鈦酸鉀晶體降噪材料對(duì)制動(dòng)噪聲的影響

程 堯，何 林

（1.重慶文理學(xué)院 材料與化工學(xué)院，重慶 402160；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550003）

汽車研發(fā)部門一直關(guān)注汽車噪聲問(wèn)題，其中，制動(dòng)噪聲是汽車噪聲問(wèn)題中影響較大的因素。對(duì)制動(dòng)噪聲問(wèn)題的研究，主要體現(xiàn)在一系列試驗(yàn)，并結(jié)合理論分析、有限元數(shù)值計(jì)算等方法，對(duì)制動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了多層次、多角度的大量探討，取得了很大進(jìn)步[1-5]。

對(duì)開發(fā)降噪新材料應(yīng)用到汽車摩擦片中的研究工作，相關(guān)報(bào)道不多。本試驗(yàn)通過(guò)改變鈦酸鉀晶須含量的方式，測(cè)試摩擦噪聲并對(duì)噪聲的多個(gè)統(tǒng)計(jì)聲壓值進(jìn)行對(duì)比分析，探討鈦酸鉀晶須對(duì)摩擦材料噪聲的降噪效果及分析降噪機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

（1）增強(qiáng)纖維

增強(qiáng)纖維：纖維狀坡縷石，原礦產(chǎn)地為貴州大方，經(jīng)提純制得純凈的纖維狀坡縷石，目數(shù)20，纖維長(zhǎng)約5～2μm，直徑為20～70 nm，密度為2.0～2.3 g/cm3，莫氏硬度為2～3。芳綸纖維：上海蘭邦工業(yè)纖維有限公司生產(chǎn)，密度為1.4l g/cm3，直徑為12μm，纖維長(zhǎng)約1.6～2.4 mm。鈦酸鉀晶須：江蘇宜興市晶須復(fù)合材料制造廠。

（2）黏結(jié)劑：丁睛改性酚醛樹脂（濟(jì)南圣泉海沃斯化工有限公司），產(chǎn)品規(guī)格：牌號(hào)PF-6530A。

（3）填料：由蛭石、云母、重晶石、鉻鐵礦、鱗片石墨等八種物質(zhì)組成，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為余數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用到的儀器有高速攪拌機(jī)、成型壓力機(jī)。溫控干燥箱、D-MS定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)、HS6288B型噪聲頻譜分析儀.

1.3 測(cè)量方法

摩擦片的耐磨性與摩擦溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，溫度越高摩擦材料發(fā)生的物理化學(xué)變化越劇烈，耐磨性顯著降低。而摩擦噪聲與材料的物化性能有關(guān)，材料的性能又與摩擦溫度有關(guān)。因此，在研究摩擦溫度變化下噪聲聲壓變化情況中，減少鋼纖維含量增加鈦酸鉀晶須方式，制備六個(gè)樣件P 1—P 6，在摩擦性能測(cè)試中，完成多噪聲信號(hào)的測(cè)試。

測(cè)量噪聲的方法是在滑動(dòng)摩擦部件附近500 mm處安放聲級(jí)計(jì)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)沒有相互滑動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)也會(huì)發(fā)出噪聲，測(cè)量是在該本底噪聲的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。按國(guó)家規(guī)定的作業(yè)場(chǎng)所噪聲測(cè)（WS/T69-1996和衛(wèi)法監(jiān)發(fā)[1999]620號(hào)）要求進(jìn)行測(cè)試[6]。本實(shí)驗(yàn)可以測(cè)多個(gè)噪聲參數(shù)，我們選擇典型參數(shù)來(lái)詳細(xì)分析各樣件隨溫度噪聲變化情況。

表1 噪聲測(cè)試摩擦材料配方(wt.%)Tab.1 Formula of the noise test of friction material(wt.%)

1.4 配方設(shè)計(jì)

在能比較各試樣噪聲的區(qū)別與變化趨勢(shì)情況下，設(shè)計(jì)配方如表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨損率變化分析

