基于準(zhǔn)靜態(tài)的泡沫橡膠耗能性能實(shí)驗(yàn)研究

謝建軍， 胡文軍，2， 陶俊林

（1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備趨于高速、高效和自動(dòng)化，振動(dòng)引起的各種問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，因此新型材料的研究及應(yīng)用成為了減振研究的新領(lǐng)域。橡膠泡沫材料是由橡膠經(jīng)發(fā)泡而制成的一種韌性多孔高分子材料，具有壓縮變形大、壓縮永久變形低、耐老化性能較好、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在被壓實(shí)之前傳遞的力較小，具有很大的變形，是一種良好的減振緩沖材料[1]。泡沫橡膠隔振器各個(gè)方向均具有隔離振動(dòng)的性能，且可以根據(jù)實(shí)際需要，改變橡膠配方從而滿足在各個(gè)方向上的剛度要求。同時(shí)橡膠成型容易，能根據(jù)需要設(shè)計(jì)出各種形狀的隔振器[2]。因此，研究泡沫橡膠的減振性能具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于泡沫橡膠減振方面的研究處于初級(jí)階段，主要研究了泡沫橡膠靜態(tài)力學(xué)性能、準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能與動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能，得到了相同的結(jié)論，認(rèn)為泡沫橡膠與其他泡沫材料一樣，其壓縮過(guò)程可分為3個(gè)階段。通過(guò)動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，密度越小，泡沫橡膠的吸能能力更好。但采用動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)確定泡沫橡膠的耗能能力時(shí)，工作量和資金耗費(fèi)較大。因此，本文期望通過(guò)對(duì)不同密度泡沫橡膠的單軸壓縮加卸載實(shí)驗(yàn)來(lái)描述密度對(duì)泡沫橡膠耗能性能的影響。

1 試樣制作

本文所用實(shí)心橡膠和泡沫橡膠均為復(fù)合橡膠（由硅橡膠與丁基橡膠復(fù)合物經(jīng)硫化補(bǔ)強(qiáng)制備而成），其中實(shí)心橡膠密度為1.15g/cm3，泡沫橡膠的密度分別為 1.02，0.90，0.78，0.62，0.56 g/cm3，采用沖壓方式制作成圓柱形試樣，如圖1所示。由于采用標(biāo)準(zhǔn)沖壓方式成型，因而試樣直徑均為25.000 mm，厚度采用厚度計(jì)測(cè)量3次的平均值，試樣厚度及編號(hào)如表1所示。

圖1 不同密度的泡沫橡膠試樣

表1 不同密度泡沫橡膠試樣厚度值

2 實(shí)驗(yàn)條件及內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)采用INSTRON 1196型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)步驟參照GB 1684-1985《硫化橡膠短時(shí)間靜壓縮試驗(yàn)方法》執(zhí)行。加載速度為5 mm/min，實(shí)驗(yàn)溫度為23℃，溫度測(cè)量誤差為示值的±2.0%，載荷測(cè)量誤差為示值的±0.5%。單調(diào)加卸載3次，循環(huán)荷載取極限荷載的40%，如表2所示。

表2 不同密度泡沫橡膠試樣的循環(huán)荷載

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)密度為0.56g/cm3與0.62g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣變形很快恢復(fù)，試樣2個(gè)端面能恢復(fù)到壓縮前的形狀。對(duì)密度為0.78g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣中間出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，凹陷面積大致占總面積的1/2；密度為0.90g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣中間也出現(xiàn)類似的凹陷，凹陷面積大致占總面積的3/4；密度為1.02 g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣除去邊緣外的整個(gè)面都表現(xiàn)為凹陷。密度分別為0.78，0.90，1.02 g/cm3的泡沫橡膠所出現(xiàn)的凹陷部分，在卸載后，短時(shí)間內(nèi)能恢復(fù)部分變形，另外一部分為不可恢復(fù)的永久變形。對(duì)密度為1.15g/cm3的試樣壓縮卸載后，橡膠無(wú)凹陷現(xiàn)象。同時(shí)每個(gè)試樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都表現(xiàn)為試樣中間鼓出，不同密度試樣實(shí)驗(yàn)后圖片如圖2所示。

