CN116239888A - 一种超声电机高导热摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声电机高导热摩擦材料的制备方法，属于超声电机技术领域，特别涉及超声电机摩擦材料技术领域。本发明摩擦材料选用聚酰亚胺为基体，添加铜、石墨烯或碳纳米管为改性剂，通过热压烧结制备，该技术简单高效，成本低廉，尺寸稳定可靠，分布均匀，能够有效提高超声电机转子摩擦材料的导热性，磨损率大大降低，增加超声电机在空间环境中的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于超声电机领域，具体涉及一种超声电机高导热摩擦材料及其制备方法。
背景技术
超声电机是20世纪80年代迅速发展并具有特殊应用的一种新型微电机，相对于传统电磁电机，超声电机具有重量轻、低速大扭矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点，在航天领域已有较广泛应用，其工作性能和使用寿命都受到摩擦材料的影响。目前超声电机摩擦驱动模式为定子与转子间的干摩擦，材料会产生大量的热，且磨损不可避免。由于太空环境中无空气，热量不易耗散，热量累积使材料结构被破坏，而磨损将造成超声电机使用寿命缩短以及预压力发生变化，从而导致超声电机输出转速不稳定。
为了进一步提高超声电机的导热性、速度稳定性以及使用寿命，不仅需要选用高性能聚合物摩擦材料，还需要对聚合物摩擦材料改造，提高其热导率。目前国内对超声电机摩擦材料的研究较多，但还没有对其应用于太空环境中的热导率进行研究。因此，发展超声电机高导热摩擦材料的设计与制备显得尤为重要，此方法也是提高超声电机使用寿命与稳定性的重要途径。
发明内容
本发明提供了一种超声电机高导热摩擦材料及其制备方法，通过向超声电机摩擦材料聚酰亚胺中加入铜、石墨烯和碳纳米管对其进行改性，能够提高摩擦界面的热导率。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种超声电机高导热摩擦材料，所述材料选用聚酰亚胺为基体，以高导热填料纳米铜粉(Cu)、碳纳米管(CNTs)或石墨烯(GNs)为改性剂，形成Cu/PI、CNTs/PI、GNs/PI三种聚酰亚胺复合材料，烧结后就是从粉末变成块体，改性剂与基体属于物理共混关系。
一种超声电机高导热摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
1)选用热塑性聚酰亚胺商业粉末YS-20(结构如图1所示，聚合度厂家没给出，根据分子量预测，大约在10000以上)为基体，按照一定质量配比加入改性剂，得到均匀混合的粉末；
2)在30-50MPa压力下、空气气氛中将复合粉末压制成型，烧结温度为375-390℃，保温60-120分钟，烧结后粉末变成块体，改性剂与基体属于物理共混关系，然后随炉降温，制得复合材料；
3)将步骤2制成的聚酰亚胺复合材料进行切片、粘贴及抛光清洗等表面处理后供超声电机转子表面使用。
以上所述步骤中，当改性剂为Cu时，形成Cu/PI复合材料，Cu的质量百分比为3％～10％，当改性剂为CNTs时，形成在CNTs/PI复合材料，CNTs的质量百分比为0.5％～1.5％，当改性剂为GNs时，形成GNs/PI复合材料，GNs的质量百分比为0.5％～1.5％。
有益效果：本发明提供了一种超声电机高导热摩擦材料及其制备方法，利用操作简便的热压烧结技术，制备得到的材料结构稳定，热导率高，摩擦性能稳定；使用在超声电机转子表面，超声电机在运行过程中能够提高摩擦界面的热导率，降低摩擦界面的磨粒磨损，从而提高超声电机的运行稳定性与摩擦材料使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中所使用的两种聚酰亚胺结构；
图2为本发明实施例中不同Cu含量下复合材料的热导率；
图3为本发明实施例中CNTs/PI复合材料的方向设定；
图4为本发明实施例中不同CNTs含量下复合材料在X-Y-Z方向上的热导率；
图5为本发明实施例中GNs/PI复合材料的方向设定；
图6为本发明实施例中不同GNs含量下复合材料在面内与面外方向的热导率。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1
本实施例将Cu/PI复合材料应用于超声电机转子
具体制备步骤如下：
1)取聚酰亚胺复合材料粉末、Cu粉,混合后粉碎得到均匀粉末；
2)在30-50MPa压力下将复合粉末压制成型，烧结温度为375-390℃，保温60-120分钟，然后随炉降温，制得铜含量为10％的Cu/PI的复合材料。
3)将步骤2制成的聚酰亚胺复合材料进行切片、粘贴及表面处理后供超声电机转子表面使用。
表1制备Cu/PI复合材料的反应条件
由图2可以看出，在PI中加入Cu后，Cu/PI复合材料的热导率得到了提升。铜含量较少时热导率变化不大，3％质量分数的铜分别将PI1和PI2的热导率提升了5.7％和5.3％。当铜含量达到9％质量分数时PI1和PI2的导热系数有了一个飞跃，分别达到了0.495W/m·K和0.521W/m·K，提升了41.4％和34.5％。
实施例2
将CNTs/PI复合材料应用于超声电机用转子
具体制备步骤：
1)取聚酰亚胺复合材料粉末、CNTs粉，混合后粉碎得到均匀粉末；
