可靠的压电器件和摩擦副，是提高超声电机环境适应性、驱动能力和驱动效率的重大技术挑战。根据超声电机的服役条件，压电陶瓷材料需要满足宽温区、高效率、低损耗，而摩擦材料需要实现高能量转化率、高稳定性、低磨损等要求。

针对空间环境，在压电陶瓷(PZT)器件低温下压电、介电性能的稳定性研究方面，美国国家航空航天局(NASA)和喷气推进实验室(JPL)等对超声电机用压电陶瓷器件进行了大量实验研究，发现基于软性PZT-5A与PZT-5H研制的压电陶瓷器件性能在低温-150 ℃时降低了50%[2]。美国宾州州立大学的Cross等对不同组分的PZT陶瓷的介电及压电性能的温度稳定性进行研究，结果表明材料的本征介电/压电响应几乎不随温度变化，而随着温度的降低，非本征响应对材料介电/压电性能的贡献减小，在15 K时只有室温的1/3[3]。北京航空航天大学通过Sn掺杂提高PMN-PZT压电陶瓷的低温稳定性(-55～25 ℃)[4]。从文献报道来看，国内对低温环境下压电陶瓷器件的研究相对缺乏。

摩擦材料是超声电机的核心部件之一，其性能的好坏制约超声电机的应用，影响电机的输出效率和服役寿命。到目前为止，公开报道的超声电机用摩擦副的增摩减磨研究都是集中在摩擦层材料的性能提高方面，研究主要包括旋转超声电机用有机高分子材料和直线超声电机用陶瓷基摩擦材料两大类[5-8]。

目前，日本Shinsei公司选用改性聚四氟乙烯(PTFE)摩擦材料，其行波超声电机的寿命可达5 000小时。在国内，曲建俊等学者研制出改性酚醛树脂和聚四氟乙烯基系列转子摩擦材料[9]，清华大学研制出超高分子量聚乙烯基摩擦材料[10]，南京航空航天大学研究了聚四氟乙烯和环氧树脂基等有机高分子摩擦材料[11-13]。结果表明：高/低温、高低温交变和真空环境对有机高分子材料的机械特性和摩擦学特性有显著影响。国内外对特殊环境下摩擦副的公开研究报道较少。常规条件下的摩擦磨损行为及其失效规律已不适用于摩擦副在高频微振动条件下的增摩减磨及失效机理。空天领域特殊的真空、高低温交变的复杂环境，对于超声电机用摩擦材料提出了新的要求。因此，阐明特殊环境和运动形式下摩擦副的增摩减磨及失效机理，揭示真空、高低温交变的复杂环境对其摩擦学性能及机械性能的影响机制，对研制适用于特殊环境的新型摩擦材料具有重要意义。

本文开展了特殊环境下压电器件和摩擦材料设计与制备研究，揭示特殊环境下压电器件的相结构、性能演变规律和疲劳失效行为，设计并制备了宽温区稳定服役和低功耗高效率新型压电器件；研究了温度对摩擦材料硬度、压缩性能、动态热机械性能和晶型的影响，测试了摩擦材料在不同温度下的摩擦系数与磨损率，形成了新型聚酰亚胺基摩擦材料的制备方案。基于新型压电和摩擦材料，完成新型压电器件的超声电机装机考核试验，提高了超声电机的能量转换效率，满足航空航天的应用要求。

2 超声电机功能材料的研制

2.1 压电陶瓷性能

以南京航空航天大学研制的TRUM-60型超声电机为例，由于它工作在B09模态，压电陶瓷分区如图1(a)所示。其中“+”“-”代表不同的极化形式，在交流电压激励下产生交变的伸缩变形，将电能转化为机械能，如图1(b)所示。

图1 行波旋转型超声电机压电陶瓷的工作机理Fig.1 Mechanism of traveling wave ultrasonic motor

压电陶瓷片在高频高压电场的激励下，其介电损耗Wp可表示为[13]：

(1)

其中：fs为驱动信号频率，εp为压电陶瓷的介电常数，Um为驱动信号幅值，hp为压电陶瓷片厚度，tan δ为介电损耗系数。

为了尽可能降低压电损耗，压电陶瓷有较小的介质损耗tanδ和较大的机械品质因数Qm，同时为了保证输出足够的驱动力，需要保持一定的压电系数d33和机电耦合系数kp。

2.2 超声电机用摩擦材料

超声电机聚酰亚胺基和聚四氟乙烯基摩擦材料的设计与制备参见前期研究成果[14-15]。超声电机摩擦材料粘贴在转子表面上，直接接触定子表面参与摩擦力传递过程[16]。若将行波型超声电机沿圆周方向展开，可以观察到摩擦材料的磨损是由波峰随时间推进渐次剥落出来的。定子波峰接触并犁削摩擦材料，会使摩擦材料在波峰前端产生变形堆积，随着超声电机的运行，摩擦材料被一层一层的磨损，而堆积的磨屑会形成磨粒对摩擦材料产生磨损。

