CN108359198B - 一种压电电机用的摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电电机用的摩擦材料及其制备方法和应用，摩擦材料的原料包括聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯酯、碳纤维和玻璃纤维，聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯酯、碳纤维和玻璃纤维的投料质量比为4‑11︰0.5‑3︰1︰0.5‑4︰0.5‑3；制备方法：（1）按配方量将原料混合，将混合后的混合料烘干，粉碎；（2）将步骤（1）处理后的混合料冷压成型，脱模，得摩擦材料预制品；（3）将预制品烧结成型，即得摩擦材料；应用：前述压电电机用的摩擦材料在压电电机中的应用；本发明的摩擦材料能够在摩擦系数、硬度等方面均取得较为优异的效果，在改善摩擦材料易陷齿、启动困难的同时提升摩擦材料的堵转力矩。

Description

一种压电电机用的摩擦材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及压电电机用的材料，具体涉及一种压电电机用的摩擦材料及其制备方法和应用。

背景技术

压电电机是20世纪80年代发展起来的一种新型微特电机，具有结构紧凑、低速大力矩、无电磁干扰、控制精度高等优点，因此在精密控制领域具有巨大优势。压电电机主要由定子、压电陶瓷、转子、摩擦材料等组成，利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声振动，并通过定、转子间的摩擦作用产生驱动力，因此摩擦材料是压电电机的核心部件，其性能的优劣直接决定了电机的输出性能。

随着压电电机技术的不断发展，对转子摩擦材料的性能要求不断提高，现有发明的摩擦材料性能各异，基本满足了压电电机对摩擦材料的要求，但仍存在部分缺陷：1、堵转力矩偏低导致带载能力偏弱；2、硬度不够高，导致长时间存放摩擦材料易陷齿，启动困难。

目前聚四氟乙烯具有众多优异的性能，有着塑料之王的美称，其低摩擦系数、较高的弹性模量、较高的强度、优异的热稳定性、优异的化学稳定性、优良的自润滑性能等一系列优点非常适合用于设计摩擦材料，但它也具有不耐磨、易蠕变的固有缺陷，针对上述缺陷，目前，现有技术中已作了相应改进，例如中国发明专利CN03132555.6公开了一种聚四氟乙烯基超声马达的摩擦材料、中国发明专利200410043602公开了聚苯酯塑料合金超声马达的摩擦材料、中国发明专利200610040708公开了超声电机热固性树脂基摩擦材料及摩层制作法和辅助工具。上述公开的摩擦材料也普遍存在这堵转力矩不够大，且电机存在着长时间放置后卡齿的隐患，导致电机启动困难的问题。

又如中国发明专利CN101775186A公开了一种聚四氟乙烯复合材料，组分包括二硫化钼、三氧化二铝、铜粉、石墨、二氧化硅或不锈钢粉中的一种或几种，以及聚四氟乙烯；该聚四氟乙烯复合材料是二元聚四氟乙烯复合材料，其中聚四氟乙烯的重量百分比为80～99.9％，余量是其它成分。此专利虽然在一定程度上实现了较好的硬度，但仍然难以满足日渐高的标准，同时其也难以对压电电机的堵转扭矩实现较好的提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的压电电机用的摩擦材料，其能够在摩擦系数、硬度等方面均取得较为优异的效果，在改善摩擦材料易陷齿、启动困难的同时提升摩擦材料的堵转力矩。

本发明还提供了压电电机用的摩擦材料的制备方法。

本发明还提供了压电电机用的摩擦材料在压电电机中的应用。

为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：

一种压电电机用的摩擦材料，所述摩擦材料的原料包括聚四氟乙烯，所述原料还包括聚醚醚酮、聚苯酯、碳纤维和玻璃纤维，所述聚四氟乙烯、所述聚醚醚酮、所述聚苯酯、所述碳纤维和所述玻璃纤维的投料质量比为4-11︰0.5-3︰1︰0.5-4︰0.5-3。

根据本发明的一些优选方面，所述聚四氟乙烯、所述聚醚醚酮、所述聚苯酯、所述碳纤维和所述玻璃纤维的投料质量比为5.5-11︰0.5-3︰1︰0.5-4︰1-2。

根据本发明的一些优选方面，所述原料还包括占所述原料的质量分数为5-8%的三氧化二铝。

根据本发明的一些优选方面，所述原料还包括占所述原料的质量分数为5-10%的二硫化钼。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述聚醚醚酮的粒径为10-15微米。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述聚苯酯的粒径为18-22微米。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述聚四氟乙烯的粒径为20-30微米。

