编织-嵌槽型金属橡胶在不同温度下的压缩性能

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(陆军工程大学石家庄校区车辆与电气工程系，石家庄 050003)

0 引 言

金属橡胶是一种由金属丝以螺旋卷的形式缠绕而成的非线性阻尼材料，既具有类似橡胶的优良弹性和阻尼特性，也具有类似金属的物理和力学等性能(如在真空中不挥发、不怕辐射、能够承受空间的高温和低温、疲劳寿命长等)[1]，广泛应用于极端环境下的隔振、密封及噪声控制等方面[2-6]。

技术的发展要求精密仪器中的隔振器具有更宽的隔振频带，以实现超低频隔振，这就需要大幅度降低金属橡胶的刚度；而金属橡胶的刚度受成型压力的影响较大。由于成型压力小，低刚度构件内部金属丝的勾连程度低、成型质量差；且其内部结构松散，在使用过程中容易发生二次成型，导致性能不稳定，寿命大幅度缩短。为了解决这些问题，军械工程学院金属橡胶工程中心设计并制备了编织-嵌槽型金属橡胶构件。编织-嵌槽型金属橡胶由金属丝网套经整形辊压、冷弯、剪裁(依据制备构件的质量)、卷缠毛坯、冷压成型、后期处理等工序制备而成。由于材料内含有大量螺旋结构且其内部金属丝网之间以嵌合方式连接，故编织-嵌槽型金属橡胶具有低刚度、低密度的特点，主要用于实现设备或重要机构的低频隔振。

近年来，一些学者对金属橡胶材料或其同类材料的高温力学性能进行了研究[7-10]；但是在已有研究中，金属橡胶材料的受力方式与其在实际工作环境(隔振器)中的受力方式存在差异[7-8]，且研究对象通常为安装有金属橡胶或其同类材料的隔振器[9-10]。目前，尚未见到对金属橡胶本身进行高温力学试验的研究报道。此外，虽然编织-嵌槽型金属橡胶的摩擦耗能机制与传统的金属橡胶一致，但由于工艺原因，其内部金属丝的排布形式与传统金属橡胶的存在实质性差别，其高温力学性能的变化情况尚未可知。为此，作者在高温环境下对编织-嵌槽型金属橡胶进行了静态及动态压缩试验，研究了温度对编织-嵌槽型金属橡胶刚度和阻尼的影响，拟为编织-嵌槽型金属橡胶在高温环境下的应用提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为环状编织-嵌槽型金属橡胶，由直径为0.15 mm的304不锈钢丝制备而成，外观如图1所示。所有试样的外形尺寸均为外径50 mm、内径10 mm、高度22 mm，密度分别为0.43，0.63 g·cm-3(记为Ⅰ，Ⅱ类试样)，成型压力分别为15，25 kN。试样均进行了350 ℃×30 min的回火处理，以消除残余应力。

图1 环状编织-嵌槽型金属橡胶的外观Fig.1 Appearance of ring-like knitted-dapped metal rubber

1.2 试验方法

使用配置有高温箱的WDW-T200型电子万能试验机对试样进行一次静态压缩加载、卸载试验，采用压盘直接接触形式，等位移控制模式，试验温度为常温(25 ℃)和高温(100，200，300 ℃)，下压速度为2 mm·min-1，最大载荷为试样成型压力的10%。使用配置有DH5936振动测试系统和高低温环境箱的PLS-20型动静万能试验机，采用位移控制方式对Ⅱ类试样进行动态压缩试验，试验温度为常温(25 ℃)和高温(100，200，300 ℃)，采用正弦位移激励，振幅分别为0.5，1.0，1.5，2.0 mm，频率分别为1，2，3，4 Hz。在动态压缩试验开始前对试样进行预压，预压量为7 mm。动态压缩试验系统如图2所示。

图2 动态压缩试验系统示意Fig.2 Schematic of dynamic compression testing system

在对动态压缩试验数据进行处理时，将预压量7 mm处定为位移的平衡位置，即位移为0，以试样压缩方向为位移正方向；将预压量为7 mm时试样所受的载荷定为0，以压缩载荷增加的方向为载荷正方向。金属橡胶材料的载荷-位移曲线所围成的面积等于其在一个振动周期内所耗散的能量，以此来表征其阻尼特性。

