泥沙條件下改性復合材料減振降噪性能研究?

陳 晨 董從林 張湘軍 袁成清 白秀琴

（1.湖北隆中實驗室 湖北襄陽 441000；2.武漢理工大學船海與能源動力工程學院 湖北武漢 430063；3.國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所 湖北武漢 430063；4.武漢理工大學交通與物流工程學院 湖北武漢 430063；5.中國船級社武漢分社 湖北武漢 430000）

在軍工領域，艦船艉軸承作為推進系統中的重要組成部分，長期處在低速、重載、高溫以及潤滑不良的特殊工況下，這種惡劣的潤滑狀態會導致軸頸與軸承之間發生嚴重磨損，以及在復雜受力環境和局部高溫條件下發生拉伸、撕裂、剪切、塑性變形和剝落等現象，因此對軸承材料提出了更為嚴苛的要求［1－3］。水潤滑艉軸承用水作為潤滑劑，避免了潤滑油的泄漏，并且具有耐腐蝕、抗疲勞以及價格低廉等諸多優點，是一種綠色、環保的復合材料軸承［4］。然而在低速重載等工況下，水的承載能力較低，導致水潤滑艉軸承摩擦副之間無法形成良好的潤滑水膜，進而誘導產生摩擦振動與摩擦噪聲，過于劇烈的振動和噪聲會使潛艇、軍艦上精密電子設備的工作受到影響［5－8］。摩擦振動與摩擦噪聲的具體表現與摩擦磨損狀態密切相關。在摩擦過程中，相對滑動速度、法向載荷、潤滑情況、界面溫度、磨粒狀態和表面形貌等都會成為影響振動和噪聲產生及變化的原因，而且通常是多因素相互作用的結果［9－11］。水潤滑艉軸承在惡劣工況下長時間運行，會產生嚴重的撕裂、拉伸、變形和脫落現象，軸承材料進而發生塑性變形，摩擦磨損加劇，最終誘導振動噪聲現象。因此，提高水潤滑艉軸承復合材料減磨、減振降噪性能，可以有效降低摩擦磨損，改善摩擦誘導振動噪聲行為，對延長船舶艉軸承的使用壽命、增強船舶的隱蔽性與安全性具有重大意義［12－13］。

聚氨酯彈性體（TPU）具有很強的分子間作用力和氫鍵，這賦予了彈性體許多優良的性能，比如較好的彈性、阻尼性、耐磨性和承載性，以及較高的抗拉強度、抗撕裂強度等，因此聚氨酯可以用作船舶上的水潤滑軸承材料［14］。然而在低速重載工況下，聚氨酯劇烈的摩擦磨損誘導產生了較大的振動響應和噪聲行為，這限制了其更廣泛的應用［15］。聚四氟乙烯（PTFE）是一種高分子聚合物，其耐磨性較差但摩擦因數極低，通常作為潤滑劑［16］。楊雪等人［17］通過物理共混制備了20%體積分數的碳纖維／聚四氟乙烯復合材料，研究了干摩擦與水潤滑工況下，比壓與線速度對復合材料的摩擦因數與摩擦振動的影響規律，結果表明，在水潤滑條件下碳纖維顯著增強了聚四氟乙烯復合材料的耐磨性，降低了摩擦因數并削弱了摩擦振動。

目前關于聚氨酯彈性體（TPU）與聚四氟乙烯（PTFE）共混的研究，著重于復合材料的減摩抗磨性能，而關于摩擦振動與摩擦噪聲的研究十分稀少。因此本文作者利用PTFE 微粉以物理共混的方式改性TPU，通過不同條件下的摩擦磨損試驗，對比分析PTFE／TPU 復合材料的力學性能、摩擦因數、表面形貌以及振動噪聲行為表現。文中通過研究泥沙條件下PTFE／TPU 復合材料在不同速度與載荷下的摩擦磨損特征與振動噪聲行為表現，為水潤滑艉軸承減振降噪材料的開發應用提供了參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

復合材料是以熱塑性TPU（蘇州百錦潤塑化有限公司生產）為基體，以PTFE 微粉（阿拉丁生化科技有限公司生產）為添加劑，通過物理共混的方式制備PTFE／TPU 復合材料。材料特性如表1 所示。

