现代制造技术与装备
思想品德鉴定462020第9期 总第286期高分子聚合材料在超声电机弹性体中的研究与应用
梁晨光 张凤婷 胡新苒
共创文明城市（南京航空航天大学，南京 210016）
摘 要：传统超声电机弹性体由金属材料制成。在机器人和光学仪器等领域，为了实现操作系统的轻量化，越来越需要轻型超声电机。随着高分子合成技术的发展，高分子聚合材料作为定子弹性体成为减轻质量的潜在方法。基于此，主要介绍当前国内外在聚合物基超声电机方面的研究进展，并对其发展进行展望。
关键词：高分子聚合材料；超声电机；应用
Rearch and Applications of Polymer-Bad Elastomer in Ultrasonic Motors
LIANG Chenguang, ZHANG Fengting, HU Xinran
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016)
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Abstract: Traditionally, the elastomer of ultrasonic motors (USMs) is made of metal material. In the fields of robots and optical instruments, in order to realize the lightweight of the operating system, light USMs have become increasingly demanded. With the development of polymer technology, polymer as stator elastomers is a potential method to reduce weight. This paper mainly introduces the current rearch progress of polymer-bad ultrasonic motors at home and abroad, and its prospects are prented.
Key words: polymer; ultrasonic motor; application
超声电机是一种新型微特电机，具有结构紧凑、响应快、定位精度高、低速大扭矩以及断电自锁等优点，广泛应用于机械工程、航空航天、医疗卫生等领域[1-2]。超声电机定子一般由压电陶瓷和弹性体制成，其中弹性体的作用是在驱动足处汇聚能量，增大超声电机的输出速度和推力。弹性体作为能量流通道以及最大能量的输出处，所选材料需满足弹性大、机械强度高、密度小、机械损耗小等特点。因此，在早期的研究中普遍选用金属材料[3-4]。
随着高分子合成技术的发展，高分子聚合材料呈现出优越的机械性能，如低弹性模量、小密度、耐磨性，并成功应用于机械领域，大大减少了钢铁等传统机械材料的使用量[5]。起初，高分子材料在超声电机中作为摩擦材料使用，对此人们进行了大量的研究[6-10]。但是，摩擦材料增加了定子结构的复
杂程度，提高了生产成本。2015年，基于聚苯硫醚（PPS）材料低密度、低弹性模量、低机械损耗的特点，Wu等[11]首次利用PPS材料制作了几种轻质化定子和转子，通过实验研究其最佳匹配性能，该方案可显著减小微机械系统的质量并提高其可操作性。随后，基于有机材料的超声电机得到了持续研究，这种非金属材质定子的出现为超声电机的微型化、轻质化发展开辟了崭新的研究方向，使其应用场景有望向重视生物兼容性的医疗器械领域延伸。
1 高分子聚合材料
高分子聚合材料是指在高分子化合物的基础上合成的材料，包含了聚合物以及带有聚合物性质的一些材料[12]。常用的高分子聚合材料有聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。高分子聚合材料具有优异的力学性能、耐高低温性、耐腐蚀、耐磨损以及易加工等特性，并广泛地应用于航空航天、电子电气、石油化工和医疗医药等领域[13-14]。聚合物很少单独使用，多以玻璃纤维或无机填料的复合材料为主，具有良好的发展潜力。奥运会观后感
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2 高分子聚合材料的应用研究
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高分子聚合物具有低密度和低弹性模量的特点，是制造高能量密度超声波电机的理想材料，为超声电机研究者提供了新的研究方向。
2.1 行波型旋转超声电机
行波型旋转超声电机（英文简称TRUM）是最具代表性的一种超声电机，在当前应用最多[15]。传统金属定子表面要黏结一层薄的聚合物基体薄膜，用于提高耐磨性。由于这层基体薄膜厚度小且具有弹塑性，所以加工效率较低。同时，定子为复杂的齿状结构，导致加工成本较高。与传统的电磁电机相比，行波型旋转超声电机价格昂贵，其应用受到了限制。因此，通过改进定子的结构和材料来降低生产成本，有利于超声电机的进一步发展。
爆肚2015年，Wu等[11]提出了一种基于聚合物振子的行波超声波电机，使用聚苯硫醚作为弹性体，并且将一片环形压电陶瓷元件黏合到聚苯硫醚基弹性体的底部以形成振动器。实验表明，该超声电机的工作方式与传统金属基超声电机的相同。然而，新型超声电机的扭矩只有同直径的商用金属基超声电机扭矩的5%，而且只能承受小的载荷。与金属定子相比，聚合物基超声电机在力学性能方面还有很大差距。
为了提高聚合物基超声电机的性能，Wu等[16]对聚合物基超声电机结构参数进行了初步研究。在产生与基于金属的超声电机相当的驱动力的情况下，基于聚苯硫醚的超声电机的弹性体厚度更大。通过分析和实验探索，Wu认为PPS基弹性体和压电陶瓷元件之间的机械常数存在显著差
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