圖2 不同密度試樣實(shí)驗(yàn)后的變形圖

文獻(xiàn)[3]中對(duì)彈性泡沫材料模型的簡(jiǎn)化，如圖3所示，認(rèn)為閉孔泡沫材料在發(fā)泡過(guò)程中固體材料被拉伸而形成孔穴的棱邊，通常有4條孔穴的棱邊在1個(gè)頂點(diǎn)交匯，固體膜使孔壁封閉，表面張力作用將固體拉向孔穴的棱邊，形成一個(gè)粗棱架住的薄壁，密度越小，固體膜越薄。泡沫材料在壓縮過(guò)程中，孔穴棱邊可以彎曲、延伸或者收縮，而形成孔面的膜發(fā)生延展。泡沫橡膠密度為0.56g/cm3與0.62g/cm3時(shí)，泡沫橡膠泡沫體的孔壁較薄，壓縮過(guò)程中，泡孔壁極易破裂，使得泡體中的空氣迅速排除，出現(xiàn)下凹現(xiàn)象；卸載后空氣迅速回流，使泡沫橡膠變形能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，具有非常好的彈性，在實(shí)驗(yàn)完成后變?yōu)闊o(wú)下凹現(xiàn)象。 泡沫橡膠密度為 0.78，0.90，1.02，1.15 g/cm3時(shí)，隨著密度的增大，泡沫體孔壁厚度逐漸增加，壓縮時(shí)孔壁破裂的數(shù)量逐漸減少，部分破裂泡沫體中的空氣在壓力作用下排除，形成凹陷現(xiàn)象，未破裂的泡沫體在卸載后阻礙空氣迅速回流至泡沫體中，隨著密度的增大，未破裂的泡沫體數(shù)量增多，對(duì)空氣回流氣體的阻礙作用增大。因此隨著密度的增加，凹陷面積增大，變形恢復(fù)緩慢。

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖4為實(shí)體橡膠與5種泡沫橡膠的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[4-7]結(jié)果類似，壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在3個(gè)差別較大的區(qū)域，如圖5所示。

圖3 閉孔泡沫材料的變形機(jī)制

（1）線彈性區(qū)。試件在受載初期基本上處于線彈性階段及較小的應(yīng)力水平下，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性變化，在這一階段，主要通過(guò)泡孔壁的彈性變形吸收能量。

圖4 不同密度下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 泡沫橡膠應(yīng)力-應(yīng)變的3個(gè)區(qū)域

（2）平臺(tái)區(qū)。隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力基本處于同一水平，沒(méi)有明顯的變化，此階段主要通過(guò)泡孔壁發(fā)生屈曲來(lái)吸收能量。

（3）致密化區(qū)。在較高的應(yīng)力水平下，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而急劇上升，泡孔大量塌陷致使泡孔壁的相互接觸，導(dǎo)致發(fā)泡基體材料的變形來(lái)吸收能量。

從圖4可以看出，隨著密度的減小，壓縮平臺(tái)區(qū)變長(zhǎng)。表明在平臺(tái)區(qū)應(yīng)力不變的情況下，密度越小，產(chǎn)生的變形越大，泡沫橡膠吸收的能力越多，減振緩沖性能更加優(yōu)越；但密度越小，平臺(tái)區(qū)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力越小，對(duì)于荷載較大時(shí)，荷載引起的應(yīng)力往往大于平臺(tái)區(qū)應(yīng)力，引起孔穴的塌陷，不能起到較好的減振緩沖作用。因此，需要選擇合適的密度。

從圖4中可以看出，各種密度橡膠致密化區(qū)域近似于直線，因此對(duì)各種密度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線上致密化區(qū)進(jìn)行線性擬合，得到直線斜率，如表3所示。由表3可知，隨著密度的增大，泡沫橡膠應(yīng)力應(yīng)變曲線上致密化區(qū)域的斜率增大，即塌陷速率增大。

