工程橡膠壓縮實驗和緩沖特性分析

黃舟，賈東，陳軍紅，劉平，李紅梅，曾飛

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

橡膠材料具有高彈性、壓縮變形大以及能承受重復載荷等優點[1]，特別是其優良的緩沖減振性能[2]具有較高的應用價值。在產品沖擊防護研究領域，不少學者傾向于以泡沫金屬[3]或泡沫塑料[4-5]為對象開展其緩沖性能研究。然而，多孔材料受壓縮后內部孔洞被壓潰會導致無法承受重復緩沖。因此，和多孔材料相比，橡膠緩沖材料更便于使用和維護。橡膠材料的種類繁多，材料特性受配方和成形工藝等多因素[6]的影響，材料性能具有一定分散性。橡膠具有超彈性、粘彈性，且非線性程度高[7]，其壓縮與緩沖特征十分復雜。

為研究適用于產品沖擊防護的橡膠材料，文中選用天然橡膠、丁基橡膠和發泡橡膠等工程中典型橡膠進行對比研究。分別進行了靜態和動態壓縮實驗以獲取壓縮特性，再基于緩沖定量表征指標分析橡膠的緩沖特征，結合橡膠的工程應用案例，最后得出了橡膠緩沖材料選型應用的結論。

1 常用工程橡膠及其特點

橡膠彈性具有回彈性好、阻尼高，能承受重復載荷的作用，是比較理想的緩沖和減振材料，適宜制作減振墊及緩沖器[8]。在受到沖擊時，橡膠材料將一部分動能轉換為橡膠的變形能，同時橡膠在變形時利用阻尼將動能變為熱能耗散。可選用硬度（剛度）適中、彈性適中、較高阻尼的橡膠制品以達到較好的緩沖吸能效果。

橡膠按類型可分為實心橡膠和發泡橡膠。結合橡膠的工程應用情況，實心橡膠中的天然橡膠、丁基橡膠以及高密度的微孔發泡橡膠均可以作為沖擊防護的緩沖材料。

1.1 天然橡膠

天然橡膠強度高、回彈性好，價格在橡膠中相對低廉。由天然橡膠制成的抗沖擊橡膠緩沖器已被用于電梯制動失靈時的廂體落地沖擊防護[9]。在 JB/T 8110.2—1999中，HX-2500型號可吸收的沖擊能量為25 kN·m，等效為約1 t重物從2.5 m跌落時的重力勢能。天然橡膠還常被制成沖擊臺的緩沖墊，可通過調整材料硬度（硬度與剛度基本對應）和厚度來延長沖擊作用時間，降低脈沖加速度峰值，起到緩沖削峰的作用[10]，如圖1所示。

1.2 丁基橡膠

與天然橡膠相比，丁基橡膠強度稍低，但阻尼很高（在通用橡膠制品中丁基橡膠的阻尼系數最大），成本更高。由于丁基橡膠特有的高阻尼特性（阻尼系數通常在0.5～0.6），所以在變形的同時可將動能轉化為熱能，起到“緩沖+吸能”的效果，從而進一步衰減沖擊峰值[11]。由丁基橡膠制造的高性能減振制品在航空航天、汽車制造等領域得到了廣泛的應用，有望應用于精密產品沖擊防護。

1.3 發泡橡膠

發泡橡膠（又稱為海綿橡膠）為均勻微孔結構的軟質泡沫材料，有較好的彈性，其性能優于泡沫塑料，但價格較昂貴，尚未廣泛應用[12]。經調研可知，發泡橡膠強度偏低，在工程中常用于質量較小的脆性物品緩沖防護，對于具有較大沖擊能量的產品，發泡橡膠的應用較少。

2 橡膠材料壓縮實驗

2.1 實驗方法

橡膠試樣由模壓成形工藝制造，試樣名義尺寸為φ40 mm×20 mm的圓柱體。根據以上三類橡膠應用于沖擊防護的常用配方選擇試樣材料：邵氏硬度為45°的天然橡膠、邵氏硬度為 45°的丁基橡膠以及0.5 g/cm3和 0.6 g/cm3的兩種密度的三元乙丙發泡橡膠，如圖2所示。每種橡膠的試樣數量為6個，平均分為2組，分別用于準靜態壓縮試驗和動態壓縮試驗。

試樣壓縮測試采用GB/T 7757—2009的方法，通過橡膠圓柱試樣的壓縮實驗可以直接測量得到材料的壓縮載荷-位移曲線，并通過式（1）—（3）轉換得到相應的名義應力、應變和應變率關系：

