《JBT 13751-2020微电机用电刷及触点抗压强度试验方法》专题研究报告

《JB/T13751-2020微电机用电刷及触点抗压强度试验方法》专题研究报告目录一、

前沿瞭望与标准价值：从“微小部件

”到“系统心脏

”的可靠性革命二、

专家剖析：为何抗压强度成为微电枢性能的“阿喀琉斯之踵

”？三、逐条精解：揭秘标准核心术语与试验原理的底层逻辑四、

试验设备“显微镜

”：从参数选型到操作规范的精准控制艺术五、

试样制备的“毫厘之争

”：尺寸、取向与状态对数据真实性的颠覆性影响六、

核心流程全息透视：加载速率、环境补偿与失效判定的专家级操作指南七、

数据迷宫中的真相：从原始曲线到有效报告的分析与疑点辨析八、超越标准本身：试验结果在材料研发与工艺优化中的前瞻性应用九、合规性与争议解决：标准执行中的常见陷阱、偏差分析与权威十、

未来已来：智能测试、在线监测与行业标准演进的趋势预测前沿瞭望与标准价值：从“微小部件”到“系统心脏”的可靠性革命微电机行业“内卷”升级：可靠性如何成为终极竞技场？1当前，微电机正向更小体积、更高功率密度、更长寿命迅猛发展。电刷与触点虽小，却是电能传输与信号转换的“咽喉要道”。在新能源汽车电驱系统、精密医疗器械、航空航天伺服机构等高端领域，其可靠性直接决定整机性能与安全。行业竞争已从单纯的价格与功能“内卷”，转向以核心零部件可靠性为标志的竞争。本标准正是为这场可靠性竞赛提供了统一、科学的“度量衡”，其颁布标志着微电机行业质量评价体系进入精细化、定量化的新阶段。2JB/T13751-2020的“破局”意义：填补空白，构建统一话语体系在标准发布前，行业内对电刷及触点抗压强度的测试方法不一，数据可比性差，给材料筛选、质量管控和供应链协同带来巨大困扰。本标准的出台，首次系统性地规定了试验原理、设备、试样、程序和报告要求，终结了“各自为政”的局面。它为设计、生产、质检和采购各方建立了共同的技术语言和评判基准，是推动产业链上下游协同创新、提升中国微电机基础件整体质量水平的关键一步，具有重要的行业规范与引领价值。从“合规测试”到“设计输入”：标准如何驱动正向研发？本标准的价值远不止于出厂检验。其提供的精确力学性能数据，正在从后端“合格判定”工具，转变为前端“设计输入”的关键参数。工程师可以依据标准化的抗压强度数据，更精准地模拟电刷在换向器冲击、振动环境下的力学行为，优化电刷形状、压力弹簧设计以及触点材料的匹配性。这使得产品设计从经验驱动转向数据驱动，从根本上提升微电机的设计成功率和固有可靠性，缩短研发周期。专家剖析：为何抗压强度成为微电枢性能的“阿喀琉斯之踵”？微观失效机制的“多米诺骨牌”：抗压不足引发的连锁反应1电刷与触点在运行中承受复杂的机械应力，包括换向器片间的周期性冲击、高速离心力以及装配压力。