超声电机用摩擦材料应该满足以下基本条件：(1)适合的静摩擦系数(0.15～0.3)，动、静摩擦系数相近，低速无蠕动、爬行现象；(2)较好的耐磨特性，摩擦副的磨损都小；(3)摩擦噪声低(<45 dB)；(4) 适当的硬度和摩擦副表面硬度的良好匹配以及(常、高、低温条件下)稳定的物理和化学特性；(5)良好的耐振动和耐冲击特性，耐低温和耐高温特性。

3 高稳定低损耗压电器件

3.1 温度对压电陶瓷材料的结构及性能影响

采用原位X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)及透射电镜(Transmission Electron Microscope,TEM)表征手段分析不同温场下压电材料的结构演变。从图2的XRD结果可以看出，随温度降低，在45°衍射峰附近的(200)R衍射峰强度明显增强。图3沿[111]晶带轴的TEM衍射图案可以看出，随温度降低，(110)晶面的面间距逐渐增加，且与(011)晶面的面间接近。XRD及TEM的测试结果均表明，随着温度的降低，PZT陶瓷相结构中三方相含量相对于四方相含量逐步增加。

图2 不同温度下MPB附近的PZT XRD图Fig.2 XRD image of PZT near MPB with different temperatures

图3 不同温度PZT的TEM图Fig.3 TEM image of PZT at different temperatures

从图4可以看出随着温度的降低，PZT陶瓷的铁电畴的畴密度不断增加，也解释了PZT陶瓷矫顽场随着温度降低而增大的现象(图5)。

图4 不同温度PZT的电畴形貌Fig.4 Domain morphologies of PZT with different temperatures

图5 不同温度下PZT陶瓷电滞回线Fig.5 P-E curves of PZT at different temperatures

基于以上结构分析，高稳定压电陶瓷的需要将组分设计在非MPB附近或将MPB调整为垂直相界，减少因相变产生的性能变化。

3.2 温场-电场共同作用下的疲劳特性

超声电机是在温场-电场下共同加载下工作的，因此极有必要研究温场-电场共同加载下PZT压电陶瓷的疲劳特性。模拟实际超声电机工作环境，频率为50 kHz，当施加交流电场幅度为1.5 kV/mm时，研究室温、低温和高温下压电陶瓷的性能演变。

从图6(a)～6(c)可以看出，在高于矫顽场下工作(1.5 kV/mm)时，低温下压电陶瓷的抗疲劳特性显著增强。这是由于温度降低，铁电畴活性降低,一定电场下，铁电畴反转的比例要低于室温和高温环境，材料的稳定性和抗电致疲劳特性得以提高。为了研究电场幅度对材料抗疲劳特性的影响，将电场幅度降低至矫顽场以下(1 kV/mm)，研究不同温度下PZT压电陶瓷的疲劳特性。从图 6(d)～6(f)可以看出，当电场幅度低于矫顽场下工作时，压电陶瓷的抗疲劳特性显著增强，电场幅度对压电陶瓷疲劳特性的影响显著。因此，降低施加在超声电机的交流电场幅度可显著提高超声电机的稳定性。

图6 不同温度和不同电场疲劳条件下PZT压电陶瓷疲劳前后的电滞回线演变

图7 PZT电滞回线

3.3 高稳定低损耗新型压电材料的设计与性能

新型压电陶瓷的组成设计上主要基于三个方法，一是通过调控Zr/Ti比形成非准同型相界；二是加入第三组元提高压电性，增大压电系数，同时保证低温稳定性；三是添加偶极子缺陷MnO2钉扎畴壁，增大畴壁激活能，提高稳定性、矫顽场和机械品质因数。

表1是传统超声电机压电材料与本文研制的低损耗材料电学性能的对比，图7是它们的电滞回线。图8是本文研制的压电材料的机电耦合系数kp随温度的变化曲线。从测试结果可以看出，新研制的压电材料具有低介电损耗、高机械品质因素及高温度稳定性。