式中：σ為壓縮名義應力；ε為壓縮名義應變；ε˙為壓縮名義應變率；P為壓縮載荷；d為試樣初始直徑；Δl為試樣高度變化；Δi為試樣高度變化；l為試樣初始高度。

2.2 實驗過程

2.2.1 準靜態壓縮過程

準靜態壓縮實驗采用材料試驗機 AG-X-100kN完成。實驗的主要過程為：

1）將橡膠試樣放置于上下壓盤之間，采用有機硅進行潤滑。

2）每個試樣共進行壓縮應變為25%的3次預加載，再進行卸載，并讓試樣回彈5 min。如此重復壓縮和放松試驗3次，視為試驗機調節。

3）第4次壓縮為正式實驗，以10 mm/min的速度將試樣壓縮到至少70%應變，其整個壓縮過程試樣變形特征（以丁基橡膠為例）如圖3所示。

2.2.2 動態壓縮過程

動態壓縮實驗采用Instron高速拉壓試驗機完成，實驗主要過程為：

1）將橡膠試樣直接放置于上下壓盤之間，并采用有機硅進行潤滑。

2）使得橡膠材料的平均加載應變率控制在10 s－1，根據式（3），控制作動缸的速度為0.2 m/s；

3）將橡膠材料的壓縮量統一預設為15 mm，待壓縮至壓縮量后，試驗機快速卸載。

2.3 實驗結果

2.3.1 準靜態壓縮結果

當試樣被壓縮至70%應變時，上下端面的有機硅潤滑劑被擠出，試樣在端面約束效應的影響下會發生非均勻的超彈性變形，試樣側面與壓頭接觸，整個試樣呈現出餅狀特征。卸載后試樣基本能恢復原貌，試樣表面無宏觀壓縮損傷，厚度略有減小。

通過單軸壓縮加載，按式（1）和式（2）得到不同橡膠材料圓柱試樣的應力-應變曲線，如圖4所示。

對于天然橡膠、丁基橡膠和發泡橡膠，其不同試樣的靜態應力-應變曲線均具有很好的重合性。在上述應力-應變曲線的基礎上，通過算術平均和曲線擬合外推可以得到不同橡膠材料的平均壓縮應力-應變曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在相同應變量下，天然橡膠的應力大于丁基橡膠，并且兩種實心橡膠材料（天然橡膠和丁基橡膠）在相同應變量下的壓縮應力遠大于兩種發泡橡膠材料（發泡橡膠I和發泡橡膠II）。發泡橡膠密度越小，相同應變量下的壓縮應力就越小，橡膠材料壓縮應力-應變曲線隨著材料不同整體呈現出“右移”的趨勢。

在小變形階段，發泡橡膠材料中存在著孔洞/泡，材料體現出的宏觀彈性模量較低。隨著應變的逐漸增大，材料內的孔洞泡孔被壓實，使得材料變得致密，材料的彈性模量會快速增大。對于實心橡膠材料，由于不存在氣泡結構，所以在小變形階段，材料體現出的宏觀彈性模量較高。隨著壓縮應變的增加，材料會更快進入應力快速增加階段。

2.3.2 動態壓縮結果

四種橡膠在10 s-1應變率動態壓縮應力應變曲線如圖6所示。在相同的預設壓縮量下，加載結束時，四種橡膠材料的平均峰值應力：發泡橡膠I為4.17 MPa；發泡橡膠II為1.60 MPa；天然橡膠為37.50 MPa；丁基橡膠為29.26 MPa。兩種實心橡膠的峰值應力高于兩種發泡橡膠，其中天然橡膠峰值應力最高，發泡橡膠II峰值應力最低。

對比靜態和動態壓縮應力-應變曲線結果可知，由于橡膠存在黏性內阻，當加載速度增大時，材料內阻隨之增大。因此在相同應變下，動態壓縮應力值高于靜態壓縮應力，出現應變率硬化效應。在實驗中，兩種發泡橡膠測試結果分散性較大，尤其是發泡橡膠II，這與發泡橡膠材料分散性有關，可在后續研究中增加發泡橡膠壓縮試驗樣本數。

3 橡膠緩沖特性分析

3.1 緩沖特性表征方法

通過材料壓縮實驗可以得到橡膠的載荷-位移曲線與應力-應變曲線等，但該曲線不能直觀地將緩沖材料的緩沖特性表現出來。常用的緩沖特性表征方法包括緩沖吸能水平、緩沖系數[13]和吸能效率[14]等。

3.1.1 緩沖吸能水平

橡膠材料在受到外應力作用產生變形后，外力所作的功被轉化為勢能儲存起來，或轉化為熱能耗散掉。在一定應力下，壓縮應力-應變曲線下所包含的面積就是單位體積材料吸收的能量：