若抗压强度不足，将引发一系列连锁失效：微观裂纹萌生与扩展→触点局部坍塌或碎屑脱落→接触电阻急剧增大并波动→异常发热与电弧加剧→材料加速磨损甚至熔焊→最终导致电机噪音、转矩波动、换向恶化直至彻底失效。因此，抗压强度是衡量其抵抗塑性变形和断裂能力的首要指标，是保障电接触稳定性的力学基石。2“软”与“硬”的平衡艺术：抗压强度与摩擦磨损性能的博弈01电刷材料并非越硬越好。过高的硬度和抗压强度可能导致对换向器表面的磨削加剧，影响换向器寿命，且不利于在接触面形成稳定的氧化膜。理想的电刷材料需要在足够的抗压强度（保证结构完整性和抗冲击性）与适中的软硬度（保证良好磨合性与低磨损率）之间取得精密平衡。本标准提供的抗压强度数据，正是材料研发工程师进行这种“平衡艺术”创作时不可或缺的关键配方参数。02工况严苛化下的新挑战：极端环境对抗压性能的极限考验01随着微电机在深海、外太空、高温发动机舱等极端环境中的应用，电刷与触点面临的不仅是机械应力，还有热应力、腐蚀介质等的耦合作用。高温可能软化材料，降低其室温下测得的抗压强度；腐蚀环境可能引发应力腐蚀开裂。因此，未来的测试需求将不再局限于常温常压。本标准的框架为拓展至高温抗压、腐蚀环境下的强度测试等提供了方法论基础，其重要性在极端工况下愈发凸显。02三、逐条精解：揭秘标准核心术语与试验原理的底层逻辑“抗压强度”的精准定义：与抗拉、抗弯的本质区别何在？01标准中明确定义，抗压强度是指在压缩试验中，试样直至破裂或达到特定形变过程中所承受的最大压缩应力。这与材料抵抗拉伸破坏的“抗拉强度”、抵抗弯曲变形的“抗弯强度”在应力状态和失效模式上截然不同。压缩状态下，材料主要表现的是抵抗碎裂、压溃或塑性失稳的能力。理解这一区别，是避免误用材料数据、正确选择评价指标的前提。02“最大压缩应力”的计算奥秘：为何关注“原始横截面积”？01标准规定计算抗压强度时，使用试样原始横截面积，而非变形过程中的瞬时面积。这是因为在工程应用中，设计师关注的是构件在初始尺寸下能承受的最大载荷。使用原始面积计算得出的强度值，便于直接应用于基于初始尺寸的结构强度校核。虽然材料在压缩过程中横截面积会增大（导致真实应力略低），但采用工程应力（基于原始面积）是国际通行的、便于工程应用的约定。02试验原理的力学本质：静态轴向压缩模拟了哪种真实工况？1标准采用的静态轴向压缩试验，其力学本质是模拟电刷/触点在装配时受到的压力施加、以及运行中受到垂直于接触面的稳态或准稳态载荷分量（如弹簧压力）。虽然无法完全复现动态冲击，但其提供的准静态力学性能是分析动态响应的基础。该原理通过可控的、可重复的实验室条件，剥离了复杂工况中的其他变量，聚焦于材料本身抵抗压缩破坏的内在能力，是进行材料比对和质量控制的基石性方法。2四、

