編織-嵌槽型金屬橡膠在不同溫度下的壓縮性能

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(陸軍工程大學石家莊校區車輛與電氣工程系，石家莊 050003)

0 引 言

金屬橡膠是一種由金屬絲以螺旋卷的形式纏繞而成的非線性阻尼材料，既具有類似橡膠的優良彈性和阻尼特性，也具有類似金屬的物理和力學等性能(如在真空中不揮發、不怕輻射、能夠承受空間的高溫和低溫、疲勞壽命長等)[1]，廣泛應用于極端環境下的隔振、密封及噪聲控制等方面[2-6]。

技術的發展要求精密儀器中的隔振器具有更寬的隔振頻帶，以實現超低頻隔振，這就需要大幅度降低金屬橡膠的剛度；而金屬橡膠的剛度受成型壓力的影響較大。由于成型壓力小，低剛度構件內部金屬絲的勾連程度低、成型質量差；且其內部結構松散，在使用過程中容易發生二次成型，導致性能不穩定，壽命大幅度縮短。為了解決這些問題，軍械工程學院金屬橡膠工程中心設計并制備了編織-嵌槽型金屬橡膠構件。編織-嵌槽型金屬橡膠由金屬絲網套經整形輥壓、冷彎、剪裁(依據制備構件的質量)、卷纏毛坯、冷壓成型、后期處理等工序制備而成。由于材料內含有大量螺旋結構且其內部金屬絲網之間以嵌合方式連接，故編織-嵌槽型金屬橡膠具有低剛度、低密度的特點，主要用于實現設備或重要機構的低頻隔振。

近年來，一些學者對金屬橡膠材料或其同類材料的高溫力學性能進行了研究[7-10]；但是在已有研究中，金屬橡膠材料的受力方式與其在實際工作環境(隔振器)中的受力方式存在差異[7-8]，且研究對象通常為安裝有金屬橡膠或其同類材料的隔振器[9-10]。目前，尚未見到對金屬橡膠本身進行高溫力學試驗的研究報道。此外，雖然編織-嵌槽型金屬橡膠的摩擦耗能機制與傳統的金屬橡膠一致，但由于工藝原因，其內部金屬絲的排布形式與傳統金屬橡膠的存在實質性差別，其高溫力學性能的變化情況尚未可知。為此，作者在高溫環境下對編織-嵌槽型金屬橡膠進行了靜態及動態壓縮試驗，研究了溫度對編織-嵌槽型金屬橡膠剛度和阻尼的影響，擬為編織-嵌槽型金屬橡膠在高溫環境下的應用提供試驗依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為環狀編織-嵌槽型金屬橡膠，由直徑為0.15 mm的304不銹鋼絲制備而成，外觀如圖1所示。所有試樣的外形尺寸均為外徑50 mm、內徑10 mm、高度22 mm，密度分別為0.43，0.63 g·cm-3(記為Ⅰ，Ⅱ類試樣)，成型壓力分別為15，25 kN。試樣均進行了350 ℃×30 min的回火處理，以消除殘余應力。

圖1 環狀編織-嵌槽型金屬橡膠的外觀Fig.1 Appearance of ring-like knitted-dapped metal rubber

1.2 試驗方法

使用配置有高溫箱的WDW-T200型電子萬能試驗機對試樣進行一次靜態壓縮加載、卸載試驗，采用壓盤直接接觸形式，等位移控制模式，試驗溫度為常溫(25 ℃)和高溫(100，200，300 ℃)，下壓速度為2 mm·min-1，最大載荷為試樣成型壓力的10%。使用配置有DH5936振動測試系統和高低溫環境箱的PLS-20型動靜萬能試驗機，采用位移控制方式對Ⅱ類試樣進行動態壓縮試驗，試驗溫度為常溫(25 ℃)和高溫(100，200，300 ℃)，采用正弦位移激勵，振幅分別為0.5，1.0，1.5，2.0 mm，頻率分別為1，2，3，4 Hz。在動態壓縮試驗開始前對試樣進行預壓，預壓量為7 mm。動態壓縮試驗系統如圖2所示。

圖2 動態壓縮試驗系統示意Fig.2 Schematic of dynamic compression testing system

在對動態壓縮試驗數據進行處理時，將預壓量7 mm處定為位移的平衡位置，即位移為0，以試樣壓縮方向為位移正方向；將預壓量為7 mm時試樣所受的載荷定為0，以壓縮載荷增加的方向為載荷正方向。金屬橡膠材料的載荷-位移曲線所圍成的面積等于其在一個振動周期內所耗散的能量，以此來表征其阻尼特性。

