CN111327226B - 一种提高超声电机能量转换效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声电机技术领域，具体涉及一种提高超声电机能量转换效率的方法。本发明提供了一种提高超声电机能量转换效率的方法，包括以下步骤：将超声电机用摩擦材料置于紫外光源下，进行辐照改性。本发明通过紫外光照射超声电机用摩擦材料表面，能够将摩擦材料中的氧分子转变为活性的臭氧分子，同时紫外光能激发摩擦材料表面的有机分子，使其更容易被臭氧分子分解为二氧化碳和水；而且由于臭氧的强氧化性能够在摩擦材料的表面引入含氧的亲水基团，使摩擦材料表面的粗糙度增加，这样在超声电机运动过程中，能够增加接触界面切向摩擦力，极大地提高超声电机的能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机技术领域，具体涉及一种提高超声电机能量转换效率的方法。
背景技术
超声电机是一种新型精密驱动微特电机，优点是精度高、重量轻、响应速度快、电磁兼容性好等。超声电机在目前越来越受到重视，在航空航天、高端武器装备、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。但是转换效率低是超声电机发展面临的重大难题，成为超声电机发展的瓶颈。
常规的方法是通过在原摩擦材料的基础上添加功能填料调控摩擦系数以提高转换效率，例如添加碳纤维、碳酸钙、氧化铝，氧化铜、石墨和铜粉等。但是这些功能填料价格昂贵，无形中增大了材料的成本；另外，有些功能填料会对环境会造成污染，例如铜粉等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高超声电机能量转换效率的方法，本发明通过紫外辐照改性摩擦材料，提高摩擦材料表面的粗糙度，进而提高了超声电机的能量转换效率，本发明提供的方法简便易操作，生产成本低，而且不会对环境造成污染。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种提高超声电机能量转换效率的方法，包括以下步骤：将超声电机用摩擦材料置于紫外光源下，进行辐照改性。
优选地，所述紫外光源的主波长为180～250nm；所述紫外光源的功率为6～10W。
优选地，所述紫外光源距离所述超声电机用摩擦材料表面的距离为4～8cm；所述辐照改性的时间为2～8h。
优选地，所述超声电机用摩擦材料包括聚四氟乙烯基复合材料、聚氨酯基复合材料或聚酰亚胺基复合材料。
优选地，按重量份数计，所述聚酰亚胺基复合材料包括以下重量份数的制备原料：聚酰亚胺60～80份，碳量子点1～5份，稻壳炭10～30份，纳米碳化钛1～5份，纳米碳化铌1～5份。
优选地，所述聚酰亚胺的粒径为25～35μm；所述碳量子点的粒径为3～5nm；所述稻壳炭的粒径为60～80目；所述纳米碳化钛的厚度为80～100nm；所述纳米碳化铌的厚度为50～150nm。
优选地，所述聚酰亚胺基复合材料的制备方法包括以下步骤：
将聚酰亚胺、碳量子点、稻壳炭、纳米碳化钛和纳米碳化铌混合，进行模压，得到聚酰亚胺基复合材料。
优选地，所述模压的压力为10～20MPa；所述模压的温度为350～380℃；所述模压的时间为150～200min。
本发明提供了一种提高超声电机能量转换效率的方法，包括以下步骤：将超声电机用摩擦材料置于紫外光源下，进行辐照改性。本发明通过紫外光照射超声电机用摩擦材料表面，能够将摩擦材料中的氧分子转变为活性的臭氧分子，同时紫外光能激发摩擦材料表面的有机分子，使其更容易被臭氧分子分解为二氧化碳和水，提高摩擦材料表面的粗糙度；而且由于臭氧的强氧化性能够在摩擦材料的表面引入含氧的亲水基团，使摩擦材料表面的粗糙度进一步增加，这样在超声电机运动过程中，能够增加接触界面切向摩擦力，极大地提高超声电机的能量转换效率。实施例结果表明，采用本发明提供的方法能够使超声电机转换效率提高7～23％。
具体实施方式
本发明提供了一种提高超声电机能量转换效率的方法，包括以下步骤：将超声电机用摩擦材料置于紫外光源下，进行辐照改性。
在本发明中，若没有特殊说明，所采用的原料均为本领域技术人员所熟知的市售商品。
在本发明中，所述超声电机用摩擦材料优选包括聚四氟乙烯基复合材料、聚氨酯基复合材料或聚酰亚胺基复合材料，更优选为聚酰亚胺基复合材料。
在本发明中，按重量份数计，所述聚酰亚胺基复合材料优选包括以下重量份数的制备原料：聚酰亚胺60～80份，碳量子点1～5份，稻壳炭10～30份，纳米碳化钛1～5份，纳米碳化铌1～5份。
按重量份数计，本发明提供的聚酰亚胺基复合材料优选包括聚酰亚胺60～80份，更优选为65～75份，进一步优选为70份。在本发明中，所述聚酰亚胺的粒径优选为25～35μm，所述聚酰亚胺的来源优选为上海合成树脂研究所。
