受蛇腹鳞启发的微三角形纹理NBR材料上抑制的摩擦噪声

《Polymer Testing》：Suppressed frictional noise on micro-triangle textured NBR inspired by ventral snake scales

水润滑橡胶轴承表面摩擦噪声抑制机制研究。通过仿生学方法在丁腈橡胶（NBR）表面制造微三角形阵列结构，结合摩擦、振动与噪声多参数测试，发现纹理表面可显著降低粘着-滑动摩擦现象（噪声降低30dB以上），其机理包括：1）微结构调控表面粗糙度空间频率（从5-20μm?1降至2-4μm?1）；2）改变表面凸起高度分布偏度（从负偏转为正偏）；3）降低界面粘附力（降低50%）；4）产生高频微尺度摩擦波动（10μm周期）抑制宏观粘着滑移。该成果为船舶低噪声轴承设计提供了新策略。

　　本研究围绕一种新型的噪声抑制方法展开，旨在解决水润滑轴承中常见的异常摩擦噪声问题。水润滑橡胶轴承（Water-Lubricated Rubber Bearings, WLBs）作为船舶推进系统中的关键部件，其摩擦噪声在某些运行条件下（如轴的启动和停止、低速高负载等）会显著增加，这不仅影响了船舶的声学隐蔽性，还可能降低其生存能力。为应对这一挑战，研究团队借鉴了蛇腹鳞片上的微纤维结构，提出了一种通过在NBR（丁腈橡胶）表面嵌入微三角阵列来抑制摩擦噪声的创新方法。这一方法不仅在实验中展现出良好的噪声抑制效果，还揭示了其在摩擦行为调控方面的科学原理，为未来开发低噪声水润滑轴承提供了重要的理论支持和实践指导。

### 一、研究背景与意义

NBR作为一种常见的水润滑材料，广泛应用于船舶推进系统的水润滑橡胶轴承中。然而，其在特定工况下容易产生异常摩擦噪声，这一现象对船舶的声学隐蔽性构成了严重威胁。尽管已有多种理论（如粘滑摩擦、模式耦合、锤击激励、摩擦与速度关系等）被提出以解释摩擦振动和噪声的产生机制，但目前对NBR表面摩擦噪声的生成机制和演变规律仍缺乏深入理解。因此，一种能够有效消除NBR摩擦噪声的通用方法尚未被广泛研究和应用。

为了进一步探索摩擦噪声的来源和抑制方式，研究团队聚焦于NBR表面微观结构对摩擦行为的影响。通过借鉴自然界中具有高效摩擦调控能力的生物结构，特别是蛇腹鳞片上的微纤维结构，研究人员设计了一种仿生微三角纹理，并将其应用于NBR表面，以期实现摩擦噪声的显著降低。这一方法不仅能够改善NBR的摩擦特性，还可能为提升船舶的声学隐蔽性提供新的思路和解决方案。

### 二、研究方法与实验设计

本研究通过多种实验手段，系统分析了微三角纹理对NBR摩擦噪声的抑制效果及其背后的科学机制。首先，研究人员从中国眼镜蛇（Naja atra）的腹鳞中提取样本，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察其微观结构特征。基于这些结构，设计并制造了一种带有负向蛇鳞结构的镍模具，通过激光雕刻技术实现了微三角纹理的精确复制。随后，将该模具用于NBR的硫化过程中，从而在NBR表面形成微三角纹理。

实验中，研究人员对两种类型的NBR样品进行了全面的性能测试：一种是未经过纹理处理的平整表面，另一种是嵌入了微三角纹理的样品。测试设备包括往复式微摩擦仪（SSP-04 tribo-tester），该设备能够同时测量摩擦力、振动和噪声信号。为了更精确地分析微尺度下的摩擦行为，还采用了原子力显微镜（AFM）进行表面形貌和摩擦力的同步测量。此外，研究人员还使用激光显微镜（Olympus LEXT OLS5100）获取NBR表面的三维形貌数据，并通过水接触角测试（SDC2111071）评估表面的润湿特性。

实验条件设置为干燥摩擦状态，以模拟WLBs在实际运行中可能遇到的摩擦噪声生成环境。滑动速度设定为2 mm/s，负载为2 N，滑动行程为20 mm。在摩擦测试过程中，通过集成的力和加速度传感器记录摩擦力和振动信号，同时使用声学传感器（4189-A-021）采集摩擦噪声。背景噪声在无摩擦接触的情况下被测量并作为参考，以确保实验结果的准确性。

### 三、实验结果与分析

实验结果显示，微三角纹理在NBR表面具有显著的噪声抑制效果。在滑动过程中，平整NBR表面表现出典型的粘滑摩擦现象，摩擦力呈现出周期性波动，且其振幅和周期分别为0.75 N和0.025秒。这种粘滑行为导致了明显的摩擦噪声，其频率范围主要集中在48 Hz附近，并在频谱中表现出频率倍增的特征。相比之下，微三角纹理NBR表面的摩擦力则呈现出平稳的特性，几乎不存在周期性波动，且摩擦噪声显著降低。