试验设备“显微镜

”：从参数选型到操作规范的精准控制艺术试验机选型“三要素”：精度、量程与刚度如何匹配微尺度测试？1针对电刷/触点这类小尺寸试样，试验机选型至关重要。第一是精度：力值测量系统至少应满足1级精度，确保微小力值的准确捕捉。第二是量程：应根据预估的抗压强度值选择合适量程，通常使试样破坏力值落在量程的20%-80%之间，以优化测量精度。第三是刚度：设备框架和压头的系统刚度必须足够高，以储存尽可能少的弹性变形能，确保载荷有效、准确地传递至试样，避免因设备柔度导致的测试误差。2压头与夹具的设计哲学：为何“平面平行度”要求如此严苛？01标准对压头工作面的平面度和平行度有严格要求，通常需达到0.02mm以内。这是因为任何微小的不平行，都会在试样表面引入不均匀的接触应力，导致试样发生偏载或局部应力集中，从而提前破坏或产生异常的测试数据，严重扭曲材料真实的抗压强度。对于脆性材料（如某些石墨电刷），这种影响尤为致命。高质量的压头和精确的对中装置，是获得可信数据的关键硬件保障。02位移/变形测量装置：接触式与非接触式技术的优劣抉择标准允许使用引伸计或其它位移测量装置。接触式引伸计精度高，但可能对小试样产生额外的约束或干扰。非接触式视频引伸计或激光位移传感器则无接触影响，适用于易碎或形状复杂的试样，但对试样表面标记点和测试环境（振动、光照）有更高要求。选择时需权衡：对于标准矩形或圆柱试样，高精度接触式引伸计是可靠选择；对于研究材料泊松比或全場应变，非接触式技术更具优势。试样制备的“毫厘之争”：尺寸、取向与状态对数据真实性的颠覆性影响取样位置与方向的“潜规则”：各向异性材料的“致命”陷阱对于粉末冶金或纤维增强的电刷材料，其性能往往具有各向异性。标准强调取样应具有代表性，并需注明取样方向（如平行或垂直于压制方向）。忽略方向性，将导致测试结果离散巨大，无法反映材料在实际使用中（特定受力方向）的真实性能。例如，垂直于压制方向取样的抗压强度可能显著低于平行方向。因此，试样制备的首条“军规”就是：识别材料各向异性，并据此严格规定和记录取样方向。尺寸公差与形貌要求：为何“表面粗糙度”和“垂直度”不容忽视？试样尺寸的精确性和一致性是数据可比性的基础。标准规定的尺寸公差必须严格遵守。此外，试样端面的表面粗糙度需足够低，并与压头工作面良好配合，以减少接触摩擦和应力不均。试样侧面与端面的垂直度偏差必须严格控制，否则在压缩时会产生弯矩，使试样提前发生屈曲（对于细长试样）或非轴向破坏，导致测得的强度值低于真实值，尤其是对高径比（或长厚比）较大的试样影响更为显著。状态调节与预处理：湿度、温度与残余应力如何“悄悄”改变结果？01材料性能受环境历史和内部状态影响。标准可能要求进行状态调节（如在一定温湿度下放置）。对于某些材料，吸湿可能导致强度下降。此外，试样在机加工过程中可能引入表面残余应力或微裂纹。在某些高要求测试中，可能需要进行轻微的抛光或退火以消除加工影响。测试前明确并记录试样的储存环境、加工历史和预处理工艺，是分析数据波动、追溯问题根源的重要环节。02核心流程全息透视：加载速率、环境补偿与失效判定的专家级操作指南加载速率设定的科学依据：“静态”测试中的动态考量加载速率（或应变速率）是影响材料抗压强度测试结果的关键因素之一。对于许多材料，速率越高，测得的强度值往往也越高（应变速率效应）。标准通常会规定一个速率范围（如1-10mm/min）。选择时需考虑：速率太慢可能导致蠕变干扰，太快则可能引入惯性力。关键在于一致性——同一批材料的比对测试必须在相同速率下进行。对于新材料，可进行速率敏感性预实验，以了解其特性并选定合适的标准速率。温度与湿度的实时补偿：环境因素不容小觑的“隐形”力量1实验室环境（温湿度）的波动会影响测试结果，特别是对于温敏性或吸湿性材料。标准试验应在可控环境（如23±2°C，50±10%RH）中进行。若条件有限，需记录实际环境参数，并在数据报告中注明。对于精密研究，甚至需要考虑试验机液压油温或驱动器发热导致的局部温升。高精度测试中，使用环境箱或在压头附近安装温度传感器进行监测与补偿，是提升数据可靠性的高级实践。2失效判定的“火眼金睛”：从载荷跌落、形变突增到视觉观察的综合判断1确定试样失效点是计算抗压强度的关键。对于脆性材料（如某些碳刷），失效点明确，表现为载荷-位移曲线上尖锐的峰值点（载荷突然跌落）。对于塑性较好的材料（如某些金属触点），可能没有明显峰值，而是出现连续屈服。此时，标准可能规定以产生特定塑性变形量（如0.2%偏移）时的应力作为“条件抗压强度”。实际操作中需结合载荷曲线特征、位移突变以及试样外观（出现可见裂纹、鼓胀或碎裂）进行综合判定，必要时摄影记录。