表1 压电材料电学性能对比

图8 不同温度压电材料的kp变化曲线Fig.8 kp dependence of PZT on temperature

4 高性能摩擦材料

4.1 温度对摩擦材料的性能影响

通过实验，主要从探索温度对摩擦材料的机械性能以及摩擦学性能影响进行分析。

4.1.1 温度对PTFE基摩擦材料机械性能的影响

图9研究了温度对PTFE基摩擦材料硬度、压缩性能、动态热机械性能(DMA)和晶型的影响。从图9中可以看出，PTFE基摩擦材料的硬度、压缩模量及屈服强度都随着温度的降低呈现增大的趋势，主要是由于温度降低，PTFE分子链的热运动受到限制，使得材料的硬度以及机械性能明显增加。

图9 温度对PTFE基摩擦材料机械性能的影响Fig.9 Effect of temperature on mechanical properties of PTFE-based friction material

进一步观察得到，PTFE基摩擦材料的硬度在-60～120 ℃内，由73.5下降到50，而压缩模量由3.3 GPa下降到1.2 GPa。对照PTFE基摩擦材料DMA，结果发现，摩擦材料的硬度以及机械性能随温度的变化趋势的转变点与DMA中损耗因子(tanδ)的转变点相互对应。在-60～120 ℃内，PTFE分子链主要经过了27.6 ℃和112.3 ℃的β和α松弛，而在此过程中PTFE晶型也由三斜晶系(-60～19 ℃)通过六方晶系(19～30 ℃)转变为假六方晶系(30～120 ℃)。正因为PTFE分子链的β松弛，PTFE基摩擦材料硬度、弹性模量和强度大幅降低。这说明PTFE基摩擦材料的硬度以及压缩性能随温度的变化主要取决于PTFE分子链随温度变化所处状态的转变，特别是与PTFE分子链的β松弛、晶型转变有着密切的关系。依据这种转变，有望从分子层面上揭示机械性能以及摩擦磨损性能随温度变化的演变机理。

4.1.2 温度对PTFE基摩擦材料摩擦学性能的影响

图10表示了大气环境中PTFE基摩擦材料在1 MPa，180 r/min条件下，30～120 ℃内的摩擦系数曲线变化。

图10 PTFE基摩擦材料在不同温度的摩擦系数曲线[17]Fig.10 Friction coefficients of PTFE-based friction material at different temperatures[17]

图11表示了该条件下PTFE基摩擦材料的平均摩擦系数与磨损率的变化。由图可知，PTFE基摩擦材料在1 MPa,180 r/min条件下，30～120 ℃时摩擦系数表现非常平稳，在30～120 ℃内摩擦系数的稳定系数达到0.996，变化系数达到0.989。摩擦系数稳定性的提高一方面取决于摩擦材料优异的热机械性能以及抗变形能力，降低了材料的热衰退性能；另一方面取决于纳米二氧化硅的滚动作用以及优异转移膜的形成。图11(b)为PTFE基摩擦材料磨损率随温度的变化，磨损率随着温度的升高而增大，120 ℃时磨损率的增大较为明显，但整体表现出优异的耐磨性能，始终保持非常低的磨损率。

图11 PTFE基材料在不同温度的平均摩擦系数和磨损率[17]Fig.11 Average friction coefficients and wear rates of PTFE-based friction material[17]

传统的PTFE基摩擦材料虽然能够满足超声电机的使用需求，但是转换效率和输出扭矩低的缺点仍制约其进一步发展。根据超声电机独特的接触模型，发现新型摩擦材料的研制应从两方面入手：一方面是机械性能的改进，高的弹性模量；另一方面是摩擦性能的改进，高的摩擦系数。超声电机依靠定子与转子接触界面间的摩擦作用力进行动力传递，所以摩擦材料的弹性模量对超声电机的输出特性有很大的影响。根据定/转子间的动力传递形式可以得出，在一定预压力作用下，摩擦材料层的法向变形量Δh可以写成：

Δh=FN·hm/Embm(2πre),

(2)

其中:Em为摩擦材料的弹性模量，FN为预压力值，hm为摩擦材料层的厚度，bm为摩擦材料层的宽度，re为摩擦材料层的等效半径。

当弹性模量较小时，定/转子的接触区域很容易超过等速点，接触区域会部分位于阻碍区间内，这会削弱定子对转子的驱动作用。当弹性模量较大时，摩擦材料的法向变形量减小，定/转子的接触区域会相应减小且大部分位于驱动区间内。

摩擦系数与超声电机的转换效率息息相关。当摩擦系数较高时，超声电机的转换效率相应升高，两者的关系如下:

(3)

T=μFNre，

(4)

Pout=Tω，

(5)

η=Pout/Pin，

(6)