以所述聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺基复合材料优选包括碳量子点1～5份，更优选为2～3份。在本发明中，所述碳量子点的粒径优选为3～5nm，所述碳量子点的来源优选为江苏先丰纳米材料科技有限公司生产。在本发明中，碳量子点的作用是提高基体和填料之间的界面结合强度。
以所述聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺基复合材料优选包括稻壳炭10～30份，更优选为20～25份。在本发明中，所述稻壳炭的粒径优选为60～80目，所述稻壳炭的来源优选为沈阳市苏家屯区城南路粮米加工厂生产。在本发明中，稻壳炭的作用是提高聚酰亚胺复合材料耐磨性。
以所述聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺基复合材料优选包括纳米碳化钛1～5份，更优选为2～4份，进一步优选为3份。在本发明中，所述纳米碳化钛的厚度优选为80～100nm，所述纳米碳化钛的来源优选为江苏先丰纳米材料科技有限公司生产。在本发明中，纳米碳化钛能够提高聚酰亚胺复合材料的耐磨性，提高摩擦系数稳定性。
以所述聚酰亚胺的重量份数为基准，本发明提供的聚酰亚胺基复合材料优选包括纳米碳化铌1～5份，更优选为2～3份。在本发明中，所述纳米碳化铌的厚度优选为50～150nm，所述纳米碳化铌的来源优选为江苏先丰纳米材料科技有限公司生产。在本发明中，纳米碳化铌能够提高聚酰亚胺复合材料的耐磨性，提高摩擦系数稳定性。
在本发明中，所述聚酰亚胺基复合材料的制备方法优选包括以下步骤：
将聚酰亚胺、碳量子点、稻壳炭、纳米碳化钛和纳米碳化铌混合，进行模压，得到聚酰亚胺基复合材料。
在本发明中，所述混合优选为湿法混料，具体优选为：将所述聚酰亚胺、碳量子点、稻壳炭、纳米碳化钛、纳米碳化铌和无水乙醇混合，然后除去所述无水乙醇。在本发明中，所述无水乙醇的加入量优选为1～2L；所述无水乙醇的除去方法优选为烘干，所述烘干的温度优选为80～100℃。
在本发明中，所述模压的压力优选为10～20MPa，更优选为15～18MPa；所述模压的温度优选为350～380℃，更优选为370～375℃；由室温升至所述模压温度的升温速率优选为1～5℃/min；所述模压的时间优选为150～200min，更优选为160～185min。
所述模压后，本发明优选将模压所得压坯降温至室温，得到超声电机用摩擦材料。本发明对所述降温的速度没有特殊的要求，自然冷却降温即可。
制备完成超声电机用摩擦材料后，本发明将所述超声电机用摩擦材料置于紫外光源下，进行辐照改性。在本发明中，所述紫外光源的主波长优选为180～250nm，更优选为200～230nm；所述紫外光源的功率优选为6～10W，更优选为8～9W。
在本发明中，所述紫外光源距离所述超声电机用摩擦材料表面的距离优选为4～8cm，更优选为6～7cm；所述辐照改性的时间优选为2～8h，更优选为4～6h。
在本发明中，所述辐照改性优选在空气气氛中进行，所述辐照改性过程中，环境的温度优选为20～30℃，更优选为25～28℃；相对湿度优选为30～50％，更优选为35～45％。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将75g聚酰亚胺、5g碳量子点、10g稻壳炭、5g纳米碳化钛、5g纳米碳化铌和1L无水乙醇混合均匀，在80℃的烘箱中将所述无水乙醇蒸干，得到混合物料；将所述混合物料放入模具中，在20MPa的压力下由室温逐步升温(具体的升温速率为1℃/min)至380℃，模压200min，降至室温脱模，得到聚酰亚胺基复合材料；
将所述聚酰亚胺基复合材料在紫外光源下辐照2h，采用主波长为180nm，6W的紫外光源，所述紫外光源距离聚酰亚胺基复合材料表面的距离为4cm，气氛为空气，环境温度为20℃，相对湿度为30％，得到辐照改性后的摩擦材料。
实施例2
将70g聚酰亚胺、2g碳量子点、20g稻壳炭、3g纳米碳化钛、5g纳米碳化铌和2L无水乙醇混合均匀，在100℃的烘箱中将所述无水乙醇蒸干，得到混合物料；将所述混合物料放入模具中，在10MPa的压力下由室温逐步升温(具体的升温速率为5℃/min)至350℃，模压150min，降至室温脱模，得到聚酰亚胺基复合材料；
将所述聚酰亚胺基复合材料在紫外光源下辐照4h，采用主波长为250nm，10W的紫外光源，所述紫外光源距离聚酰亚胺基复合材料表面的距离为8cm，气氛为空气，环境温度为30℃，相对湿度为50％，得到辐照改性后的摩擦材料。
实施例3
将65g聚酰亚胺、2g碳量子点、30g稻壳炭、2g纳米碳化钛、2g纳米碳化铌和1.5L无水乙醇混合均匀，在90℃的烘箱中将所述无水乙醇蒸干，得到混合物料；将所述混合物料放入模具中，在15MPa的压力下由室温逐步升温(具体的升温速率为3℃/min)至370℃，模压160min，降至室温脱模，得到聚酰亚胺基复合材料；
