多介質(zhì)納米復(fù)合材料摩擦副的噪聲研究進(jìn)展與展望

王志強(qiáng)，孫雨晴，余小龍，倪敬

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多介質(zhì)納米復(fù)合材料摩擦副的噪聲研究進(jìn)展與展望

王志強(qiáng)1，2，孫雨晴1，余小龍1，倪敬1

（1杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310058）

摩擦副性能的優(yōu)良、工作效能的好壞與其材料特性、振動(dòng)噪聲以及微觀結(jié)構(gòu)等有直接關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行材料構(gòu)型、改性制造及減阻降噪的研究將有助于提高摩擦副的耐磨性及可靠性，延長(zhǎng)其工作壽命。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于多介質(zhì)復(fù)合材料噪聲檢測(cè)及聲波信號(hào)處理方面取得的成果、微凝膠與復(fù)合材料的黏結(jié)對(duì)摩擦阻力的改善、納米復(fù)合材料的減阻耐磨性能以及仿生表面織構(gòu)對(duì)摩擦副減阻降噪的影響進(jìn)行了綜述，并對(duì)其前景進(jìn)行了展望。指出雖然現(xiàn)有研究已取得一些值得關(guān)注的成果，但對(duì)噪聲在摩擦副材料中的傳播特性、多種介質(zhì)造成的聲速及衰減特性差異、表面微結(jié)構(gòu)與流體的耦合降噪作用等的研究則開展很少，因此加大這方面的研究對(duì)進(jìn)一步提升摩擦副的性能具有重要的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。

復(fù)合材料；納米材料；摩擦副；納米結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；仿生表面織構(gòu)；減阻降噪

近年來，隨著工程陶瓷、工程塑料等新型材料的出現(xiàn)，使得水液壓傳動(dòng)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn) 步[1-3]，開始廣泛進(jìn)入紡織、食品、造紙、醫(yī)療器械、消防和海洋開發(fā)等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。然而限制水液壓元件產(chǎn)品化發(fā)展及軍事化應(yīng)用的障礙，不僅與摩擦副材料的選擇相關(guān)，還受到其摩擦噪聲的影響，尤其是其摩擦噪聲對(duì)元件軍事化影響更為嚴(yán)重。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)摩擦副材料及摩擦噪聲已開展了較多的研究，但對(duì)于將摩擦副自身材料的噪聲傳播特性與其結(jié)構(gòu)綜合起來進(jìn)行分析的研究還鮮有報(bào)道。

因?yàn)楝F(xiàn)有研究成果還存在以下三個(gè)重要的問題未得到很好的解決。

（1）聲束傳播復(fù)雜造成識(shí)別困難。噪聲在多介質(zhì)復(fù)合材料中傳播特性復(fù)雜，多種介質(zhì)造成的聲速及衰減特性差異大等，使得噪聲波形易產(chǎn)生偏移、畸變、混迭等現(xiàn)象，由此造成各介質(zhì)回波和缺陷波不易分離[4]，信號(hào)特征難以準(zhǔn)確提取，進(jìn)而造成摩擦副材料缺陷識(shí)別和量化困難。

（2）有待建立一種高效的噪聲聲束傳播模型。利用噪聲在多介質(zhì)復(fù)合材料中的傳播特點(diǎn)對(duì)摩擦副的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而解決此問題的前提是獲取噪聲聲波在多介質(zhì)復(fù)合材料的傳播特性及規(guī)律[5]，即建立噪聲在多介質(zhì)復(fù)合材料中的傳播模型，而目前針對(duì)多介質(zhì)復(fù)合材料的研究主要以軟件仿真為主，高效的解析模型還鮮有涉及。

（3）缺乏低噪聲、高性能摩擦副新的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法。新的工藝雖然在摩擦副耐磨減阻及潤(rùn)滑方面起到了很好的成效，但要進(jìn)一步提高摩擦副的性能，降低摩擦副的噪聲則有很大的難度。

為此，本文將詳細(xì)介紹多介質(zhì)復(fù)合材料摩擦副在噪聲傳播方面取得的成果，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 多介質(zhì)復(fù)合材料噪聲檢測(cè)

摩擦副的噪聲是水液壓元件一個(gè)突出的問題，其噪聲產(chǎn)生原因眾多，機(jī)理復(fù)雜，不僅存在材料、結(jié)構(gòu)、流體等各自產(chǎn)生的噪聲，還存在它們之間相互的耦合噪聲。

