钛酸钾晶体降噪材料对制动噪声的影响

2013-12-05程尧，何林

噪声与振动控制 2013年1期

关键词：晶须钛酸样件

程尧，何林

（1.重庆文理学院材料与化工学院，重庆 402160；2.贵州大学机械工程学院，贵阳 550003）

汽车研发部门一直关注汽车噪声问题，其中，制动噪声是汽车噪声问题中影响较大的因素。对制动噪声问题的研究，主要体现在一系列试验，并结合理论分析、有限元数值计算等方法，对制动噪声问题进行了多层次、多角度的大量探讨，取得了很大进步[1-5]。

对开发降噪新材料应用到汽车摩擦片中的研究工作，相关报道不多。本试验通过改变钛酸钾晶须含量的方式，测试摩擦噪声并对噪声的多个统计声压值进行对比分析，探讨钛酸钾晶须对摩擦材料噪声的降噪效果及分析降噪机理。

1 实验设计

1.1 实验原料

（1）增强纤维

增强纤维：纤维状坡缕石，原矿产地为贵州大方，经提纯制得纯净的纤维状坡缕石，目数20，纤维长约5～2µm，直径为20～70 nm，密度为2.0～2.3 g/cm3，莫氏硬度为2～3。芳纶纤维：上海兰邦工业纤维有限公司生产，密度为1.4l g/cm3，直径为12µm，纤维长约1.6～2.4 mm。钛酸钾晶须：江苏宜兴市晶须复合材料制造厂。

（2）黏结剂：丁睛改性酚醛树脂（济南圣泉海沃斯化工有限公司），产品规格：牌号PF-6530A。

（3）填料：由蛭石、云母、重晶石、铬铁矿、鳞片石墨等八种物质组成，质量分数为余数。

1.2 实验仪器

实验所用到的仪器有高速搅拌机、成型压力机。温控干燥箱、D-MS定速式摩擦试验机、HS6288B型噪声频谱分析仪.

1.3 测量方法

摩擦片的耐磨性与摩擦温度具有很强的相关性，温度越高摩擦材料发生的物理化学变化越剧烈，耐磨性显著降低。而摩擦噪声与材料的物化性能有关，材料的性能又与摩擦温度有关。因此，在研究摩擦温度变化下噪声声压变化情况中，减少钢纤维含量增加钛酸钾晶须方式，制备六个样件P 1—P 6，在摩擦性能测试中，完成多噪声信号的测试。

测量噪声的方法是在滑动摩擦部件附近500 mm处安放声级计进行测量。当没有相互滑动时，试验机也会发出噪声，测量是在该本底噪声的基础上进行的。按国家规定的作业场所噪声测（WS/T69-1996和卫法监发[1999]620号）要求进行测试[6]。本实验可以测多个噪声参数，我们选择典型参数来详细分析各样件随温度噪声变化情况。

表1 噪声测试摩擦材料配方(wt.%)Tab.1 Formula of the noise test of friction material(wt.%)

1.4 配方设计

在能比较各试样噪声的区别与变化趋势情况下，设计配方如表1。

2 结果与讨论

2.1 磨损率变化分析

根据耐磨性试验结果分析，发现试样磨损率从大到小变化趋势是：P 1最高，其次是按P 2，P 4，P 3，P 5，P 6顺序递减。P 1样件可能是由于增强纤维单一，钢纤维含量过高，钢纤维本身的物化性能不利于与树脂形成可靠连接，复合效应不好，故磨损率最大。P 4中的坡缕石纤维过高，坡缕石纤维的耐磨性不好，影响了复合材料的耐磨性。P 5、P 6较好主要是因为材料间的几何机构差异性形成了良好的网状连接；又因钛酸钾晶须的含量高，钉杂效应显著，形成了较好的复合效应，故耐磨性较其他样件好。

2.2 噪声评价参数分析

(1)时间平均声级Leq分析

平均声级Leq是采样时间内的平均升压值，它可以比较准确的分析噪声变化情况。手动设置为1 min的采样时间，温度从100°C到350°C，量程设置是H。P 0为本底噪声，视为不变值。把各温度段的平均升级参数数据通过折线图表达出来，如图1。

图1 试样各温度段的平均声级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，说明其平均声压值较高。随着晶须的添加金属的减少，试样P 2的噪音跟P 1比，噪声值降低很多，低温和高温都有下降趋势；试样P 3的平均声压值跟P 2基本一致，100°C～200°C区间表现出明显低于P 1的噪声值，300°C～350°C的高温噪音也是降低的，说明晶须的添加，降低了复合材料的噪音性能。

配方上P 4、P 5的金属含量比P 1低很多，折线表现在P 1下方，P 4的低温噪声稍低于高温噪声，在250°C达到最大值。加入晶须后，发现P 5在100°C～200°C低温噪声有所升高，300°C～350°C高温噪音降低不明显；P 6的低温噪音也比P5高，200°C时，P 6的噪声值达到最高值，P 6在200°C～350°C成降低趋势。分析原因是：钛酸钾晶须、芳纶纤维、坡缕石纤维混合后产生的内聚强度和协同效应较强，摩擦因数高但变化平稳，摩擦力有一定的动态成分。动态摩擦力频率接近摩擦系统的自然频率时，就激发了系统发生摩擦振动从而发射噪声，因而表现出低温噪音有所提高。随着温度的增加，200°C时，材料中坡缕石开始脱失吸附水和沸石水，摩擦面变化因素较多，摩擦力的动态成分较多，摩擦振动剧烈，噪音表现最高。200°C～350°C高温下树脂软化形成转移膜，堆积的转移膜起到润滑作用，又加上晶须的高温耐受性和增强作用，使其摩擦力平稳，两者因素促使噪音降低；