根据本发明的一些具体且优选的方面，所述碳纤维的粒径为5-10微米，长度为40-60微米；所述玻璃纤维的粒径为35-40微米；所述三氧化二铝的粒径为28-33纳米；所述二硫化钼的粒径为5-8微米。

本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的压电电机用的摩擦材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

（1）按配方量将所述原料混合，将混合后的混合料烘干，粉碎；

（2）将步骤（1）处理后的混合料在压力为38-43MPa下冷压成型，脱模，得摩擦材料预制品；

（3）将所述预制品在330-350℃下烧结成型，即得所述摩擦材料。

根据本发明的一些优选方面，步骤（2）中，混合料在压力为39-42MPa下冷压成型。根据本发明的一个具体方面，步骤（2）中，混合料在压力为40MPa下冷压成型。

根据本发明的一些优选方面，步骤（3）中，所述预制品在335-345℃下烧结成型。根据本发明的一个具体方面，步骤（3）中，所述预制品在340℃下烧结成型。

本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的压电电机用的摩擦材料在压电电机中的应用。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明通过在聚四氟乙烯的基础上将聚醚醚酮、聚苯酯、碳纤维和玻璃纤维搭配使用，充分利用各组分间的协同作用，使得本发明能够实现摩擦材料在摩擦系数、硬度等方面均取得较为优异的效果，克服了现有技术中只能提升部分性能、难以对摩擦材料的各方面整体性能实现提升，进而本发明能够在改善摩擦材料易陷齿、启动困难的同时提升摩擦材料的堵转力矩，实现了压电电机带载能力的极大提升。

具体实施方式

本发明基于现有技术中的不足，提供了一种压电电机用的摩擦材料，所述摩擦材料的原料包括聚四氟乙烯，所述原料还包括聚醚醚酮、聚苯酯、碳纤维和玻璃纤维，所述聚四氟乙烯、所述聚醚醚酮、所述聚苯酯、所述碳纤维和所述玻璃纤维的投料质量比为4-11︰0.5-3︰1︰0.5-4︰0.5-3。本申请的发明人发现，在实际的应用过程中，虽然按照现有技术中制作的摩擦材料能够在一定程度上改善材料的硬度以及耐摩擦等性能，但是效果却不是很理想，难以适应越来越高的要求，尤其是对于摩擦材料综合性能要求较高的堵转力矩，如若仅仅是摩擦材料某一些方面（例如硬度、耐磨性等）的性能得以提升，但是其他性能（弹性模量、摩擦系数、抗疲劳强度等）不能得到较好的改善，则摩擦材料的堵转力矩仍然无法得以提高。

因此，本申请的发明人在聚四氟乙烯材料（其具有优异的热稳定性和化学稳定，以及良好的自润滑性的等优点）的基础上，创新的提出将聚醚醚酮、聚苯酯、碳纤维和玻璃纤维结合应用，使得协同作用后得到的摩擦材料在硬度、摩擦系数、弹性模量、稳定性、抗疲劳强度、抗蠕变性能、刚度、耐磨性等方面均取得了较为优异的效果，进而使得本发明的摩擦材料具有了较为优异的综合性能，大大地提升了摩擦材料的堵转力矩，极好地实现了压电电机带载能力的极大提升。

优选地，本发明的摩擦材料的原料中还包括三氧化二铝和二硫化钼。

所述压电电机用的摩擦材料的具体制备方法可以包括如下步骤：

（1）按配方量将所述原料混合，将混合后的混合料烘干，粉碎；优选使用湿法混合法，即使用无水乙醇将各原料相混合；

（2）将步骤（1）处理后的混合料倒入模具中在压力为38-43MPa下冷压成型，脱模，得摩擦材料预制品；

（3）将所述预制品在330-350℃下的高温烧结炉中烧结成型，即得所述摩擦材料。

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明；应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制；实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

下述中，如无特殊说明，所有的原料均来自于商购或者通过本领域的常规方法制备而得，实施例中，聚四氟乙烯的粒径为20-30微米，购自于山东东岳化工有限公司；聚醚醚酮的粒径为10-15微米，购自于英国威格斯公司；聚苯酯的粒径为18-22微米，购自于南京郑智科技有限公司；碳纤维的粒径为5-10微米，长度为40-60微米；玻璃纤维的粒径为35-40微米；三氧化二铝的粒径为28-33纳米；二硫化钼的粒径为5-8微米。