對(duì)于多介質(zhì)復(fù)合材料，隨著介質(zhì)種類的增加，噪聲回波信號(hào)將更為復(fù)雜，噪聲間的混迭更為嚴(yán)重，簡(jiǎn)單的均質(zhì)單一化處理難以對(duì)摩擦副材料的噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用了現(xiàn)代信號(hào)處理手段對(duì)多介質(zhì)、多層結(jié)構(gòu)構(gòu)件回波信號(hào)進(jìn)行深入分析。KA?YS等[6]基于離散小波變換對(duì)介質(zhì)的反射信號(hào)進(jìn)行了消除，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)聲波的回波提取。KOLKOORI等[7]通過對(duì)各向異性材料的聲場(chǎng)評(píng)價(jià)，提出了一個(gè)定量自適應(yīng)二維射線追蹤模型。劉銳等[8]通過對(duì)超聲波的傳播進(jìn)行分析得到超聲波信號(hào)的噪聲產(chǎn)生原因，構(gòu)建了含噪回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。鄔冠華等[9]提出了小波模極大值算法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該法可以很好地去除較大晶粒多次散射產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。上述方法對(duì)于消除回波中的小幅隨機(jī)噪聲具有很好的作用，但多介質(zhì)復(fù)合材料容易受到各介質(zhì)間回波的相互混迭影響，因此，只有深入了解多介質(zhì)復(fù)合材料中聲波傳播特性及規(guī)律，才能有效解決多介質(zhì)復(fù)合材料間噪聲波的相互回波及混迭問題。

目前對(duì)復(fù)合材料聲波及聲場(chǎng)方面的研究主要有數(shù)值法和解析法兩大類。數(shù)值法主要是應(yīng)用有限元、有限差分及邊界元法等，但這些方法都需要設(shè)置較為復(fù)雜的邊界條件和參數(shù)，而且在仿真計(jì)算的時(shí)候?qū)W(wǎng)格劃分的質(zhì)量要求比較高，由此使得模型的計(jì)算時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，速度比較慢。而通過多個(gè)特征函數(shù)（指數(shù)函數(shù)、格林函數(shù)、高斯函數(shù)等）的疊加或組合來建立噪聲聲場(chǎng)的模型，可以很好地處理聲波在多介質(zhì)中的傳播和折射/反射等問題?，F(xiàn)如今常用的模型有Champ-Sons模型[10]、空間脈沖響應(yīng)法模型[11]、多元高斯聲束模型[12]等。其中，由于高斯分布函數(shù)的特殊性，利用高斯函數(shù)可以很容易地推導(dǎo)出單個(gè)高斯聲束的聲場(chǎng)解析表達(dá)式，因此具有較高的計(jì)算效率。

正因?yàn)槎嘣咚鼓Ｐ退哂械母咝А⒖焖俚葍?yōu)點(diǎn)，其在聲波傳播建模中得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可。HYUNJO[13]通過建立模塊化高斯聲束模型對(duì)各向異性材料進(jìn)行了研究。SCHMERR等[14]在K空間域應(yīng)用普羅尼法獲得了多元高斯超聲束模型的膨脹系數(shù)。SCHMERR同時(shí)還與HUANG等[15]利用綜合點(diǎn)源與高斯聲束開發(fā)出一個(gè)高斯聲束等效點(diǎn)模型。韓鵬等[16]利用多元高斯聲束模型模擬出相控線陣在不同的偏轉(zhuǎn)、聚焦條件下的輻射聲場(chǎng)。李力 等[17]基于多元高斯模型計(jì)算了超聲波在介質(zhì)中的聲場(chǎng)分布，得到了解析解并結(jié)合MATLAB軟件設(shè)計(jì)了聲場(chǎng)仿真系統(tǒng)。段曉敏等[18]給出了一個(gè)基于高斯疊加方法的表面波三維聲場(chǎng)解析解，用于表面波聲場(chǎng)分析和表面缺陷回波預(yù)測(cè)。由此可見，利用多元高斯模型已能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一些簡(jiǎn)單的超聲檢測(cè)問題，但在面對(duì)噪聲檢測(cè)和一些較為復(fù)雜的檢測(cè)對(duì)象時(shí)，相關(guān)的建模工作還是一個(gè)方興未艾的研究領(lǐng)域，特別是針對(duì)多介質(zhì)納米復(fù)合材料噪聲聲場(chǎng)模型研究還鮮有報(bào)道。

2 納米聚合物凝膠潤(rùn)滑劑減阻

在生物的體內(nèi)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的界面之間表現(xiàn)出極低的摩擦系數(shù)，例如人關(guān)節(jié)軟骨之間摩擦系數(shù)約為0.001～0.030，眼瞼和眼球之間的摩擦系數(shù)可低至0.005。研究表明，生物大分子潤(rùn)滑劑起到了重要的潤(rùn)滑作用。這里所述的生物大分子潤(rùn)滑劑就是微凝膠，它是一類分子內(nèi)交聯(lián)的納米級(jí)或微米級(jí)的集合物膠體顆粒，其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿可流動(dòng)的水，由此使得微凝膠具有膠體的穩(wěn)定性和流變的黏彈性。由于其獨(dú)特結(jié)構(gòu)形態(tài)和優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，使得基于功能仿生的微凝膠潤(rùn)滑劑成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