2数据迷宫中的真相：从原始曲线到有效报告的分析与疑点辨析载荷-位移曲线的“密码”：弹性段、屈服平台与破坏模式的关联原始的载荷-位移曲线富含信息。初始线性段斜率反映材料的压缩弹性模量。曲线拐点（屈服点）标志塑性变形开始。脆性材料的曲线在峰值后陡降；塑性材料则呈现较宽的峰值或平台。曲线的形状直接揭示了材料的失效模式：脆性断裂、塑性屈服或剪切破坏。深入分析曲线，不仅能得到抗压强度一个数字，更能定性判断材料的韧脆性、均匀性，为失效分析提供第一手线索。离散数据分析与异常值处理：统计方法如何“去伪存真”？1一组试样测试结果必然存在离散性。标准通常要求有效试样数量（如5个）。处理数据时，首先计算平均值和标准差。对于明显偏离群体的异常值，需谨慎处理：不能简单丢弃。应回顾该试样的制备记录、测试过程曲线和破坏形貌，寻找可能的异常原因（如缺陷、对中不良）。只有找到明确的技术原因，方可依据标准规定（如格拉布斯准则）予以剔除。否则，离散数据本身可能反映了材料或工艺的不均匀性，这正是质量控制需要关注的信息。2测试报告的信息完整性：超越数字，记录“上下文”才是关键1一份专业的测试报告，绝不仅仅是列出抗压强度平均值。它必须完整包含标准要求的全部信息：试样标识（材料牌号、批次、取样方向）、试样尺寸、状态调节条件、试验环境、试验机及压头信息、加载速率、每个试样的破坏载荷和抗压强度值、离散统计量（均值、标准差）、以及可能影响结果的任何观察备注（如异常破坏模式）。完整的“上下文”信息，使数据在未来任何时候都具有可追溯性和可再分析性，是其价值得以长期保存的保障。2超越标准本身：试验结果在材料研发与工艺优化中的前瞻性应用材料配方优化的“导航仪”：定量关联成分、结构与力学性能1抗压强度测试是材料研发的核心工具。通过系统改变基体材料、增强相（如铜粉、石墨、纤维）的种类、含量和粒度，并测量其抗压强度，可以建立“成分-工艺-微观结构-宏观性能”之间的定量关系图谱。例如，探究石墨含量增加如何降低强度但改善润滑性，或研究烧结温度与压力如何影响材料致密度与强度。这种数据驱动的研发模式，能快速筛选出满足特定工况（如高强度、高导电、低磨损）的最佳材料配方。2工艺稳定性与一致性的“听诊器”：在线质量控制的潜在应用1在生产线上，抗压强度可作为快速抽检的指标，用于监控粉末冶金、混合、压制、烧结等关键工艺环节的稳定性。如果某一批次电刷的抗压强度数据发生系统性漂移或离散变大，可以反向追溯至可能的工艺波动，如粉末混合均匀性变化、压制压力波动或烧结炉温区异常。将抗压强度测试融入统计过程控制（SPC）体系，能实现对生产工艺的主动监控和预警，提升产品批次一致性。2仿真分析的“输入基石”：为有限元模拟提供可靠的本地化材料参数在微电机数字化设计与虚拟仿真中，精确的材料力学参数是仿真结果可信的前提。通过本标准获得的抗压强度、弹性模量（可从曲线初始斜率估算）等数据，可以直接输入到有限元分析软件中，用于模拟电刷在装配压装过程中的应力分布、分析其在运行中受冲击时的断裂风险、或优化电刷夹持结构以降低应力集中。这使得虚拟样机测试更贴近现实，减少实物试错成本。合规性与争议解决：标准执行中的常见陷阱、偏差分析与权威典型操作误区警示：对中不良、端面摩擦与速率超标的隐蔽后果实际操作中易陷入几个陷阱：1.对中不良：试样未准确放置在压头中心，导致偏载，数据偏低且离散大。2.端面摩擦约束：试样端面与压头间摩擦力过大，阻碍试样横向膨胀，导致“表观强度”虚高，并改变应力状态（从单轴压向三轴压转变）。可使用润滑剂或垫片减小摩擦。3.加载速率超标：随意设定速率，导致数据不可比或引入速率效应误差。严格执行标准规定的速率范围是基本要求。不同实验室间数据比对（ILC）的“桥梁”：如何确保测试结果的可再现性？当供需双方或不同实验室对同一材料测试结果有争议时，仅对比最终数值意义不大。需进行“测试系统比对”：从试样制备（是否同源、同方向、同处理）、尺寸测量、试验机校准状态、环境条件、加载速率设定、失效判定准则等全流程逐项核对。往往发现差异源于某个被忽视的环节。本标准为这种比对提供了统一的程序框架。参与行业或权威机构组织的能力验证（ProficiencyTesting）是检验和提升实验室合规性的有效途径。标准条文的应用边界与延伸：在标准未明确规定时的专家决策标准无法覆盖所有情况。例如，对于非标准尺寸的异形电刷、复合材料层状结构、或需要在高温下测试时，标准仅提供方法论基础。此时，需要专家依据标准原理进行延伸应用。关键在于：任何对标准程序的偏离（如使用特殊夹具、改变试样高径比、调整温度），必须在报告中详细说明理由和具体操作，确保测试过程本身是科学、严谨、可追溯的。这种基于原理的灵