实施例1

本实施例提供一种压电电机用的摩擦材料，以重量百分含量计，所述摩擦材料的原料包括：聚四氟乙烯40wt%，聚醚醚酮15wt%，聚苯酯5wt%，碳纤维20wt%，玻璃纤维5wt%，三氧化二铝5wt%，二硫化钼10wt%；

具体制备步骤为：

a) 按配方量称取各原料，加入适量无水乙醇，用行星式球磨机高速混合使各组分混合均匀；

b) 将步骤a）中的混合料在100℃下烘干处理4h，并粉碎，用200目筛网过筛；

c) 将经步骤b）处理后的混合料倒入模具中进行冷压成型，成型压力为40Mpa，保压15min后脱模，得到摩擦材料预制品；

d) 将所述摩擦材料预制品放入高温烧结炉中进行烧结，在340℃温度下烧结5~7h，即得所述压电电机用的摩擦材料；

将步骤d）中所制得的摩擦材料进行加工切片，粘贴在转子表面，并进行车削打磨处理后与磷青铜定子匹配调试，测得各项性能如下：

本实例制得的摩擦材料摩擦系数为0.28，邵氏硬度为77HD，空载转速为335rpm，堵转扭矩为0.36N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

实施例2

本实施例提供一种压电电机用的摩擦材料，以重量百分含量计，所述摩擦材料的原料包括：聚四氟乙烯45wt%，聚醚醚酮10wt%，聚苯酯5wt%，碳纤维15wt%，玻璃纤维10wt%，三氧化二铝5wt%，二硫化钼10wt%；

具体制备步骤为：

a) 按配方量称取各原料，加入适量无水乙醇，用行星式球磨机高速混合使各组分混合均匀；

b) 将步骤a）中的混合料在100℃下烘干处理4h，并粉碎，用200目筛网过筛；

c) 将经步骤b）处理后的混合料倒入模具中进行冷压成型，成型压力为40Mpa，保压15min后脱模，得到摩擦材料预制品；

d) 将所述摩擦材料预制品放入高温烧结炉中进行烧结，在340℃温度下烧结5~7h，即得所述压电电机用的摩擦材料；

将步骤d）中所制得的摩擦材料进行加工切片，粘贴在转子表面，并进行车削打磨处理后与磷青铜定子匹配调试，测得各项性能如下：

本实例制得的摩擦材料摩擦系数为0.26，邵氏硬度为76HD，空载转速为340rpm，堵转扭矩为0.38N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

实施例3

本实施例提供一种压电电机用的摩擦材料，以重量百分含量计，所述摩擦材料的原料包括：聚四氟乙烯50wt%，聚醚醚酮10wt%，聚苯酯5wt%，碳纤维10wt%，玻璃纤维10wt%，三氧化二铝8wt%，二硫化钼7wt%；

具体制备步骤为：

a) 按配方量称取各原料，加入适量无水乙醇，用行星式球磨机高速混合使各组分混合均匀；

b) 将步骤a）中的混合料在100℃下烘干处理4h，并粉碎，用200目筛网过筛；

c) 将经步骤b）处理后的混合料倒入模具中进行冷压成型，成型压力为40Mpa，保压15min后脱模，得到摩擦材料预制品；

d) 将所述摩擦材料预制品放入高温烧结炉中进行烧结，在340℃温度下烧结5~7h，即得所述压电电机用的摩擦材料；

将步骤d）中所制得的摩擦材料进行加工切片，粘贴在转子表面，并进行车削打磨处理后与磷青铜定子匹配调试，测得各项性能如下：

本实例制得的摩擦材料摩擦系数为0.25，邵氏硬度为76.5HD，空载转速为335rpm，堵转扭矩为0.35N·m，略小于压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

实施例4

本实施例提供一种压电电机用的摩擦材料，以重量百分含量计，所述摩擦材料的原料包括：聚四氟乙烯55wt%，聚醚醚酮5wt%，聚苯酯10wt%，碳纤维5wt%，玻璃纤维15wt%，三氧化二铝5wt%，二硫化钼5wt%；

具体制备步骤为：

a) 按配方量称取各原料，加入适量无水乙醇，用行星式球磨机高速混合使各组分混合均匀；

b) 将步骤a）中的混合料在100℃下烘干处理4h，并粉碎，用200目筛网过筛；

c) 将经步骤b）处理后的混合料倒入模具中进行冷压成型，成型压力为40Mpa，保压15min后脱模，得到摩擦材料预制品；

d) 将所述摩擦材料预制品放入高温烧结炉中进行烧结，在340℃温度下烧结5~7h，即得所述压电电机用的摩擦材料；

将步骤d）中所制得的摩擦材料进行加工切片，粘贴在转子表面，并进行车削打磨处理后与磷青铜定子匹配调试，测得各项性能如下：

本实例制得的摩擦材料摩擦系数为0.25，邵氏硬度为74HD，空载转速为340rpm，堵转扭矩为0.34N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