段瓊等[19]以甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（ST）、甲基丙烯酸環(huán)己酯（CHMA）、甲基丙烯酸2-羥乙酯（HEMA）和1.6-己二醇二丙烯酸酯（1.6-HDDA）作為單體，采用半連續(xù)乳液聚合工藝制備了反應(yīng)性丙烯酸微凝膠。高靜等[20]通過對(duì)甲基丙烯酸甲酯（MMA）-丙烯酸丁酯（BA）進(jìn)行反相及雙連續(xù)相乳液共聚合，合成了微凝膠物質(zhì)。而張得坤等[21]選用高分子聚乙烯醇（PVA）和納米羥基磷石灰（HA）為原料，采用反復(fù)冷凍-解凍法制備PVA/HA復(fù)合水凝膠，并在微摩擦試驗(yàn)機(jī)上開展摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其具有良好的減阻能力。馮紀(jì)璐等[22]基于蛋白質(zhì)與多糖的Maillard反應(yīng)，制備出一種新型的納米凝膠，該凝膠具有良好的表面疏水性。這是因?yàn)樵撃z疏水的基團(tuán)暴露使得納米基團(tuán)內(nèi)形成多個(gè)疏水空腔，這些空腔的形成有利于運(yùn)載疏水性物質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生一定的減阻效果。

通過上述研究可知，微凝膠已成為一種新的十分有用的功能性聚合物材料。足夠細(xì)小的微凝膠可與線性聚合物形成新型的復(fù)合黏結(jié)材料，這種材料可以有效地改善摩擦副之間的阻力，但微凝膠潤(rùn)滑劑作為降噪材料還是個(gè)方興未艾的研究領(lǐng)域，目前鮮有報(bào)道。

3 納米復(fù)合材料的減阻

納米結(jié)構(gòu)是指尺度在1～100nm的材料或材料體系單元，包括顆粒尺寸、粒子直徑、纖維直徑或?qū)娱g厚度，圖1所示為納米石墨的TEM照片。納米結(jié)構(gòu)的材料和設(shè)施可以提高材料許多方面新的性能，如力學(xué)性能、化學(xué)性能、耐熱性能以及光學(xué)和電磁性能等。通過近年來諸多學(xué)者的不斷研究探索，納米復(fù)合材料在摩擦減阻的方面已有不小的進(jìn)展。例如用新型材料制備的納米復(fù)合材料涂層，該涂層具有一般傳統(tǒng)材料所沒有的獨(dú)特性質(zhì)，它可以將硬度、韌性和低摩擦力等通常是相互排斥的特性結(jié)合在一起。這些納米復(fù)合材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在極端環(huán)境或其他因素發(fā)生改變時(shí)，自身的特性保持不變。

趙書彥等[23]以羥基丙烯酸樹脂和異氰酸酯為主要成膜材料，納米石墨為填料，制備了不同石墨含量的納米石墨/聚氨酯復(fù)合涂層，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：含2%納米石墨的復(fù)合材料涂層比不含石墨的空白涂層摩擦系數(shù)更小，且耐磨性提高了92%，同時(shí)耐腐蝕性也有顯著提升。GUTSEV等[24]通過研究二氧化硅和聚四氟乙烯添加劑對(duì)涂層在單向和往復(fù)滑動(dòng)摩擦的影響發(fā)現(xiàn)，添加后的材料摩擦性能得到很大的提升。ROSSI等[25]研究了多種涂層對(duì)碳鋼表面摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)化學(xué)鍍鎳、磷酸二硫化鉬及青銅后的聚四氟乙烯材料具有良好的防腐性能和減磨作用。

解挺等[26]通過對(duì)納米聚合物和金屬界面摩擦過程中的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：聚四氟乙烯與45鋼組成摩擦副時(shí)，會(huì)在45鋼表面形成一層轉(zhuǎn)移顆粒層，如圖2和圖3所示。在摩擦初始階段PTFE的磨損率較高，摩擦系數(shù)較大，隨著轉(zhuǎn)移顆粒物層的形成和穩(wěn)定，磨損率顯著下降，摩擦系數(shù)顯著變小，并維持穩(wěn)定。