表1 熱塑性TPU 與PTFE 材料特性Table 1 Material properties of TPU and PTFE

試驗制備的6 種配比的PTFE／TPU 復合材料，如表2 所示。

表2 復合材料配比Table 2 Composite material ratio

圖1（a）所示為試驗采用的熱塑性TPU 和PTFE微粉。首先通過密煉機對TPU 和PTFE 共混物料進行加熱熔融，在高溫環境經雙螺桿攪拌，待充分混合后及時取出。密煉機加熱溫度設定為210 ℃，工作轉速為20 r／min，運行時間為3 min。然后通過注射機對混合均勻的物料進行加熱熔融，注射機溫度設定為220 ℃，注塑壓力為130 MPa。在注射機高溫高壓的作用下，混合均勻的物料被高速注射進入模具中，待冷卻成型后取出，獲得便于測試摩擦學性能和力學性能的復合材料。制備的圓環狀試樣用于摩擦學試驗，其內徑、外徑和厚度分別為6、30 和8 mm，如圖2（b）所示。摩擦學試驗前，對試樣表面進行拋光處理，使其表面粗糙度達到Ra＝（1.0±0.3）μm。制備和啞鈴狀試樣長度為60 mm，如圖2（b）所示，用于力學性能測試。

圖1 試驗原料及制備的復合材料Fig.1 Test materials and prepared composite materials：（a）test materials；（b）composite

圖2 質量分數8%PTFE／TPU 復合材料表面元素分布和EDS 能譜圖Fig.2 Surface element distribution and EDS spectrogram of mass fraction 8% PTFE／TPU composite materials

1.2 改性復合材料表面元素分布

采用電子能譜儀（EDS）對PTFE 微粉改性后的TPU 復合材料進行表面元素表征，分析了復合材料的元素組成和分布情況。圖2 所示為質量分數8%PTFE改性材料的微觀形貌及表面元素分布。可以看到，碳元素（C）、氧元素（O）和氟元素（F）均勻分布在改性后復合材料表面，沒有發生團聚現象，證明PTFE 粉末均勻存在于TPU 中，高聚物材料物理共混效果良好。EDS 曲線上出現了氟元素的激發峰，證明改性后的復合材料中存在PTFE，并且質量分數與制備組分含量一致，說明復合材料被成功制備。

1.3 摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在圖3（a）所示的RTEC 多功能摩擦磨損試驗機（MFT－5000，RTEC，美國）上進行，摩擦副接觸方式為球－盤模式，對摩副分別為圓環試樣與碳鋼球。圓環試樣通過螺栓固定在圓盤上，圓盤則通過電機驅動，通過設置不同的中心距來調節轉速。鋼球通過螺栓安裝在圓盤上部保持不動，運動方式采用旋轉式，試驗溫度為室溫25 ℃。潤滑介質設置為平均粒徑10 μm 石英砂與水的混合溶液，超聲分散以后保持摩擦副接觸面始終浸入水泥沙混合液中，實驗原理如圖3（b）所示。為了研究在水泥沙工況下，不同速度、載荷對PTFE／TPU 復合材料摩擦振動噪聲的影響規律，設計兩組實驗：保持載荷為50 N 不變，速度設置為16.76、33.51、50.27 mm／s；保持速度為25.14 mm／s 不變，載荷設置為30、50、70 N。所有試驗都重復3 次，并且在每次測試結束后更換新的碳鋼球和圓環狀復合材料試樣。

圖3 實驗設備及原理Fig.3 Experimental equipment and principles：（a）RTEC multifunctional friction and wear testing machine；（b）experimental principle

1.4 測試方法

試驗過程中摩擦磨損試驗機實時采集摩擦因數、摩擦力；使用基于LabVIEW 自設計的振動噪聲采集分析系統同步采集振動與噪聲信號；利用掃描電子顯微鏡（VEGA3，TESCAN，Czech）獲取復合材料微觀磨損形貌；使用電子萬能材料試驗機測試復合材料的力學性能。