2 试验结果与讨论

2.1 静态压缩性能

由图3可以看出：Ⅰ类和Ⅱ类试样在100 ℃下的静态刚度明显低于在25 ℃下的，这是因为温度的升高会导致不锈钢丝弹性模量的降低；当温度高于100 ℃时，Ⅰ类和Ⅱ类试样的静态刚度随温度的升高而增大，且变形量越大，静态刚度随温度增长的幅度越大。在一定温度范围内，升高温度能增大奥氏体不锈钢的摩擦因数[11-13]，且压缩变形量的增大加大了试样内部不锈钢丝之间接触点的数量，导致不锈钢丝间的摩擦力增大；摩擦力增量对刚度的强化作用超过了升温对刚度的削弱作用，使得在100～300 ℃温度范围内试样的静态刚度呈增大的变化趋势。

对比图3(a)和图3(b)还可以看出：密度较小的Ⅰ类试样在300 ℃下的静态刚度从大到小按温度排序为300 ℃、25 ℃、200 ℃、100 ℃，密度较大的Ⅱ类试样的静态刚度从大到小按温度排序为300 ℃、200 ℃、25 ℃、100 ℃；当温度由100 ℃升至300 ℃时，密度较小的Ⅰ类试样的静态刚度增幅比密度较大Ⅱ类试样的高，即高温环境下Ⅰ类试样的静态刚度随温度升高的增大速率比Ⅱ类试样的快。这是因为较大密度试样内部不锈钢丝之间的接触点数量较多，试样内部的摩擦力增量也较大。

2.2 动态压缩性能

2.2.1 温度和振幅的影响

由图4可知：在相同振幅下，Ⅱ类试样的动态刚度随温度升高的变化规律与其静态刚度的相同，从大到小按温度排序为300 ℃、200 ℃、25 ℃、100 ℃，即随温度升先高减小后增大；同一温度下，随着振幅的增大，试样的动态刚度减小。

图3 不同温度下Ⅰ类和Ⅱ类试样的载荷-变形量曲线Fig.3 Load-deformation curves for specimen Ⅰ (a) and specimen Ⅱ (b) at different temperatures

图4 在不同温度，不同振幅、频率1 Hz正弦激励作用下Ⅱ类试样的载荷-位移曲线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

图5 不同温度下Ⅱ类试样在一个振动周期内所耗散的能量随振幅的变化曲线(频率1 Hz)Fig.5 Energy consumed by vibration in one cycle vs amplitude curves of specimen Ⅱ at different temperatures (frequency of 1 Hz)

由图5可知：在相同振幅下，Ⅱ类试样的阻尼随温度升高的变化规律与其刚度的变化规律一致，即先减小后增大，当温度为100 ℃时最小；在相同温度下，Ⅱ类试样的阻尼随振幅的增大而增加，这主要是由于振幅的增大使得试样内部不锈钢丝的滑动接触点增多，摩擦力增大，同时摩擦力的作用行程增大而导致的。

2.2.2 频率的影响

由图6和图7可知：在两种条件下，Ⅱ类试样的动态刚度均随频率的增大而小幅度降低，这是因为频率的增大加快了试样的应变变化，加剧了其迟滞特性(即应变的变化滞后于应力的)；当频率由1 Hz增至4 Hz时，常温下一个振动周期内耗散的能量依次为0.402 1，0.415 2，0.421 3，0.427 7 J，而300 ℃下的依次为0.828 0，0.825 5，0.832 4，0.831 2 J，试样的阻尼随频率的变化较小。

图6 在25 ℃，振幅1.5 mm、不同频率激励作用下Ⅱ类试样的载荷-位移曲线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

图7 在300 ℃，振幅2.0 mm、不同频率激励作用下Ⅱ类试样的载荷-位移曲线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 结 论

(1) 随温度的升高，编织-嵌槽型金属橡胶的静态刚度和动态刚度均先降低后增大；试样的密度越大或变形量越大(同一试样)时，其静态刚度受温度的影响越大。

(2) 随着频率的增大，不同温度下试样的动态刚度均略有降低，而阻尼变化不大。

(3) 在相同温度下，随着振幅的增大，试样的刚度减小，阻尼增大。