胡彥偉等[27]以硅酸鈉為硅源，氯化銨為沉淀劑，十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為分散劑，采用化學(xué)沉淀法合成了無定形態(tài)的二氧化硅納米顆粒，平均粒徑為80nm。陳歲元等[28]以Cu-Ni- Y2O3-MoS2-Graphite混合粉為基體，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米Al2O3增強(qiáng)項(xiàng)，采用粉末冶金方法制備了納米Al2O3增強(qiáng)新型銅基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著銅合金粉末中納米Al2O3顆粒含量的增加，所制備自潤(rùn)滑復(fù)合材料樣品的密度下降，但硬度和壓潰強(qiáng)度先上升后下降，而由石墨和MoS2組成的混合固體自潤(rùn)滑材料的摩擦系數(shù)則很小并且穩(wěn)定，約為0.12。LIEW等[29]通過研究涂層材料對(duì)7075鋁合金摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al2O3涂層樣品具有優(yōu)異的耐磨性。

4 摩擦副減阻降噪結(jié)構(gòu)

對(duì)于摩擦副減阻降噪結(jié)構(gòu)的研究，一般情況下，大家的認(rèn)知是摩擦副表面越光滑，對(duì)偶副之間的摩擦系數(shù)越小，磨損量越小，振動(dòng)噪聲越小。而現(xiàn)今一些專家學(xué)者通過對(duì)一些生物體表所具有的特殊形貌（圖4）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些微小形貌可以很好地降低體表與接觸面間的摩擦磨損及振動(dòng)噪聲。

為了深入了解這些生物體表微結(jié)構(gòu)并將其應(yīng)用到減阻降噪領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了大量的研究。吉林大學(xué)孫少明等[30]根據(jù)長(zhǎng)耳鸮翼前緣非光滑形態(tài)降噪特性，設(shè)計(jì)了仿生前緣非光滑軸流風(fēng)機(jī)葉片。該設(shè)計(jì)使后翼型來流平穩(wěn)，氣流噪聲降低。石磊等[31]對(duì)汽缸進(jìn)行了仿生鋸齒狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可以有效降低其氣動(dòng)噪聲。王永華等[32]開發(fā)了基于仿生耦合多層結(jié)構(gòu)仿生的方法，該方法可以模擬不同參數(shù)下每一層的吸聲系數(shù)，而且仿生多層結(jié)構(gòu)顯示了優(yōu)良的吸聲性能。浙江大學(xué)汪久根等[33-35]應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論和仿生設(shè)計(jì)方法，將雪花的表面微結(jié)構(gòu)及鯊魚皮的表面微結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了高速列車上，發(fā)現(xiàn)確定性多尺度表面織構(gòu)的降噪效果要優(yōu)于單一織構(gòu)。

西北工業(yè)大學(xué)胡海豹等[36]對(duì)條紋溝槽表面回轉(zhuǎn)體開展了水洞噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明條紋溝槽表面回轉(zhuǎn)體與相同形狀尺寸的光滑表面回轉(zhuǎn)體相比，具有較明顯的降噪效果，最大降噪量超過4dB，降噪量與條紋溝槽的尺寸、水流速度有關(guān)。潘光等[37]采用大渦模擬湍流模型（LES）仿真計(jì)算研究了V形脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)高寬比對(duì)降噪特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，大高寬比脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)降噪效果更加突出，其高頻區(qū)的聲壓密度及峰值處的頻率較其他兩種尺寸都有明顯減少，其中聲壓級(jí)最大減小量為5dB。

西南交通大學(xué)王正國(guó)等[38-39]研究了溝槽型織構(gòu)對(duì)摩擦噪聲的影響及其作用機(jī)理，研究結(jié)果表明：尺寸分布合理的溝槽能持續(xù)有效打斷摩擦界面連續(xù)的接觸，擾亂摩擦系統(tǒng)的自激振動(dòng)，并最終降低摩擦噪聲。南京航空航天大學(xué)鄧海順等[40-41]為改善軸向柱塞泵配流副的摩擦磨損性能，對(duì)配流副進(jìn)行織構(gòu)化。結(jié)果表明：織構(gòu)化后的配流副能夠有效減小摩擦因數(shù)，平均磨損截面面積和表面粗糙度的變化值都小于無織構(gòu)配流副。中國(guó)船舶重工集團(tuán)姜婷等[42]從聲學(xué)角度闡述了涂層物性與流體阻力和流噪聲的關(guān)系，并認(rèn)為疏水表面可以降低流體與表面的相互作用力，從而產(chǎn)生減阻降噪效果。