表3 不同密度橡膠應(yīng)力應(yīng)變曲線上致密化區(qū)域的斜率

3.3 耗能性能分析

阻尼是材料的一種固有特性，它能夠?qū)⒉牧系臋C(jī)械振動(dòng)能量通過(guò)內(nèi)部機(jī)制不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ㄍǔＪ菬崮埽?。因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)能的耗散是通過(guò)內(nèi)部機(jī)制來(lái)完成的。如對(duì)材料施加一周期性的應(yīng)力，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線為一閉合回線，回線的面積即為單位體積材料的能量損耗[8-9]，單位材料吸能能力通常表示為

式中：W——材料的吸能能力；

σ1——試樣加載時(shí)所承受的應(yīng)力；

σ2——試樣卸載時(shí)所承受的應(yīng)力；

ε——試樣產(chǎn)生的應(yīng)變；

ε0——開(kāi)始卸載時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

圖6和圖7分別為6種橡膠的滯回環(huán)，滯回面積如表4所示。可以看出，密度為0.56 g/cm3的泡沫橡膠的滯回面積比0.62 g/cm3大，耗能能力稍大；密度為0.78g/cm3的泡沫橡膠的滯回面積比0.90g/cm3大；密度為1.02 g/cm3的泡沫橡膠的滯回面積比1.15 g/cm3大。通過(guò)分析，可認(rèn)為在同等加載條件下，本次實(shí)驗(yàn)中6種不同的泡沫橡膠，密度越小，泡沫橡膠的耗能能力越好，減振性能更加優(yōu)越。

圖6 真應(yīng)力應(yīng)變曲線（ρ=0.56，0.62，0.78g/cm3）

圖7 真應(yīng)力應(yīng)變曲線（ρ=0.90，1.02，1.15g/cm3）

表4 不同密度泡沫試樣的滯回面積

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)6種密度的泡沫橡膠進(jìn)行壓縮加載卸載實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析泡沫橡膠的壓縮力學(xué)性能與阻尼性能，得到如下結(jié)論：

（1）隨著密度的增大，卸載后試樣凹陷面積增大，變形恢復(fù)緩慢，且出現(xiàn)永久變形；實(shí)心橡膠無(wú)凹陷現(xiàn)象。

（2）隨著泡沫橡膠密度的增大，壓縮平臺(tái)區(qū)變短，塌陷速率加快。

（3）在同等加載條件下，隨著密度的越小，泡沫橡膠的減振性能更加優(yōu)越。

[1]胡時(shí)勝，劉劍飛，王正道，等.低密度多孔介質(zhì)的緩沖和減振[J].振動(dòng)與沖擊，1999，18（2）：39-42.

[2]呂玉恒，王庭佛.噪聲與振動(dòng)控制設(shè)備及材料選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]Gibson L J，Ashby M F.多孔固體結(jié)構(gòu)與性能[M].2版.劉培生，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]Kinney J H， Haupt D L， LeMay J D.Three-dimensional，nondestructive imaging of low density materials[R].UCRL2JC2136278，1999.

[5]Kinney K，Marshall G W，Marshall S J，et al.Threedimensional imaging of large compressive deformations in elasto meric foams[J].Journal of Poly Science，2001（80）：1746-1755.

[6]胡文軍，陳宏，張凱，等.孔隙度對(duì)開(kāi)孔硅橡膠泡沫材料性能的影響[J].橡膠工業(yè)，1998（11）：647-651.

[7]張長(zhǎng)生，羅世凱，石耀剛，等.混合型泡孔結(jié)構(gòu)硅泡沫的制備與壓縮性能[J].機(jī)械工程材料，2010（9）：34-36.

[8]方前鋒，朱震剛，葛庭燧.高阻尼材料的阻尼機(jī)理及性能評(píng)估[J].物理，2000，29（9）：541-545.

[9]王冬梅，羅陳，劉映平.多孔材料緩沖吸能特征表征方法[J].功能材料，2007（38）：3853-3855.