进一步分析表明，微三角纹理通过改变NBR表面的微观形貌特征，有效抑制了粘滑摩擦的发生。具体而言，微三角纹理将表面的微观粗糙度从无序分布转变为规则排列的结构，从而降低了表面粗糙度的空间频率。此外，微三角纹理还改变了表面粗糙度高度分布的偏斜度，将其从负偏转转为正偏转，这有助于减少表面的粘附力，从而降低粘滑摩擦的可能性。

在振动测试中，研究人员发现，平整NBR表面在滑动过程中表现出显著的振动信号，其频率范围主要集中在48 Hz附近，并在振动频谱中显示出明显的频率倍增现象。而微三角纹理NBR的振动信号则相对平稳，且其振动能量比平整表面减少了约90.5%。这一结果表明，微三角纹理不仅能够减少摩擦力的波动，还能够抑制振动信号的生成，从而降低摩擦噪声的强度。

在噪声测试中，研究人员发现，微三角纹理NBR的噪声水平显著低于平整表面。特别是在不同的负载和滑动速度条件下，微三角纹理NBR的噪声降低幅度可达30 dB以上。这一结果表明，微三角纹理对摩擦噪声的抑制具有良好的鲁棒性，能够在多种工况下保持稳定性能。然而，研究也指出，在极端负载或滑动速度条件下（如20 N和50 mm/s），微三角结构可能会被破坏，从而影响其噪声抑制效果。

### 四、微观机制分析

为了深入理解微三角纹理如何抑制摩擦噪声，研究人员从多个尺度进行了详细分析。首先，通过SEM和AFM技术对NBR表面的微观形貌进行了观测和分析。结果显示，微三角纹理将表面的微观粗糙度从无序分布转变为规则排列的结构，从而降低了表面粗糙度的空间频率。这种变化有助于减少摩擦力的波动，进而抑制粘滑摩擦的发生。

其次，研究人员分析了微三角纹理对表面粘附力的影响。通过AFM测试发现，微三角纹理NBR的表面粘附力显著低于平整表面。具体而言，微三角纹理NBR的粘附力仅为264 nN，而平整表面的粘附力则为127 nN。这一结果表明，微三角纹理能够有效降低表面的粘附力，从而减少粘滑摩擦的可能性。此外，微三角纹理还表现出更低的水接触角（106°）和更高的表面能，这可能与其表面结构的疏水性有关。

在接触力学方面，研究人员通过纳米压痕测试（Hysitron TI 980）分析了微三角纹理对NBR表面弹性模量的影响。结果显示，微三角纹理NBR的弹性模量表现出周期性变化，这与表面的微观结构特征相吻合。这种周期性变化的弹性模量有助于调节接触面积，从而改变摩擦行为的稳定性。相比之下，平整NBR表面的弹性模量较为均匀，但其摩擦行为则表现出较大的波动性。

通过AFM实验，研究人员进一步揭示了微三角纹理对摩擦行为的影响。在微三角纹理NBR表面，摩擦力表现出周期性变化，其变化频率远高于平整表面的粘滑频率。这种高频率的摩擦力波动能够干扰低频率的粘滑行为，从而有效抑制摩擦噪声的生成。此外，微三角纹理还能够减少摩擦力的峰值，使得摩擦过程更加平稳，从而降低噪声的强度。

### 五、结论与展望

本研究的结论表明，通过在NBR表面嵌入微三角纹理，可以显著降低摩擦噪声，并且这种效果具有良好的鲁棒性，能够在不同的负载和滑动速度条件下保持稳定。微三角纹理通过改变表面粗糙度的空间频率和高度分布的偏斜度，有效抑制了粘滑摩擦的发生，从而减少了摩擦噪声的生成。此外，微三角纹理还降低了表面的粘附力，改善了接触力学特性，使得摩擦过程更加平稳。

这一研究为开发低噪声水润滑轴承提供了新的思路和方法。通过仿生设计，研究人员成功地将自然界中高效摩擦调控的结构应用于工程实践，为提升船舶的声学隐蔽性和安全性提供了重要的技术支持。然而，目前的研究仍存在一定的局限性，例如实验条件主要集中在干燥摩擦状态下，而实际应用中NBR可能处于不同的润滑环境（如水润滑、油润滑或混合润滑）。因此，未来的研究可以进一步探讨微三角纹理在不同润滑条件下的噪声抑制效果，并评估其在实际应用中的可行性和稳定性。

此外，研究人员还指出，微三角纹理的尺寸和排列方式对摩擦噪声的抑制效果具有重要影响。因此，未来的研究需要对不同纹理参数（如三角结构的尺寸、间隔和排列方式）进行系统优化，以实现最佳的噪声抑制效果。同时，考虑到实际生产中可能面临的成本和工艺限制，研究人员建议采用更经济高效的制造技术（如滚筒印刷技术）来实现微三角纹理的大规模应用。

综上所述，本研究通过仿生设计和多尺度分析，揭示了微三角纹理在抑制NBR摩擦噪声方面的科学原理，并为未来开发低噪声水润滑轴承提供了重要的理论支持和实践指导。这一成果不仅有助于提升船舶的声学隐蔽性，还可能为其他摩擦噪声控制领域提供新的思路和方法。