美國(guó)的KOVALCHENKO等[43]通過銷盤試驗(yàn)研究了速度對(duì)織構(gòu)化H-13鋼盤的影響，結(jié)果表明：在較低滑動(dòng)速度下，隨著速度的增加，各織構(gòu)化鋼盤的摩擦因數(shù)明顯低于未織構(gòu)化鋼盤，但高密度織構(gòu)化鋼盤因?yàn)楸砻娲植诙鹊脑黾臃炊鼓Σ烈驍?shù)增大；在較高滑動(dòng)速度下，摩擦副表面都進(jìn)入完全流體潤(rùn)滑狀態(tài)，織構(gòu)化鋼盤和未織構(gòu)化鋼盤的摩擦因數(shù)相差不大。ASHWIN等[44]借助銷盤試驗(yàn)機(jī)對(duì)表面帶有凹坑的不銹鋼非光滑表面進(jìn)行了摩擦磨損的研究，發(fā)現(xiàn)非光滑表面的摩擦磨損僅是光滑表面的80%。

英國(guó)RAHMANI等[45]采用遺傳算法基于雷諾方程，研究了不同截面形狀下織構(gòu)形貌對(duì)無限寬滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)以最小摩擦因子和最大承載力為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，凸型織構(gòu)優(yōu)于凹型織構(gòu)。德國(guó)SCHREC等[46]運(yùn)用激光加工技術(shù)對(duì)100Cr6表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，得到孔形和交叉形兩種微結(jié)構(gòu)表面形貌，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化后的兩種微結(jié)構(gòu)均能降低表面摩擦因數(shù)，而且摩擦因數(shù)隨著紋理密度的增加而降低。以色列的ETSION等[47]對(duì)柴油機(jī)活塞環(huán)的表面織構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于光滑表面，具有部分織構(gòu)的表面，其摩擦學(xué)性能可以得到極大的改善。

日本W(wǎng)ANG等[48-49]對(duì)水潤(rùn)滑條件下軸承接觸件的表面織構(gòu)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)在相同磨合過程后，織構(gòu)表面相比于未織構(gòu)表面更加平滑，而且極限載荷得到了提高。趙帥等[50]為提高金屬/高分子納米材料機(jī)械密封的抗磨損性能，采用光刻-電解技術(shù)在316不銹鋼表面制作微凹坑陣列形式的表面結(jié)構(gòu)，并與5種不同彈性模量的高分子材料組成摩擦副進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著高分子材料彈性模量的增加，表面織構(gòu)減小磨損的效果越來越明顯。

仿生非光滑表面織構(gòu)化就是將生物體表所具有的特殊微結(jié)構(gòu)應(yīng)用到各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦的表面，以提高表面的耐磨損性能及減阻降噪性能。圖5所示為仿生非光滑表面微織構(gòu)在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用。

4.1 仿荷葉超疏水表面

人們通過對(duì)雨后落在荷葉上的水珠觀察發(fā)現(xiàn)，這些落在荷葉上的雨滴能夠形成水珠順著葉面緩緩滾動(dòng)而落下，而不是潤(rùn)濕整個(gè)荷葉表面，這就是荷葉的疏水現(xiàn)象，也稱為荷葉效應(yīng)。它是由于荷葉表面層具有納米級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)，該形貌可以減少水珠與葉面的接觸面積，進(jìn)而形成疏水，其表面形狀及結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。這種特殊的疏水結(jié)構(gòu)具有許多獨(dú)特的表面性能，如自清潔、防腐蝕、抗磨損及超疏水性等，因此廣泛運(yùn)用于各種領(lǐng)域。

超疏水表面是指與水的接觸角大于150°，并且滾動(dòng)角小于10°的表面。超疏水表面的涂層一般具有粗糙的表面微納米結(jié)構(gòu)和低的表面能，可以像荷葉一樣具有很高的超疏水性和自清潔性。因此，通過在摩擦副表面進(jìn)行超疏水表面涂層，可以達(dá)到降低對(duì)偶副之間的摩擦系數(shù)，減小磨損量和振動(dòng)噪聲的目的。

超疏水表面的制備一般有兩種思路：①在低表面能材料上構(gòu)建合適的二元微納米結(jié)構(gòu)；②用低表面能材料修飾具有合適二元微納米結(jié)構(gòu)的表面。因?yàn)榻饘俦砻娲蠖酁橛H水表面，所以第二種思路較為廣泛。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外制備超疏水表面的方法很多，比如：①化學(xué)腐蝕法，即將工件置于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性等溶液中，依靠溶液的腐蝕性在金屬表面加工出微納米結(jié)構(gòu)；②電極氧化方法，即把工件置于電源陽極，依靠陽極氧化方法制備微納米結(jié)構(gòu)；③化學(xué)沉積方法，即將工件置于金屬鹽溶液中，依靠化學(xué)還原置換方法，在工件表面沉積出微納米結(jié)構(gòu)。