实施例5

本实施例提供一种压电电机用的摩擦材料，以重量百分含量计，所述摩擦材料的原料包括：聚四氟乙烯55wt%，聚醚醚酮5wt%，聚苯酯5wt%，碳纤维15wt%，玻璃纤维10wt%，三氧化二铝5wt%，二硫化钼5wt%；

具体制备步骤为：

a) 按配方量称取各原料，加入适量无水乙醇，用行星式球磨机高速混合使各组分混合均匀；

b) 将步骤a）中的混合料在100℃下烘干处理4h，并粉碎，用200目筛网过筛；

c) 将经步骤b）处理后的混合料倒入模具中进行冷压成型，成型压力为40Mpa，保压15min后脱模，得到摩擦材料预制品；

d) 将所述摩擦材料预制品放入高温烧结炉中进行烧结，在340℃温度下烧结5~7h，即得所述压电电机用的摩擦材料；

将步骤d）中所制得的摩擦材料进行加工切片，粘贴在转子表面，并进行车削打磨处理后与磷青铜定子匹配调试，测得各项性能如下：

本实例制得的摩擦材料摩擦系数为0.23，邵氏硬度为75HD，空载转速为330rpm，堵转扭矩为0.35N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

对比例1

基本同实施例1，其区别仅在于原料中不加聚醚醚酮；测得制得的摩擦材料的摩擦系数为0.20，邵氏硬度为58HD，空载转速为320rpm，堵转扭矩为0.26N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

对比例2

基本同实施例1，其区别仅在于原料中不加聚苯酯；测得制得的摩擦材料的摩擦系数为0.21，邵氏硬度为62HD，空载转速为290rpm，堵转扭矩为0.24N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

对比例3

基本同实施例1，其区别仅在于原料中不加碳纤维；测得制得的摩擦材料的摩擦系数为0.22，邵氏硬度为65HD，空载转速为310rpm，堵转扭矩为0.27N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

对比例4

基本同实施例1，其区别仅在于原料中不加玻璃纤维；测得制得的摩擦材料的摩擦系数为0.19，邵氏硬度为66HD，空载转速为315rpm，堵转扭矩为0.25N·m，压电电机的自锁扭矩为0.38N·m。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压电电机用的摩擦材料，所述摩擦材料的原料包括聚四氟乙烯，其特征在于，所述原料还包括聚醚醚酮、聚苯酯、碳纤维和玻璃纤维，所述聚四氟乙烯、所述聚醚醚酮、所述聚苯酯、所述碳纤维和所述玻璃纤维的投料质量比为4-11︰0.5-3︰1︰0.5-4︰0.5-3；

以质量百分含量计，所述原料还包括占所述原料的质量分数为5-8%的三氧化二铝、占所述原料的质量分数为5-10%的二硫化钼。

2.根据权利要求1所述的压电电机用的摩擦材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯、所述聚醚醚酮、所述聚苯酯、所述碳纤维和所述玻璃纤维的投料质量比为5.5-11︰0.5-3︰1︰0.5-4︰1-2。

3.根据权利要求1所述的压电电机用的摩擦材料，其特征在于，所述聚醚醚酮的粒径为10-15微米。

4.根据权利要求1所述的压电电机用的摩擦材料，其特征在于，所述聚苯酯的粒径为18-22微米。

5.根据权利要求1所述的压电电机用的摩擦材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯的粒径为20-30微米。

6.根据权利要求1所述的压电电机用的摩擦材料，其特征在于，所述碳纤维的粒径为5-10微米，长度为40-60微米；所述玻璃纤维的粒径为35-40微米；所述三氧化二铝的粒径为28-33纳米；所述二硫化钼的粒径为5-8微米。

7.一种权利要求1-6中任一项权利要求所述的压电电机用的摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

（1）按配方量将所述原料混合，将混合后的混合料烘干，粉碎；

（2）将步骤（1）处理后的混合料在压力为38-43MPa下冷压成型，脱模，得摩擦材料预制品；

（3）将所述预制品在330-350℃下烧结成型，即得所述摩擦材料。

8.一种权利要求1-6中任一项权利要求所述的压电电机用的摩擦材料在压电电机中的应用。