在相同應力水平或應變水平下，通過計算不同材料的單位體積應變能或應變能密度（即材料單位體積吸收的能量），可以用于評價相應材料的緩沖吸能水平。

3.1.2 緩沖系數

緩沖系數C定義為：某一給定的峰值應力Pσ與在此應力下緩沖材料可以吸收的能量W的比值，即：

通過計算緩沖結構的緩沖系數，也可以得出不同緩沖結構的緩沖特性。

3.1.3 吸能效率

對緩沖材料的吸能效率E定義為：緩沖材料所吸收的能量與對應應力之比，即：

對比式（5）和式（6）可知，在相同應力下，材料的緩沖系數E和吸能效率W互為倒數。與緩沖系數相比，吸能效率在表征材料的緩沖特性時與應力-應變曲線更直觀對應。對比式（4）和（6）可知，在相同應力下，緩沖吸能水平和吸能效率均可描述橡膠的緩沖特性。

3.2 橡膠緩沖特性分析對比

考慮到橡膠材料靜態壓縮數據一致性更高，并且靜動態壓縮的緩沖分析方法相同，文中以靜態壓縮結果分析不同橡膠的緩沖特性。

利用式（4）對 70%應變內不同橡膠材料的緩沖吸能特性 W進行表征，獲得材料吸能能力隨壓縮應變的變化規律，如圖7所示。

分析圖7可知，四種橡膠的吸能能力與其對應的應力-應變曲線關系一致。即在相同應變水平下，實心橡膠吸能能力遠大于發泡橡膠，且發泡橡膠密度越小，緩沖吸能的能力越弱。

在實際工程應用中，評價材料的緩沖吸能能力時，通常需關注緩沖材料所受到的最大應力，即吸能效率 E。按式（4）計算得到四種不同橡膠材料吸能能力隨壓縮應力的變化規律，如圖8所示。

由圖8可知，隨著壓縮應力的增加，四種不同橡膠材料的吸能能力大致可以分為三個區域：在區域1中（σ≤1 MPa），發泡橡膠材料的吸能能力大于實心橡膠材料；在區域2（1 MPa＜σ≤4.5 MPa）和區域3（σ＞4.5 MPa）中，發泡橡膠材料的吸能能力小于實心橡膠材料。在區域2中，四種橡膠材料的吸能能力從高到低依次為丁基橡膠、天然橡膠、發泡橡膠 II和發泡橡膠I。在區域3中，吸能能力從高到低依次為天然橡膠、丁基橡膠、發泡橡膠II和發泡橡膠I。

3.3 緩沖防護橡膠的選擇判據

在實際工程應用中，應當根據橡膠材料的真實受力狀態，選擇合適的橡膠作為緩沖材料。

1）當需要緩沖的沖擊能量較小，橡膠材料受到的應力較小時，發泡橡膠的吸能效率更高，該結論與發泡橡膠對輕質易脆產品防護的工程案例對應。

2）當需要緩沖的沖擊能量較大、橡膠材料受到的應力較大時，實心橡膠與發泡橡膠相比，吸能效率更高，因此重型工程機械廣泛采用天然橡膠作為緩沖材料。

3）與天然橡膠相比，丁基橡膠的壓縮吸能效率與天然橡膠接近，但丁基橡膠的阻尼更高，在變形回彈或形變周期內，其阻尼能夠耗散更多的沖擊能量，因此對于精密重型產品的沖擊防護，可優先選擇丁基橡膠作為緩沖材料。

4 結論

為研究適合產品沖擊防護的橡膠材料，選擇了工程中廣泛應用的橡膠配方試樣，基于準靜態和動態壓縮實驗，對比工程中常用橡膠的壓縮行為和緩沖特性，可得出以下結論：

1）不同橡膠材料的壓縮變形規律基本一致，橡膠材料壓縮應力-應變曲線整體呈現出“右移”的趨勢，即發泡密度越小，相同應變量下的壓縮應力就越小，實心橡膠材料在相同應變量下的壓縮應力遠大于發泡橡膠材料。

2）在相同應變水平下，實心橡膠的緩沖吸能能力明顯強于發泡橡膠，而在相同應力水平下，橡膠材料的緩沖吸能能力則與材料實際所處受力區域有關。在小應力范圍內（σ≤1 MPa），發泡橡膠的吸能能力更好，而在大應力范圍內（σ＞1 MPa），實心橡膠的吸能能力更強。在工程中選取橡膠緩沖材料時，應當考慮其所處的應力環境。對于其余硬度的實心橡膠和發泡橡膠可得出類似結論，但應力區間有所不同。

3）文中基于緩沖特性分析所得出的橡膠選擇判據與橡膠的工程實例吻合，該判據可作為產品沖擊防護結構中橡膠材料選擇的依據，也可推廣至同種橡膠在不同硬度下選擇的判據。

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