清華大學(xué)禹營(yíng)等[51]通過試驗(yàn)研究了不同深度、角度、周期下的表面微結(jié)構(gòu)對(duì)減阻率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面具有較大的靜態(tài)接觸角同時(shí)又具有較小的動(dòng)態(tài)接觸角時(shí)，理論上此表面會(huì)出現(xiàn)較好的減阻性能，但由于來流方向與形貌垂直的結(jié)構(gòu)使得表面的阻力增加，這說明表面微結(jié)構(gòu)形貌不僅影響著表面的浸潤(rùn)性，同時(shí)對(duì)表面的阻力特性也起著決定性的作用。武漢理工大學(xué)朱秀芳等[52]對(duì)不同的高分子疏水材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：疏水性的硅油具有較好的減阻降噪效果，明膠也有一定的減阻降噪效果。雖然明膠為吸水物質(zhì)，但當(dāng)它成為凝膠時(shí)，其表面就成為疏水表面。而由親水性物質(zhì)聚乙烯醇縮甲醛和聚乙烯醇所制成的涂層因?yàn)楹芸炀腿苡谒?，所以沒有起到減阻降噪的作用。

國(guó)家海洋裝備研究中心張旭等[53]對(duì)表面噴涂后的物體進(jìn)行了平板試驗(yàn)與回轉(zhuǎn)體試驗(yàn)，研究其涂層是否具有減阻降噪的效果。實(shí)驗(yàn)表明：①涂層對(duì)于阻力的影響主要體現(xiàn)在對(duì)摩擦阻力的影響上，對(duì)平板試驗(yàn)中樣品涂層的摩擦阻力可降低10％以上，效果顯著；②涂層對(duì)噪聲有降低作用，在回轉(zhuǎn)體試驗(yàn)中，效果較為明顯；③涂層對(duì)形狀阻力也有降低效果；④涂層的減阻降噪效果主要體現(xiàn)在對(duì)流邊界層的影響上，由于改變了邊界層內(nèi)流體的速度分布，從而減小了邊界層內(nèi)部的摩擦剪應(yīng)力，減小了摩擦阻力和形狀阻力，進(jìn)而降低了阻力與噪聲。

南京大學(xué)王慶軍等[54]利用含氟材料極低的表面能，將摻雜技術(shù)、氣相沉積、溶液凝膠、等離子刻蝕、等離子沉積、碳納米管陣列排布等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，獲得了具有超疏水性的材料。李濤等[55]利用低溫液相法制備出具有粗糙納米結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜，然后用十七氟四氫三甲氧基硅烷自組裝單分子膜對(duì)該表面進(jìn)行了修飾，由此研究ZnO微納米結(jié)構(gòu)表面修飾前后的潤(rùn)濕性及其與水之間的黏著性。研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有高疏水性（接觸角為139.5°）和高黏著性。盧思等[56]通過一系列實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在由一級(jí)微米結(jié)構(gòu)或一級(jí)納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超疏水表面制成的槽道中，在層流的條件下，存在明顯的減阻效應(yīng)。WANG等[57]研究了超疏水聚四氟乙烯乳液混合物，并通過噴涂得到了具有疏水性的表面。

超疏水表面的理論研究已有較多的報(bào)道，其實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品也越來越普遍。雖然其具有良好的疏水性、減阻性，但價(jià)格昂貴。因此，增加在不同環(huán)境中的使用壽命和降低制造成本的研究仍是目前具有挑戰(zhàn)性的課題。

4.2 仿鯊魚皮表面的減阻

鯊魚體積巨大，但是在水中的游動(dòng)卻非常迅速，通過研究發(fā)現(xiàn)鯊魚的皮膚表面排列著有序的微小鱗狀突起，這些突起在水中具有整流效果，可以減小水的阻力，從而使鯊魚成為海洋中游泳的佼佼者，圖8所示為海洋中正在游動(dòng)的鯊魚。

鯊魚體表覆蓋著一層獨(dú)特的盾鱗，具有肋條狀的表面結(jié)構(gòu)，盾鱗的長(zhǎng)度通常為100～200μm，肋條間的寬度為50～100μm，圖9所示為鯊魚皮結(jié)構(gòu)電鏡照片。其形態(tài)因鯊魚種類和身體部位而異。盾鱗上的這種肋條結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化鯊魚體表流體邊界層的流體結(jié)構(gòu)，抑制和延遲紊流的發(fā)生，從而有效地減小水體阻力，降低能量依賴和消耗，獲得極高的游速。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性及復(fù)雜性，所以鯊魚皮的復(fù)制成了眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。

鯊魚皮目前一般可通過兩種方法加工出來：一種是機(jī)械加工方法；另一種是生物加工方法。天然鯊魚皮的表面形貌比較復(fù)雜，難以通過機(jī)械加工的方法制造加工出來。但通過天然鯊魚皮抽象出來的流向溝槽結(jié)構(gòu)同樣具有良好的減阻效果，而且流向溝槽結(jié)構(gòu)不僅可通過車、刨等機(jī)械加工的方法在蒙皮上雕刻出來，還能方便地改變溝槽的形狀和 尺寸。