2)在30-50MPa压力下将复合粉末压制成型，烧结温度为375-390℃，保温60-120分钟，然后随炉降温，制得CNTs含量为1％的CNTs/PI的复合材料。
3)将步骤2制成的聚酰亚胺复合材料进行切片、粘贴及表面处理后供超声电机转子表面使用。
表2制备CNTs/PI复合材料的反应条件
由图可以看出，在加入CNTs后，CNTs/PI复合材料的热导率获得了良好的提高效果，其中以轴向方向(X方向)的提升效果最佳。0.5％的碳纳米管便可将PI1和PI2的热导率提升至0.57W/m·K和0.77W/m·K，在添加1％碳纳米管时热导率最高，分别为0.84W/m·K和0.9W/m·K，比纯的聚酰亚胺提高了140％和137％，而在Y、Z方向，热导率的提升效果要稍逊一筹，同样添加0.5％的碳纳米管时，热导率最高仅有0.73W/m·K，是X方向的89％。当碳纳米管含量超过1％，热导率下降，因为当碳纳米管处于低质量分数阶段时，复合材料的导热系数随着碳纳米管填充量的增加而增加；此时碳纳米管对整体的导热系数起主导作用；但随着碳纳米管含量的继续增加，碳纳米管容易团聚，导致复合材料中碳纳米管的稳定序列被破坏，碳纳米管的分布变得无序，正常的热传导方式被打破，热传导的方向和路径发生了变化，所以整体的导热性下降。
实施例3
将GNs/PI复合材料应用于超声电机用转子
具体制备步骤：
1)取聚酰亚胺复合材料粉末、GNs粉，混合后粉碎得到均匀粉末；
2)在30-50MPa压力下将复合粉末压制成型，烧结温度为375-390℃，保温60-120分钟，然后随炉降温，制得GNs含量为0.5％的GNs/PI复合材料。
3)将步骤2制成的聚酰亚胺复合材料进行切片、粘贴及表面处理后供超声电机转子表面使用。
表3制备GNs/PI复合材料的反应条件
由图中可以看出,面内方向提高热导率的效果最好，这是由于在RNEMD方法中，模型被沿面上方向均分为若干份，热流在层间逐级传导，每一层的传热速率被单独计算；由于石墨烯纳米片厚度很薄，仅能占据很少的传热层，大部分层都没有得到石墨烯的加强，必须依靠自身进行效率极低的传导，所以复合材料在面上方向的导热性较差。当GNs含量为0.5％时，PI1和PI2分别达到了0.92W/m·K和1.04W/m·K，提升幅度分别为163％和168％，比同等含量的碳纳米管高出了19.5％和24％，石墨烯纳米片对聚酰亚胺热导率提升的效果好于碳纳米管的原因是由比表面积决定的，在聚合物基体中，传热行为实际上是振动的原子激励周边的原子一同振动，即声子传热，导热材料只有与基体分子充分接触，才能尽可能多地接收声子，碳纳米管由于其自身的卷曲结构，仅有一面能够与聚酰亚胺分子接触，并且只有轴向能够探入到基体中；而石墨烯纳米片是二维平面结构，正反两面都能接触聚酰亚胺分子，并且能以一个平面的方式嵌入到基体中，无疑增大了接收声子输运的几率，这使得石墨烯纳米片在二维平面内的导热性能比碳纳米管更好。当GNs含量增加到1％以上，GNs/PI复合材料面内方向的热导率出现了急剧下降，最低仅有0.54W/m·K，这是出现了更大表面积的石墨烯带来了反尺寸效应，即石墨烯尺寸越大强度越弱，导热能力会下降。
以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护。
Claims (8)
1.一种超声电机高导热摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选用基体，按照一定质量配比加入改性剂，得到均匀混合的粉末；
2)在30-50MPa压力下将复合粉末压制成型，烧结温度为375-390℃，保温60-120分钟，然后随炉降温，制得复合材料；
3)将步骤2制成的聚酰亚胺复合材料进行切片、粘贴及表面处理后供超声电机转子表面使用。
2.根据权利要求1所述的超声电机高导热摩擦材料的制备方法，其特征在于，当改性剂为Cu时，形成Cu/PI复合材料，Cu的质量百分比为3％～10％。
3.根据权利要求1所述的超声电机高导热摩擦材料的制备方法，其特征在于，当改性剂为CNTs时，形成在CNTs/PI复合材料，CNTs的质量百分比为0.5％～1.5％。
4.根据权利要求1所述的超声电机高导热摩擦材料的制备方法，其特征在于，当改性剂为GNs时，形成GNs/PI复合材料，GNs的质量百分比为0.5％～1.5％。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的超声电机高导热摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述基体为聚酰亚胺材料粉末。
6.根据权利要求5所述的超声电机高导热摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺结构为：
7.根据权利要求5所述的超声电机高导热摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺结构为：
8.权利要求1-7任一项所述方法制备的超声电机高导热摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料为块体，改性剂与基体之间属于物理共混关系。
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| PB01 | Publication | ||
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