2 試驗結果與討論

2.1 靜態壓縮性能

由圖3可以看出：Ⅰ類和Ⅱ類試樣在100 ℃下的靜態剛度明顯低于在25 ℃下的，這是因為溫度的升高會導致不銹鋼絲彈性模量的降低；當溫度高于100 ℃時，Ⅰ類和Ⅱ類試樣的靜態剛度隨溫度的升高而增大，且變形量越大，靜態剛度隨溫度增長的幅度越大。在一定溫度范圍內，升高溫度能增大奧氏體不銹鋼的摩擦因數[11-13]，且壓縮變形量的增大加大了試樣內部不銹鋼絲之間接觸點的數量，導致不銹鋼絲間的摩擦力增大；摩擦力增量對剛度的強化作用超過了升溫對剛度的削弱作用，使得在100～300 ℃溫度范圍內試樣的靜態剛度呈增大的變化趨勢。

對比圖3(a)和圖3(b)還可以看出：密度較小的Ⅰ類試樣在300 ℃下的靜態剛度從大到小按溫度排序為300 ℃、25 ℃、200 ℃、100 ℃，密度較大的Ⅱ類試樣的靜態剛度從大到小按溫度排序為300 ℃、200 ℃、25 ℃、100 ℃；當溫度由100 ℃升至300 ℃時，密度較小的Ⅰ類試樣的靜態剛度增幅比密度較大Ⅱ類試樣的高，即高溫環境下Ⅰ類試樣的靜態剛度隨溫度升高的增大速率比Ⅱ類試樣的快。這是因為較大密度試樣內部不銹鋼絲之間的接觸點數量較多，試樣內部的摩擦力增量也較大。

2.2 動態壓縮性能

2.2.1 溫度和振幅的影響

由圖4可知：在相同振幅下，Ⅱ類試樣的動態剛度隨溫度升高的變化規律與其靜態剛度的相同，從大到小按溫度排序為300 ℃、200 ℃、25 ℃、100 ℃，即隨溫度升先高減小后增大；同一溫度下，隨著振幅的增大，試樣的動態剛度減小。

圖3 不同溫度下Ⅰ類和Ⅱ類試樣的載荷-變形量曲線Fig.3 Load-deformation curves for specimen Ⅰ (a) and specimen Ⅱ (b) at different temperatures

圖4 在不同溫度，不同振幅、頻率1 Hz正弦激勵作用下Ⅱ類試樣的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves for specimen Ⅱ under sinusoidal excitation with different amplitudes (a-d) at frequency of 1 Hz and at different temperatures

圖5 不同溫度下Ⅱ類試樣在一個振動周期內所耗散的能量隨振幅的變化曲線(頻率1 Hz)Fig.5 Energy consumed by vibration in one cycle vs amplitude curves of specimen Ⅱ at different temperatures (frequency of 1 Hz)

由圖5可知：在相同振幅下，Ⅱ類試樣的阻尼隨溫度升高的變化規律與其剛度的變化規律一致，即先減小后增大，當溫度為100 ℃時最小；在相同溫度下，Ⅱ類試樣的阻尼隨振幅的增大而增加，這主要是由于振幅的增大使得試樣內部不銹鋼絲的滑動接觸點增多，摩擦力增大，同時摩擦力的作用行程增大而導致的。

2.2.2 頻率的影響

由圖6和圖7可知：在兩種條件下，Ⅱ類試樣的動態剛度均隨頻率的增大而小幅度降低，這是因為頻率的增大加快了試樣的應變變化，加劇了其遲滯特性(即應變的變化滯后于應力的)；當頻率由1 Hz增至4 Hz時，常溫下一個振動周期內耗散的能量依次為0.402 1，0.415 2，0.421 3，0.427 7 J，而300 ℃下的依次為0.828 0，0.825 5，0.832 4，0.831 2 J，試樣的阻尼隨頻率的變化較小。

圖6 在25 ℃，振幅1.5 mm、不同頻率激勵作用下Ⅱ類試樣的載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves for specimen Ⅱ under sinusoidal excitation with 1.5 mm amplitude at different frequencies and at 25 ℃:(a) load-displacement curves; (b) magnification of curves near the amplitude valley and (c) magnification of curves near the amplitude peak

圖7 在300 ℃，振幅2.0 mm、不同頻率激勵作用下Ⅱ類試樣的載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves for specimen Ⅱ under sinusoidal excitation with 2.0 mm amplitude at different frequencies and at 300 ℃:(a) load-displacement curves; (b) magnification of curves near the amplitude valley and (c) magnification of curves near the amplitude peak

3 結 論

(1) 隨溫度的升高，編織-嵌槽型金屬橡膠的靜態剛度和動態剛度均先降低后增大；試樣的密度越大或變形量越大(同一試樣)時，其靜態剛度受溫度的影響越大。

(2) 隨著頻率的增大，不同溫度下試樣的動態剛度均略有降低，而阻尼變化不大。

(3) 在相同溫度下，隨著振幅的增大，試樣的剛度減小，阻尼增大。