趙丹陽等[58]通過對(duì)鯊魚皮微溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和截面尺寸優(yōu)化，首先采用UV-LIGA技術(shù)制造出具有仿生鯊魚皮微溝槽結(jié)構(gòu)的金屬模具，然后再開展PVC和PVE材料壓印仿生鯊魚皮微溝槽結(jié)構(gòu)的滾壓成型實(shí)驗(yàn)來復(fù)制鯊魚皮結(jié)構(gòu)。曲冰等[59]以具有極佳減阻能力的鯊魚皮為模板，采用模板技術(shù)對(duì)鯊魚皮表面微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了大面積的仿生復(fù)制，接著通過掃描電子顯微鏡對(duì)鯊魚皮以及其復(fù)制品的表面形貌進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)兩者具有結(jié)構(gòu)一致的表面微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

生物加工是一種全新的加工方法，其生物約束成形是利用微生物形態(tài)特征，用化學(xué)鍍方法復(fù)制菌體的標(biāo)準(zhǔn)幾何外形（或細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)），制備具有一定強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)外形的導(dǎo)電或磁性金屬化顆粒，并以此作為構(gòu)型單體來構(gòu)造微結(jié)構(gòu)或功能材料。利用化學(xué)鍍的方法對(duì)鯊魚皮進(jìn)行復(fù)制，是在基于微生物形體的生物約束成形的基礎(chǔ)上，又提出的基于動(dòng)物體表的生物約束成形新方法。即利用生物模版——鯊魚皮結(jié)構(gòu)，在其表面沉積金屬，復(fù)制其形狀，實(shí)現(xiàn)生物約束成形。

張赫男等[60]提出基于生物體表結(jié)構(gòu)的生物約束成形方法并且利用鯊魚皮為生物模板，采用化學(xué)鍍方法對(duì)其表面進(jìn)行了復(fù)制。韓鑫等[61]以鯊魚皮為生物模板，針對(duì)其表皮微形貌結(jié)構(gòu)特征，通過傾斜濺射方式先在其鱗片表面沉積導(dǎo)電層，接著采用正負(fù)間斷脈沖電流對(duì)鯊魚皮生物模板進(jìn)行微電鑄復(fù)制，成形出鯊魚皮微電鑄模板及仿鯊魚表面。李濤等[62]選擇鯊魚皮表面微結(jié)構(gòu)作為復(fù)制模板，利用熱壓法制備PMMA陰模板，然后以導(dǎo)電化處理后的PMMA陰模板作為電鑄電極，電鑄形成仿鯊魚皮銅模具。其加工過程如圖10所示。

圖10鯊魚皮微結(jié)構(gòu)復(fù)制流程

4.3 仿鳥類的降噪

鳥類的靜音飛行一直是眾多學(xué)者研究的話題，一些獵食性的鳥類，例如貓頭鷹、禿鷲、雕鸮等就具有強(qiáng)大的靜音飛行能力，它會(huì)直接影響到鳥類的捕食效率。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)鳥類體表羽毛的特殊形態(tài)和微小結(jié)構(gòu)具有良好的減阻降噪作用，圖11所示為雕鸮體表羽毛的結(jié)構(gòu)分布。

孫少明等[63]采用體視顯微鏡和駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試儀，對(duì)長(zhǎng)耳鶚、雉雞、鴿子的胸腹部皮膚和覆羽進(jìn)行了形態(tài)、結(jié)構(gòu)觀察測(cè)試及吸聲降噪特征對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，3種鳥類皮膚和覆羽的吸聲能力在低頻段（1000Hz以下）無明顯差異，在高頻段（1000～4000Hz），長(zhǎng)耳鶚皮膚和覆羽呈現(xiàn)一定的吸聲性能，其吸聲系數(shù)最大值可達(dá)0.45。

吳少華[64]利用微米納米加工技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了仿貓頭鷹的柔性皮膚微孔、皮膚納米凸起與絨毛以及梳齒狀羽毛等多種仿生結(jié)構(gòu)，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了降噪實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示上述多種微米納米仿生特征結(jié)構(gòu)都具有一定的降噪功能。陳坤等[65]借鑒了雕鸮羽毛的消音機(jī)理，將其羽毛的消音特征以條紋結(jié)構(gòu)和鋸齒形態(tài)的形式，在軸流風(fēng)機(jī)葉片上進(jìn)行重構(gòu)，設(shè)計(jì)了耦合仿生軸流風(fēng)機(jī)。同時(shí)采用試驗(yàn)優(yōu)化的方法，與原軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了模型對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，耦合仿生軸流風(fēng)機(jī)具有較低的氣動(dòng)噪聲值。在1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min和1400r/min五種轉(zhuǎn)速下，耦合仿生軸流風(fēng)機(jī)的A聲級(jí)值最大可分別降低4.9dB、4.5dB、4.6dB、4.9dB和5.8dB。