（2）统计参数L5值分析

L5相当于峰值平均噪声级，最能表现高声压值的噪声情况。图2所示为噪声统计分析参数L5的声压分步图。L5表示超过某声压值的占采样时间的5%，这些声压值一出现几率小但分贝值较高。手动设置为1 min的采样时间，温度从100°C到350°C，量程设置是H。

图2 试样在各温度段的L 5声压值Fig.2 L 5value of the average temperature of the samples

从图2中，我们可以分析道P 1的折线150°C以后比较平稳，但平均声压值较高，随着晶须的添加，P 2的噪声平均值明显降低很多，在100°C～170°C，噪声声压都比未添加晶须的P 1低很多。250°C以后高温噪音声压值较高，可能是高温影响材料变化导致摩擦系数较大，摩擦力动态分量较多，导致摩擦振动，产生很高的噪声。P 3从100°C～350°C，跟P 1比，噪音声压值降低很明显，摩擦因数稳定，从整个趋势来看，晶须是有降低噪声作用的，特别是低温和高温段。几者比较，说明降低金属含量增加晶须含量的摩擦材料确实具有噪音小的环保性能。

少金属的P 4样件跟多金属的P 1样件比，L5噪声数值较低，这跟材料的配方有关，因为芳纶、坡缕石纤维有助于噪声的降低。添加晶须的P 5、P 6样件300°C前都表现出比P 4高的声压，分析认为添加晶须后，材料之间产生了良好的协同效应，摩擦性能检验数据显示摩擦因数增高，摩擦力增加，那摩擦动态分量就较多，噪声表现出增高趋势。P 5在250°C、P 6在200°C达到最高，接着随温度的增高，噪声呈下降趋势，可能是晶须表现出高温耐热性以及树脂在高温下软化体现出润滑作用降低了摩擦噪声值。通过几个样件折线图比较，看出钛酸钾晶须对高温段的噪声有显著的降低作用。

通过以上参数数据比较，噪声的降低与钛酸钾晶须最相关，特别是高温噪声。在摩擦材料中添加钛酸钾晶须，有很好的降低噪声的作用；

（3）SD值分析

标准偏差SD（或σ）可表示噪声起伏大小。图3所示为噪声统计分析参数SD的声压分布图。SD表示声压变化的偏差，也是衡量噪声对环境的影响系数，SD值越大，说明偏差越大，噪声污染级NPL越高，对人的健康越不利。

图3 试样在各温度段的SD值Fig.3 SD value of the average temperature of the samples

从图3中可以看出P 1的噪声偏差变化较大，波动幅度也较大，是噪声变化幅度最大的，低温（100°C～200°C）最大值达到0.9，说明产生高分贝的噪声最多，原因跟分析P 1的低温Leq值一样。P 2偏差值比P 1减少较多，基本没有大的波动性，噪声变化比较平稳。摩擦样件P 3的折线在低温100°C～150°C段和高温300°C～350°C段都处于最下端，其SD平均值达到最低，在250°C时噪声SD值最高。通过这组数据分析，可以看出随着金属纤维的减少，钛酸钾晶须含量的增加，噪声声压值有所下降。通过六个样件的折线比较，可以看出大的噪声波动性的主要表现在低温段和高温段。

P 4是少金属纤维的摩擦材料，噪声偏差幅度没有P 1大，P 5的噪声在300°C以后比P 4有所降低，说明晶须对高温段的噪声衰减比较明显。P 6的噪声表现波动幅度较大，可能跟连续实验造成的摩擦盘温度过高等有关，非金属摩擦材料中晶须过高也会导致高分贝噪声的产生。P 6的噪声声压值在200°C～300°C之间，声压值成降低状态。

2.3 磨损显微形貌与噪声关系分析

我们对噪音较高的样件与噪音降低较多的样件拍摄SEM照片，进行显微形貌对比分析,分别为350°C的P1样件与350°C的P 3样件对比。

图4样件P 1与P 3的显微形貌Fig.4 Microscopic morphology of P1 and P3 samples

图4 中，图（P 1）是350°C的P 1放大100倍的显微形貌，存在不规则的犁沟、麻坑及粘着微凸体形成，主要表现磨粒磨损和粘着磨损的特征，原因可能是金属含量过高，树脂对它的粘结不牢，较多的硬质颗粒脱落，会对表面产生较严重的犁削力，导致严重磨损，这样的摩擦面又会使摩擦振动更厉害，因而导致高温噪音较高的，正如图1和图2所体现的那样。

图（P 3）是350°C的P 3放大一百倍的显微形貌。材料摩擦微观形貌比较平稳，表面产生了致密的转移膜，较少的因磨损导致的明显缺陷。分析是因高温下，由于树脂的软化分解与磨粒粘接形成局部表面膜分布在摩擦面上，之后由于摩擦的反复作用，这些膜互相堆叠，摩擦表面表现光滑。由于这些膜的作用，会造成材料的摩擦因数下降，还起到润滑作用，这些因素会导致噪声降低。