根據(jù)耐磨性試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)試樣磨損率從大到小變化趨勢(shì)是：P 1最高，其次是按P 2，P 4，P 3，P 5，P 6順序遞減。P 1樣件可能是由于增強(qiáng)纖維單一，鋼纖維含量過(guò)高，鋼纖維本身的物化性能不利于與樹脂形成可靠連接，復(fù)合效應(yīng)不好，故磨損率最大。P 4中的坡縷石纖維過(guò)高，坡縷石纖維的耐磨性不好，影響了復(fù)合材料的耐磨性。P 5、P 6較好主要是因?yàn)椴牧祥g的幾何機(jī)構(gòu)差異性形成了良好的網(wǎng)狀連接；又因鈦酸鉀晶須的含量高，釘雜效應(yīng)顯著，形成了較好的復(fù)合效應(yīng)，故耐磨性較其他樣件好。

2.2 噪聲評(píng)價(jià)參數(shù)分析

(1)時(shí)間平均聲級(jí)Leq分析

平均聲級(jí)Leq是采樣時(shí)間內(nèi)的平均升壓值，它可以比較準(zhǔn)確的分析噪聲變化情況。手動(dòng)設(shè)置為1 min的采樣時(shí)間，溫度從100°C到350°C，量程設(shè)置是H。P 0為本底噪聲，視為不變值。把各溫度段的平均升級(jí)參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)折線圖表達(dá)出來(lái)，如圖1。

圖1 試樣各溫度段的平均聲級(jí)L eq值Fig.1 L eq value of the average temperature of the samples

可以看出P 1在最上方，說(shuō)明其平均聲壓值較高。隨著晶須的添加金屬的減少，試樣P 2的噪音跟P 1比，噪聲值降低很多，低溫和高溫都有下降趨勢(shì)；試樣P 3的平均聲壓值跟P 2基本一致，100°C～200°C區(qū)間表現(xiàn)出明顯低于P 1的噪聲值，300°C～350°C的高溫噪音也是降低的，說(shuō)明晶須的添加，降低了復(fù)合材料的噪音性能。

配方上P 4、P 5的金屬含量比P 1低很多，折線表現(xiàn)在P 1下方，P 4的低溫噪聲稍低于高溫噪聲，在250°C達(dá)到最大值。加入晶須后，發(fā)現(xiàn)P 5在100°C～200°C低溫噪聲有所升高，300°C～350°C高溫噪音降低不明顯；P 6的低溫噪音也比P5高，200°C時(shí)，P 6的噪聲值達(dá)到最高值，P 6在200°C～350°C成降低趨勢(shì)。分析原因是：鈦酸鉀晶須、芳綸纖維、坡縷石纖維混合后產(chǎn)生的內(nèi)聚強(qiáng)度和協(xié)同效應(yīng)較強(qiáng)，摩擦因數(shù)高但變化平穩(wěn)，摩擦力有一定的動(dòng)態(tài)成分。動(dòng)態(tài)摩擦力頻率接近摩擦系統(tǒng)的自然頻率時(shí)，就激發(fā)了系統(tǒng)發(fā)生摩擦振動(dòng)從而發(fā)射噪聲，因而表現(xiàn)出低溫噪音有所提高。隨著溫度的增加，200°C時(shí)，材料中坡縷石開始脫失吸附水和沸石水，摩擦面變化因素較多，摩擦力的動(dòng)態(tài)成分較多，摩擦振動(dòng)劇烈，噪音表現(xiàn)最高。200°C～350°C高溫下樹脂軟化形成轉(zhuǎn)移膜，堆積的轉(zhuǎn)移膜起到潤(rùn)滑作用，又加上晶須的高溫耐受性和增強(qiáng)作用，使其摩擦力平穩(wěn)，兩者因素促使噪音降低；

（2）統(tǒng)計(jì)參數(shù)L5值分析

L5相當(dāng)于峰值平均噪聲級(jí)，最能表現(xiàn)高聲壓值的噪聲情況。圖2所示為噪聲統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)L5的聲壓分步圖。L5表示超過(guò)某聲壓值的占采樣時(shí)間的5%，這些聲壓值一出現(xiàn)幾率小但分貝值較高。手動(dòng)設(shè)置為1 min的采樣時(shí)間，溫度從100°C到350°C，量程設(shè)置是H。