通過研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于機(jī)械零部件的仿生降噪研究較少，相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品也比較少見。對(duì)其研究也僅僅是考慮結(jié)構(gòu)、形狀和表面形貌的簡(jiǎn)單耦合，而機(jī)械零部件在工作運(yùn)行的過程中，不僅涉及其本身的結(jié)構(gòu)，還涉及其運(yùn)動(dòng)過程中的耦合振動(dòng)、噪聲、發(fā)熱及摩擦磨損潤(rùn)滑與變形等復(fù)合耦合作用。因此，借鑒生物體表的形貌特征，繼續(xù)研究生物體表面微結(jié)構(gòu)、流體介質(zhì)及運(yùn)動(dòng)過程中的聲、振、熱等復(fù)合耦合作用對(duì)降低運(yùn)動(dòng)摩擦副間的摩擦振動(dòng)噪聲的影響具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語與展望

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在摩擦副方面已取得一些值得關(guān)注的研究成果，但大部分的研究依然停留在對(duì)偶副材料上，對(duì)噪聲在摩擦副材料中的傳播特性、多種介質(zhì)造成的聲速及衰減特性差異、表面微結(jié)構(gòu)對(duì)減阻降噪的作用及運(yùn)動(dòng)過程中的復(fù)合耦合等的研究則很少。

路甬祥院士在接見液壓行業(yè)“十二五”規(guī)劃起草組專家領(lǐng)導(dǎo)談到我國(guó)液壓基礎(chǔ)元件問題時(shí)指出，“有些關(guān)鍵技術(shù)我們還是沒有很好地掌握，一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)研究到了極限狀態(tài)，如摩擦副，要突破需要花大力氣。對(duì)于基礎(chǔ)的東西做研究的人太少了”。傳統(tǒng)制造工藝對(duì)耐磨的貢獻(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到了極限狀態(tài)，要想更進(jìn)一步提升元件摩擦副的耐磨特性，需要從材料特性、微觀結(jié)構(gòu)與振動(dòng)噪聲上下功夫，研究材料構(gòu)型和改性制造新工藝是延長(zhǎng)摩擦副的新途徑。

多介質(zhì)納米增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋、礦山、航空航天等重要工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備上。因此，針對(duì)摩擦副振動(dòng)噪聲在多介質(zhì)納米復(fù)合材料中傳播特性復(fù)雜，造成的信號(hào)特征提取困難及摩擦振動(dòng)噪聲大及仿生復(fù)合耦合的減阻降噪機(jī)理復(fù)雜等亟待解決的問題開展研究，對(duì)于提高機(jī)械零部件的工作效率，延長(zhǎng)關(guān)鍵零部件的工作壽命，揭示其失效機(jī)理，建立新的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)理論，具有重要的理論意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。

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Research progress and development prospect of the noise of milti-medium nanocomposites friction pairs

WANG Zhiqiang1，2，SUN Yuqing1，YU Xiaolong1，NI Jing1

（1School of Mechanical Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，Zhejiang，China；2State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

The properties of friction pairs and their performances were directly related with the material characteristics of vibration，noise and surface microstructure etc. It will be useful for improving its abrasion performance and reliability and prolonging its no-failure lifetime by studying the material configuration，material modification and noise and drag reduction. In this paper，the research achievements on the noise detection of milti-medium nanocomposites，the acoustic wave signal processing，the improvement of frictional resistance on the bond between microgel particles and composites，the resistance-reducing and wear-resisting property of nanocomposites and the effect of bionic surface texture on frictional noise of friction pairs are summarized. Also the development prospect of friction pairs are presented. Though researches have achieved appreciable results，little has been done in the studies on the transmission characteristics of noise，the difference of sound velocity and attenuation characteristic of milti-medium and the synergic effect of flow characteristics of fluids and bionic surface microstructure on friction-induced noise reduction. Therefore，such studies for improvingthe performance of friction pairs，have both theory significance and a vast application prospect.

composites；nanomaterials；friction pairs；nanostructure；numerical simulation；bionic surface texture；reducing noise and drag

TQ317；TH117

A

1000–6613（2017）06–2197–11

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.033

2016-11-02；

2017-02-27。

浙江省自然科學(xué)基金（LQ16E050003）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51505111）及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（GZKF-201519）項(xiàng)目。

王志強(qiáng)（1984—），男，博士，講師，主要從事海水液壓元件及其關(guān)鍵零部件材料的研究。E-mail：wzq78452501@163.com。聯(lián)系人：倪敬，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事切削刀具及其材料工程方面的研究。