将所述聚酰亚胺基复合材料在紫外光源下辐照6h，采用主波长为200nm，8W的紫外光源，所述紫外光源距离聚酰亚胺基复合材料表面的距离为6cm，气氛为空气，环境温度为25℃，相对湿度为35％，得到辐照改性后的摩擦材料。
实施例4
将65g聚酰亚胺、3g碳量子点、25g稻壳炭、4g纳米碳化钛、3g纳米碳化铌和1.2L无水乙醇混合均匀，在95℃的烘箱中将所述无水乙醇蒸干，得到混合物料；将所述混合物料放入模具中，在18MPa的压力下由室温逐步升温(具体的升温速率为4℃/min)至375℃，模压185min，降至室温脱模，得到聚酰亚胺基复合材料；
将所述聚酰亚胺基复合材料在紫外光源下辐照8h，采用主波长为230nm，9W的紫外光源，所述紫外光源距离聚酰亚胺基复合材料表面的距离为7cm，气氛为空气，环境温度为28℃，相对湿度为45％，得到辐照改性后的摩擦材料。
对比例1
将70g聚酰亚胺、1g碳量子点、25g稻壳炭、1g纳米碳化钛、3g纳米碳化铌和1.7L无水乙醇混合均匀，在85℃的烘箱中将所述无水乙醇蒸干，得到混合物料；将所述混合物料放入模具中，在12MPa的压力下由室温逐步升温(具体的升温速率为2℃/min)至370℃，模压200min，降至室温脱模，得到聚酰亚胺基复合材料。
测试例
将实施例1～4制备的辐照改性后的摩擦材料和对比例1制备的聚酰亚胺基复合材料分别于磷青铜对磨，测试超声电机的转换效率，所得转换效率的结果如表1所示，所述转换效率为3次测试的平均值；
实施例1～4制备的辐照改性后的摩擦材料和对比例1制备的聚酰亚胺基复合材料的表面粗糙度和原子含量如表2所示。
表1实施例1～4和对比例1的超声电机能量转换效率
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | |
| 转换效率(％) | 51.8 | 54.3 | 57.4 | 59.2 | 48.2 |
表2实施例1～4和对比例1的表面粗糙度和原子含量结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | |
| 表面粗糙度(Ra) | 0.320μm | 0.392μm | 0.412μm | 0.504μm | 0.238μm |
| 碳原子含量(％) | 80.41 | 78.38 | 75.65 | 72.67 | 82.44 |
| 氧原子含量(％) | 16.62 | 18.41 | 20.15 | 22.35 | 14.89 |
| 氮原子含量(％) | 2.97 | 3.21 | 4.2 | 4.98 | 2.67 |
由表1和表2可以看出，相比于对比例1，实施例1改性后的摩擦材料能量转换效率提升了7.47％，实施例2提升了12.66％，实施例3提升了19.09％，实施例4提升了22.82％，这是因为随着辐照改性的时间增加，摩擦材料的表面粗糙度不断增加，使得接触界面切向摩擦力增大，超声电机能量转换效率升高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种提高超声电机能量转换效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：将超声电机用摩擦材料置于紫外光源下，进行辐照改性；
所述超声电机用摩擦材料为聚酰亚胺基复合材料；所述聚酰亚胺基复合材料包括以下重量份数的制备原料：聚酰亚胺60～80份，碳量子点1～5份，稻壳炭10～30份，纳米碳化钛1～5份，纳米碳化铌1～5份；
所述紫外光源的主波长为180～250nm；所述紫外光源的功率为6～10W；
所述紫外光源距离所述超声电机用摩擦材料表面的距离为4～8cm；所述辐照改性的时间为2～8h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚酰亚胺的粒径为25～35μm；所述碳量子点的粒径为3～5nm；所述稻壳炭的粒径为60～80目；所述纳米碳化钛的厚度为80～100nm；所述纳米碳化铌的厚度为50～150nm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述聚酰亚胺基复合材料的制备方法包括以下步骤：
将聚酰亚胺、碳量子点、稻壳炭、纳米碳化钛和纳米碳化铌混合，进行模压，得到聚酰亚胺基复合材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模压的压力为10～20MPa；所述模压的温度为350～380℃；所述模压的时间为150～200min。
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