2 結果與分析

2.1 力學性能分析

高分子復合材料的力學性能與其摩擦學性能是密切關聯的，具備良好力學性能的改性復合材料能夠大幅改善在惡劣工況下的疲勞磨損，防止材料表面出現剪切、撕裂現象，進而抑制振動和噪聲的產生。不同質量分數的PTFE／TPU 復合材料的拉伸強度、邵氏硬度的檢測結果如圖4 所示。圖4（a）中，拉伸強度隨著PTFE 質量分數的增加，改性復合材料的拉伸強度呈現先降低后上升的趨勢，其中質量分數6%PTFE改性材料具有最高的拉伸強度，為8.12 MPa。這是因為采用物理共混時，組分間的黏附作用力較弱，所以拉伸性能的增強效果不明顯。圖4（b）中邵氏硬度的變化規律與拉伸強度類似，其中質量分數8%PTFE 改性材料具有最優異的邵氏硬度，為92.5A。這是由于一定量的PTFE 可以降低復合材料內部的孔隙率，使結構均質化，從而提高表面硬度，但當改性添加劑過多時，反而會增加產生接觸缺陷的概率，從而降低材料的力學性能。

對于選擇終止妊娠的HIV感染孕婦，應給予安全的人工終止妊娠服務，應盡早手術，以減少并發癥的發生。對于選擇繼續妊娠的孕婦，應給予優質的孕期保健、產后母乳喂養等問題的咨詢，并采取相應的干預措施。

圖4 不同PTFE 質量分數的復合材料力學性能Fig.4 Mechanical properties of composite materials with different mass fraction of PTFE：（a）tensile strength；（b）shore hardness

2.2 摩擦因數分析

2.2.1 速度對摩擦因數的影響

圖5 所示為純TPU 與質量分數8%PTFE 改性材料在不同速度下的摩擦因數（水泥沙工況，試驗時間1 200 s，恒定載荷50 N，速度分別為16.76、33.51、50.27 mm／s）。

圖5 不同速度下純TPU 與復合材料的摩擦因數Fig.5 Friction coefficient of pure TPU and composite material at different speeds：（a）pure TPU；（b）modified material

圖5（a）所示為純TPU 摩擦因數變化曲線。速度為16.76 mm／s 時，純TPU 的初始摩擦因數處于較低水平，最后穩定在0.48。速度提高到33.51 mm／s時，摩擦因數在初期短暫增大后進入平穩狀態，經過增摩階段后，摩擦因數達到0.56，摩擦因數整體上明顯增大。當速度達到50.27 mm／s 時，摩擦因數在初期增摩階段的增長速度明顯變快，隨后摩擦因數處于較大范圍的波動，最后維持在0.70 的較高水平，說明高速下泥沙加劇了純TPU 材料的摩擦磨損進程。

圖5（b）所示為質量分數8%PTFE 改性材料摩擦因數變化曲線。當速度為16.76 和33.51 mm／s 時，改性材料的初始摩擦因數處于較低水平，減摩階段時間明顯比純TPU 更長。速度提高到50.27 mm／s 時，摩擦因數在磨損初期的減摩階段持續時間很短，隨時間增長，最后達到0.60，摩擦因數曲線波動劇烈，這與純TPU 的摩擦因數變化情況一致，但劇烈程度明顯更低。

總體上看，隨著相對滑動速度的增加，2 種材料的摩擦因數均逐漸增大，但PTFE 賦予了復合材料一定的自潤滑性，降低了層間剪切應力，能在摩擦副表面更快地形成潤滑層，減少了泥沙顆粒與材料粗糙峰之間的接觸概率，抑制了摩擦因數的劇烈波動，延長了減摩階段的持續時間并降低了平均摩擦因數。

2.2.2 載荷對摩擦因數的影響

圖6 所示為純TPU 與質量分數8%PTFE 改性材料在不同載荷下的摩擦因數（水泥沙工況，試驗時間1 200 s，恒定速度為25.14 mm／s，載荷分別為30、50、70 N）。隨著載荷的增加與試驗時間的延長，2種材料的摩擦因數均逐漸增大。這是由于微觀表面的接觸面積隨載荷的增大而逐漸增大，加速了泥沙顆粒對潤滑層的破壞。相比純TPU，改性材料的摩擦因數更低，說明PTFE 起到了一定的自潤滑效果，這與圖5 中的變化規律相似。

圖6 不同載荷下純TPU 與復合材料的摩擦因數Fig.6 Friction coefficient of pure TPU and composite material under different loads：（a）pure TPU；（b）modified material

2.3 材料磨損表面形貌分析

通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀測純TPU 與質量分數8%PTFE 改性材料在不同的滑動速度與法向載荷下的微觀磨損形貌，結果如圖7 與圖8 所示。