圖2 試樣在各溫度段的L 5聲壓值Fig.2 L 5value of the average temperature of the samples

從圖2中，我們可以分析道P 1的折線150°C以后比較平穩(wěn)，但平均聲壓值較高，隨著晶須的添加，P 2的噪聲平均值明顯降低很多，在100°C～170°C，噪聲聲壓都比未添加晶須的P 1低很多。250°C以后高溫噪音聲壓值較高，可能是高溫影響材料變化導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大，摩擦力動(dòng)態(tài)分量較多，導(dǎo)致摩擦振動(dòng)，產(chǎn)生很高的噪聲。P 3從100°C～350°C，跟P 1比，噪音聲壓值降低很明顯，摩擦因數(shù)穩(wěn)定，從整個(gè)趨勢(shì)來(lái)看，晶須是有降低噪聲作用的，特別是低溫和高溫段。幾者比較，說(shuō)明降低金屬含量增加晶須含量的摩擦材料確實(shí)具有噪音小的環(huán)保性能。

少金屬的P 4樣件跟多金屬的P 1樣件比，L5噪聲數(shù)值較低，這跟材料的配方有關(guān)，因?yàn)榉季]、坡縷石纖維有助于噪聲的降低。添加晶須的P 5、P 6樣件300°C前都表現(xiàn)出比P 4高的聲壓，分析認(rèn)為添加晶須后，材料之間產(chǎn)生了良好的協(xié)同效應(yīng)，摩擦性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示摩擦因數(shù)增高，摩擦力增加，那摩擦動(dòng)態(tài)分量就較多，噪聲表現(xiàn)出增高趨勢(shì)。P 5在250°C、P 6在200°C達(dá)到最高，接著隨溫度的增高，噪聲呈下降趨勢(shì)，可能是晶須表現(xiàn)出高溫耐熱性以及樹脂在高溫下軟化體現(xiàn)出潤(rùn)滑作用降低了摩擦噪聲值。通過(guò)幾個(gè)樣件折線圖比較，看出鈦酸鉀晶須對(duì)高溫段的噪聲有顯著的降低作用。

通過(guò)以上參數(shù)數(shù)據(jù)比較，噪聲的降低與鈦酸鉀晶須最相關(guān)，特別是高溫噪聲。在摩擦材料中添加鈦酸鉀晶須，有很好的降低噪聲的作用；

（3）SD值分析

標(biāo)準(zhǔn)偏差SD（或σ）可表示噪聲起伏大小。圖3所示為噪聲統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)SD的聲壓分布圖。SD表示聲壓變化的偏差，也是衡量噪聲對(duì)環(huán)境的影響系數(shù)，SD值越大，說(shuō)明偏差越大，噪聲污染級(jí)NPL越高，對(duì)人的健康越不利。

圖3 試樣在各溫度段的SD值Fig.3 SD value of the average temperature of the samples

從圖3中可以看出P 1的噪聲偏差變化較大，波動(dòng)幅度也較大，是噪聲變化幅度最大的，低溫（100°C～200°C）最大值達(dá)到0.9，說(shuō)明產(chǎn)生高分貝的噪聲最多，原因跟分析P 1的低溫Leq值一樣。P 2偏差值比P 1減少較多，基本沒有大的波動(dòng)性，噪聲變化比較平穩(wěn)。摩擦樣件P 3的折線在低溫100°C～150°C段和高溫300°C～350°C段都處于最下端，其SD平均值達(dá)到最低，在250°C時(shí)噪聲SD值最高。通過(guò)這組數(shù)據(jù)分析，可以看出隨著金屬纖維的減少，鈦酸鉀晶須含量的增加，噪聲聲壓值有所下降。通過(guò)六個(gè)樣件的折線比較，可以看出大的噪聲波動(dòng)性的主要表現(xiàn)在低溫段和高溫段。