其中：T表示超声电机的输出扭矩，ω表示超声电机转子的转动角速度，I为流过定子的两组压电陶瓷片的电流，V为输入定子的两组压电陶瓷片的电压，τ为输入电压的周期。

综上可知，提高效率的两个最重要的因素是高摩擦系数和弹性模量，因此，选择PI作为新型摩擦材料的基体。PI基摩擦材料制备完成后，需要对其力学性能进行实验测试，并与当前超声电机常用的PTFE基摩擦材料的特性进行对比。表2列出了PI基和PTFE基摩擦材料的特性对比数据。PI基摩擦材料的弹性模量相对较大，从而提高电机的输出性能。电机运行时的摩擦界面会产生大量热量，导致整机温度升高，较高的玻璃化温度也可以保证电机的运行稳定性。

表2PI和PTFE基材料的力学性能对比

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

性 能PI基PTFE基弹性模量/GPa9.31.1邵式硬度(SD)8564玻璃化转变温度/℃250137储能模量/MPa3 4401 700

图12和图13给出了PI和PTFE摩擦材料摩擦系数和磨损率随环境温度的变化曲线(彩图见期刊电子版)。试验真空度为10-5Pa，环境温度为-120～20 ℃。从图12可以看出，随着温度从-120 ℃升到0 ℃，PI的摩擦系数逐渐降低,但当温度继续升高到室温时，摩擦系数不再下降，反而升高，室温时摩擦系数约为0.278。而PTFE在室温下的摩擦系数比低温时高，在0 ℃以下，摩擦系数在-75 ℃达到最大。PI和PTFE在室温条件下的摩擦系数均高于低温摩擦系数，但是由于低温时聚合物材料很难转移到对偶表面并在其表面形成完整的转移膜，因此决定低温摩擦系数的因素不再是转移膜，而是聚合物和对偶的真实接触面积。一方面，随着温度降低，聚合物硬度增加；另一方面，低温下聚合物材料与对偶在一定载荷下接触时，硬度的增大使材料变形减少，实际接触面积减小，因此低温的摩擦系数要比室温低。

图12 不同温度下PI的摩擦系数和磨损率Fig.12 Friction coefficients and wear rate of PI at different temperatures in vacuum

图13 不同温度下PTFE的摩擦系数和磨损率Fig.13 Friction coefficient and wear rate of PTFE at different temperatures in vacuum

5 应用新型材料的电机性能评估

采用研制的新型压电材料与PI基和PTFE基摩擦材料(见图14)组装TRUM-60超声电机，预压力为240 N，对应电机的起始转速为160 r/min。图15和图16所示为不同材料组装的超声电机的输出转速和能量转化效率对比曲线,试验参数为240 N，41.6 kHz(PTFE)/41.45 kHz(PI)，初始转数160 r/min。试验不同的激振频率以保证试验时电机的初始转速相近。

图14 本文研制的新型压电陶瓷片及摩擦材料Fig.14 Novel piezoelectric ceramic and friction material

图15 不同材料电机的输出特性对比Fig.15 Output characteristics of ultrasonic motor with different materials

图16 两种摩擦材料的输入功率及效率对比Fig.16 Comparison of input power and efficiency between two friction materials

从图15可以发现，新型高稳定低损耗压电材料较传统压电材料制备的超声电机能量转换效率提高了3.3%，从结果可以看出，低介电损耗高稳定压电材料有利于提高超声电机的能量转换效率。从图16中可以看出，PI基摩擦材料的能量转换效率有了明显地改善，相比于PTFE基摩擦材料，PI电机的最高效率提高了6.19%。其主要原因是由于材料摩擦系数的增大改善了电机的输出力矩，弹性模量的增大提高了电机的输出转速，两者综合作用下使电机能量转换效率有了明显的提升。从以上数据分析可以看出，使用PI为超声电机的摩擦材料可以有效地改善其输出性能，提高电机的堵转力矩，在降低输入功率的同时提高了能量转换效率，对比现有超声电机的输出性能均有明显的提高，对于后续拓宽超声电机的实际工程应用范围具有重要的意义。

6 结 论

本文通过研究压电材料及摩擦材料在特殊环境(高低温、多场耦合和真空环境)的性能演变，研究了材料在特殊环境下的组成-结构-性能关系，在此基础上通过相结构调控、功能填料加入研制了针对航空航天应用的高稳定低功耗压电新材料及新型聚酰亚胺摩擦材料。新型材料经装机实验后，超声电机的转换效率都有明显提高。综合两种新型材料后，超声电机的最大效率提升了13.6%，可靠工作温度从-40～70 ℃提升至-60～120 ℃。