圖7 不同試驗條件下純TPU 的微觀形貌Fig.7 Microscopic morphology of pure TPU under different experimental conditions：（a）16.76 mm／s，30 N；（b）33.51 mm／s，30 N；（c）33.51 mm／s，50 N

圖8 不同試驗條件下改性材料的微觀形貌Fig.8 Microscopic morphology of modified materials under different experimental conditions：（a）16.76 mm／s，30 N；（b）33.51 mm／s，30 N；（c）33.51 mm／s，50 N

載荷的增大明顯加重了純TPU 微觀表面的摩擦磨損行為，摩擦熱的聚集導致材料表面產生了犁溝現象，并伴隨著嚴重的材料撕裂和堆積現象，這也產生了較高的摩擦因數，泥沙顆粒也開始附著于材料表面，產生了密集的凹坑現象，如圖7（b）和（c）所示。隨著載荷的增大，改性材料表面產生較大的塑性變形，但泥沙顆粒數量明顯少于純TPU，如圖8（b）和（c）所示。這是由于材料與泥沙顆粒的接觸表面在PTFE 微粉的作用下，具有一定的自潤滑性，不容易產生黏著磨損。

總體來說，速度與載荷的變化對復合材料微觀形貌具有較大影響：隨速度與載荷的增大，材料表面損傷、變形、剝落等嚴重損傷逐漸增多，但PTFE 的加入減輕了復合材料表面的損傷情況。

2.4 振動噪聲特征信號分析

2.4.1 速度對摩擦誘導振動噪聲的影響

圖9 所示為純TPU 在載荷為50 N，速度分別為16.76、33.51、50.27 mm／s 時，振動信號的時域信號及頻譜圖。在速度為16.76 mm／s 時，純TPU 振動信號變化范圍在－2.02～1.96 m／s2之間，出現了聚集性振動響應且周期較長，摩擦振動的基頻為2 050 Hz；速度增加到33.51 mm／s 時，幅值變化范圍有所增大，為－7.17～4.86 m／s2，振動響應的周期明顯縮短，各個主頻的幅值均有所增大，但在4 042 Hz 頻率處的幅值增長率明顯大于2 077 Hz 處，這說明主頻開始向高頻轉移；速度達到50.27 mm／s 時，幅值變化范圍也增大到－11.92～7.20 m／s2，聚集性振動響應增多并逐漸連成較長的區間，主頻進一步向高頻移動，倍頻諧波幅值也增大，這是因為高速下的黏滑周期變小，而泥沙進一步使摩擦激勵增強，加劇了振動響應。

圖9 不同速度下純TPU 的振動時域信號及頻譜圖Fig.9 Vibration time domain signal and frequency spectra of pure TPU at different speeds：（a）16.76 mm／s，50 N；（b）33.51 mm／s，50 N；（c）50.27 mm／s，50 N

圖10 所示為改性材料在載荷為50 N，速度分別為16.76、33.51、50.27 mm／s 時，振動信號的時域信號及頻譜圖。速度為16.76 mm／s 時，改性材料的振動信號變化范圍在－1.21～1.29 m／s2之間，聚集性振動響應的周期更長，摩擦振動的主頻較為單一；當速度增加到33.51 mm／s 時，振動信號幅值變化范圍有所增大，為－3.25～4.23 m／s2，振動響應的周期明顯縮短，摩擦振動在1 207 Hz 處的幅值降低，在高頻帶出現了2 118 Hz 的倍頻，并且幅值明顯高于基頻處；當速度達到50.27 mm／s 時，振動信號變化范圍擴大到－4.92～5.35 m／s2，聚集性振動響應也逐漸增多，隨著相對滑動速度的增大，摩擦激勵系統產生了更多的特征頻率。對比2 種材料可以發現，改性材料振動信號變化范圍更小，頻率主要分布在低頻段，說明PTFE 減弱了變速工況下的摩擦振動響應。

圖10 不同速度下改性材料的振動時域信號及頻譜圖Fig.10 Vibration time－domain signals and frequency spectra of modified materials at different speeds：（a）16.76 mm／s，50 N；（b）33.51 mm／s，50 N；（c）50.27 mm／s，50 N

