金屬橡膠的壓縮及高溫性能試驗研究★

李志聰 趙亞哥白

王欣然 郭東旭 王君儀 朱麗瑩

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

金屬橡膠(Metallic Rubber,MR)是一種由相互交錯的空間網狀結構的金屬絲纏繞而成的彈性多孔材料。目前金屬橡膠在工程機械、航天航空等領域被用作耗能隔震部位的材料[1-3]，但是在土木工程領域很少作為耗能減震裝置而使用，因此開發自復位能力的新型金屬橡膠材料耗能減震裝置是有一定的工程實際意義的。為了研發此類阻尼器，本文展開了金屬橡膠材料試件的力學性能研究工作，首先加工了三種成型密度的0Cr18Ni9Ti的奧氏體不銹鋼絲金屬橡膠試件，然后進行壓縮剪切力學試驗，得到的力與位移的包絡滯回曲線說明加載幅值、成型密度、高溫等因素對試件阻尼耗能性能均有明顯影響，根據影響規律研究分析了金屬橡膠材料的阻尼耗能機理，為下一步設計材料本構關系、研制減震器提供重要依據。

1 金屬橡膠的阻尼性能試驗

1.1 加工環節和力學試驗儀器

本次試驗用的金屬橡膠試件是由哈爾濱工業大學負責加工制造的，基本流程是用特殊加工設備將細金屬絲經纏繞為螺旋形狀的彈簧卷，再將其編織成網狀并用滾輪卷成毛坯，最后將此毛坯按照實驗要求放入相應的模具中經過沖壓，最終制作成試驗元件。整個制作流程如圖1所示。

本實驗的地點是哈爾濱工程大學力學實驗中心，試驗設備為德國生產制造的電液壓伺服疲勞試驗機，型號是INSTRON Fast Track TM8801。

試驗機基本參數見表1。

表1 試驗機基本參數

最大荷載kN荷載精度N位移精度mm最高循環加載頻率Hz加載方式100±0．50．0150數控電機自動往復式加載

試驗機可以將力傳感器和位移傳感器采集力和變形數據存儲在電腦中以方便提取，采樣頻率可以人工控制。由于試驗機本身不具備放置金屬橡膠試件的裝置，因此試驗前先按照需求制備試件壓縮裝置，然后按照圖2對試件壓縮循環荷載。

1.2 金屬橡膠材料的壓縮性能試驗

采用三種成型密度的試件，具體參數如表2所示。

表2 金屬橡膠試件參數

試件編號金屬絲直徑/mm成型密度質量/g尺寸/mm加載方式MRS?A0．20．232925×25×25壓縮MRS?B0．20．253125×25×25壓縮MRS?C0．20．273225×25×25壓縮

(1)

其中，ρs為試件密度；ρm為金屬絲材料的密度。

首先進行壓縮試驗，分別對MRS-A，MRS-B和MRS-C施加靜態循環壓縮荷載，加載速率5 mm/min，分別以5%，10%，15%，20%的應變幅值對試件進行壓縮，每種幅值循環加載5次。

圖3a)，圖3b)，圖3c)分別為試件MRS-A,MRS-B和MRS-C在不同幅值應變時的應力—應變曲線。由圖中的包絡曲線可以看出，試件的最大壓應力隨著應變幅值的增加也隨之增大，滯回曲線也更加飽滿，滯變耗能能力隨著變形的增加而增大；圖中還可看出，總共加載5圈的應力—應變曲線基本重合，試件能夠承受多次的加卸載循環，這也說明此材料具有良好的耐疲勞性能。另外，試件加載應變值達到20%時卸載曲線依然又回到原始加載點，沒有出現塑性應變，可恢復變形較大，這一結果表明金屬橡膠

材料具有很好的彈性。綜上所述試驗表現出的特性說明，金屬橡膠材料是用于制作土木結構減震阻尼器的理想材料。

2 高溫對金屬橡膠阻尼性能的影響

利用疲勞試驗機配置的高溫箱進行高溫試驗環境模擬。取密度0.23試件MRS-A，環境溫度分別為100 ℃,180 ℃，加載幅值分別為15%,20%，進行靜力壓縮試驗。圖4為幅值為15%、20%高溫壓縮應力應變曲線。由圖中可知，高溫下滯回曲線的形狀與常溫時基本一致，試件的壓應力隨溫度的升高而增大，主要是因為溫度升高時，金屬橡膠內部的不銹鋼絲之間的干摩擦力越大，整體金屬橡膠試件出現強度剛度均增大的現象。

3 結語

針對不同成型密度不銹鋼絲金屬橡膠試件進行力學試驗，研究了其壓縮滯變耗能性能，測試了荷載幅值、高溫等因素對金屬橡膠試件力學性能和阻尼特性的影響規律。試驗結果表明：加卸載循環次數對試件壓縮應力—應變滯變性能沒有顯著影響，其耗能性能比較穩定。隨著應變幅值的增加，金屬橡膠材料的恢復力越大，滯遲回線所包圍的面積越大，振動能量消耗的越多，等效阻尼比也越大；隨著溫度的升高，金屬橡膠耗能器的剛度增加，耗能能力也隨之加強。通過試驗可以發現，金屬橡膠材料的剛度較低，下一步將研究如何提高金屬橡膠耗能減震材料的剛度和阻尼性能，摻加有機材料復合處理，提高剛度，增加其滯回耗能能力。

[1] 閆 輝,姜洪源，趙宏宇，等.金屬橡膠材料溫度特性分析[J].稀有金屬材料與工程,2011,40(12):2092-2095.

[2] 郭寶亭,朱梓根,崔榮繁.金屬橡膠材料的理論模型研究[J].航空動力學報,2004,19(3):314-319.

[3] 辛士勇，朱石堅，曾 懿．金屬橡膠隔振器隔振性能的實驗研究[J]．中國艦船研究，2008，3(6)：13-16．

[4] 趙亞哥白，叢欣建.靜動力荷載下不銹鋼絲金屬橡膠的剪切力學性能[J].東北林業大學學報,2011(8):97-100.

[5] 熊世樹，李 黎，唐家祥.疊層橡膠隔震器力學性能試驗研究[J].工程抗震,1998(2):20-23.