P 4是少金屬纖維的摩擦材料，噪聲偏差幅度沒有P 1大，P 5的噪聲在300°C以后比P 4有所降低，說(shuō)明晶須對(duì)高溫段的噪聲衰減比較明顯。P 6的噪聲表現(xiàn)波動(dòng)幅度較大，可能跟連續(xù)實(shí)驗(yàn)造成的摩擦盤溫度過(guò)高等有關(guān)，非金屬摩擦材料中晶須過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致高分貝噪聲的產(chǎn)生。P 6的噪聲聲壓值在200°C～300°C之間，聲壓值成降低狀態(tài)。

2.3 磨損顯微形貌與噪聲關(guān)系分析

我們對(duì)噪音較高的樣件與噪音降低較多的樣件拍攝SEM照片，進(jìn)行顯微形貌對(duì)比分析,分別為350°C的P1樣件與350°C的P 3樣件對(duì)比。

圖4樣件P 1與P 3的顯微形貌Fig.4 Microscopic morphology of P1 and P3 samples

圖4 中，圖（P 1）是350°C的P 1放大100倍的顯微形貌，存在不規(guī)則的犁溝、麻坑及粘著微凸體形成，主要表現(xiàn)磨粒磨損和粘著磨損的特征，原因可能是金屬含量過(guò)高，樹脂對(duì)它的粘結(jié)不牢，較多的硬質(zhì)顆粒脫落，會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生較嚴(yán)重的犁削力，導(dǎo)致嚴(yán)重磨損，這樣的摩擦面又會(huì)使摩擦振動(dòng)更厲害，因而導(dǎo)致高溫噪音較高的，正如圖1和圖2所體現(xiàn)的那樣。

圖（P 3）是350°C的P 3放大一百倍的顯微形貌。材料摩擦微觀形貌比較平穩(wěn)，表面產(chǎn)生了致密的轉(zhuǎn)移膜，較少的因磨損導(dǎo)致的明顯缺陷。分析是因高溫下，由于樹脂的軟化分解與磨粒粘接形成局部表面膜分布在摩擦面上，之后由于摩擦的反復(fù)作用，這些膜互相堆疊，摩擦表面表現(xiàn)光滑。由于這些膜的作用，會(huì)造成材料的摩擦因數(shù)下降，還起到潤(rùn)滑作用，這些因素會(huì)導(dǎo)致噪聲降低。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）鈦酸鉀晶須與坡縷石纖維、芳綸纖維復(fù)合增強(qiáng)的摩擦材料耐磨性表現(xiàn)良好；

（2）通過(guò)對(duì)各溫度段的多個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)聲壓值分析，隨著碳酸鉀晶須含量增加，噪聲整體呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)，鈦酸鉀晶須在摩擦材料中表現(xiàn)出良好的降噪性，噪聲波動(dòng)性主要表現(xiàn)在低溫段和高溫段；

(3)通過(guò)對(duì)樣件的SEM形貌進(jìn)行分析，摩擦形貌的特征與噪聲的產(chǎn)生與變化具有一致性。形貌表現(xiàn)缺陷較多的樣件，噪聲值較高；摩擦形貌比較平整的樣件，噪聲也有下降。

[1]陳小悅.鼓式制動(dòng)器低頻震顫的研究[Z].北京：清華大學(xué)，1988.

[2]管迪華，宿新東.制動(dòng)振動(dòng)噪聲研究的回顧、發(fā)展與評(píng)述[J].工程力學(xué)，2004，21(4)：150-155.

[3]N M Kinkaid，OMO’Rcilly.Antonlotive disc blake squeal[J].Journal of Sound and Vibration,2003,267:105-166.

[4]Papinniem I Anui，I ai Joseph C S,Zhao Jiye,et a1.Brake squeal:Aliterature review[J].Applied Acoustics,2002,63(4):391-400.

[5]陳光雄，周仲榮，等.摩擦噪聲研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2010，2O(6)：391-400.

[6]張紹棟，熊文波.噪聲和振動(dòng)測(cè)量技術(shù)[EB/OL].杭州愛華儀器有限公司，2005，10.