為了進一步分析純TPU 與改性材料的振動與噪聲信號整體強度在不同速度下的變化規律，計算了振動與噪聲信號的均方根值，結果如圖11 所示。可以看到，2 種材料的振動信號平均強度值隨速度增大均逐漸增大，當速度為16.76 mm／s 時，2 種材料的振動噪聲信號平均強度相差不大；當速度提高到33.51與50.27 mm／s 時，純TPU 振動噪聲信號強度大幅增加，而改性材料增幅較小。總體來看，純TPU 振動信號的強度值更高，改性材料振動信號整體強度較低且增幅較小，噪聲信號呈現出相似的變化規律，說明隨著速度的增大，減振降噪效果愈加明顯。

圖11 不同速度下純TPU 和復合材料振動噪聲信號的均方根值Fig.11 Root mean square values of pure TPU and composite material vibration noise signals at different speeds：（a）pure TPU；（b）modified material

2.4.2 載荷對摩擦誘導振動噪聲的影響

圖12 所示為純TPU 在速度為25.14 mm／s，載荷分別為30、50、70 N 時，振動信號的時域信號及頻譜圖。隨著載荷的增大，純TPU 振動信號變化范圍逐漸擴大，聚集性振動區間的幅值增大并逐漸連成一片，周期長度沒有變化，低速重載下的黏滑現象比較明顯。頻域上的頻率主要分布在2 215 與4 657 Hz 附近，頻率構成變化不大，幅值分量明顯增大，主頻逐漸向高頻移動。這是因為隨著載荷的增大，摩擦副的接觸面積增大，粗糙峰接觸次數增多，造成了更多的材料損傷，這使振動響應大大增強。

圖12 不同載荷下純TPU 的振動時域信號及其頻譜圖Fig.12 Vibration time domain signal and frequency spectra of pure TPU under different loading conditions：（a）25.14 mm／s，30 N；（b）25.14 mm／s，50 N；（c）25.14 mm／s，70 N

圖13 所示為改性材料在速度為25.14 mm／s，載荷分別為30、50、70 N 時，振動信號的時域信號及頻譜圖。當載荷由30 N 增大到50 N 時，改性材料振動信號變化范圍增大，主頻集中在1 292 與2 531 Hz附近，頻率幅值明顯增大；當載荷達到70 N 時，振動信號幅值變化較小，但頻率分量發生改變，主頻集中在2 299 與4 357 Hz 附近，在高載荷下摩擦振動的頻率提高，與純TPU 材料的振型接近，說明隨著載荷的增大，振動信號幅值增大，主頻向高頻移動。

圖13 不同載荷下改性材料的振動時域信號及其頻譜圖Fig.13 Vibration time－domain signals and frequency spectra of modified materials under different loads：（a）25.14 mm／s，30 N；（b）25.14 mm／s，50 N；（c）25.14 mm／s，70 N

圖14 所示為不同載荷下復合材料的振動噪聲信號的均方根值。隨載荷的增大，2 種材料振動與噪聲信號的平均強度都隨之增加，但純TPU 的增長速度更快；當載荷為30 和50 N 時，2 種材料振動與噪聲信號的平均強度相差不大，但當載荷達到70 N 時，純TPU 振動與噪聲信號的強度大幅增加，而改性材料增幅較小，說明改性材料在高載荷下的減振降噪效果較好。

3 結論

（1）聚四氟乙烯在一定程度上提升了聚氨酯復合材料的拉伸強度、邵氏硬度。復合材料的力學性能隨著聚四氟乙烯含量的增加呈現先增強后減弱的變化趨勢。

（2）水泥沙工況下，復合材料出現嚴重的磨損，且摩擦因數變化劇烈。隨速度與載荷的增大，摩擦因數逐漸增大，材料表面損傷加重；隨著磨損時間的延長，摩擦因數曲線波動劇烈。改性材料摩擦磨損劇烈程度較低，整體摩擦因數變化幅度較小，表現優異的自潤滑性。

（3）復合材料的振動響應與輻射噪聲現象受速度與載荷變化的影響較大。隨著速度與載荷的增大，振動信號變化范圍增大，頻域上主頻幅值增大，高頻分量增多，主頻向高頻轉移，振動與噪聲信號的平均強度增大。聚四氟乙烯賦予了復合材料一定的減振降噪性能，減小了時域波形的變化范圍，降低了各個主頻的幅值，抑制了高頻分量的產生，減振降噪效果在高速與高載荷下更為顯著。