金屬橡膠材料的研究綜述

幸華超，樊文欣

(1. 中北大學機電工程學院，山西太原030051;2. 中北大學機械工程與自動化學院，山西太原030051)

1 金屬橡膠與傳統(tǒng)橡膠

橡膠是提取橡膠樹、橡膠草等植物的膠乳，加工后制成的具有彈性、絕緣性、不透水和空氣的材料，具有高彈性的高分子化合物。橡膠制品在加工、貯存和使用過程中，由于受內外因素的綜合作用而引起橡膠物理化學性質和機械性能的逐步變壞，最后喪失使用價值，這種變化叫做橡膠老化。同時，天然橡膠耐濃硫酸、耐油、耐溶劑性能都較差;丁腈橡膠不耐臭氧;氯丁橡膠在低溫時變硬，貯存穩(wěn)定性差等，表明不同的橡膠均有其缺陷［1-2］。

金屬橡膠材料以金屬絲為原材料，不含有任何普通橡膠，但卻具有橡膠一樣的彈性和多孔性，特別適合于解決高低溫、大溫差、高壓、高真空、強輻射、劇烈振動及腐蝕等環(huán)境下的阻尼減振、過濾、密封、節(jié)流及吸音降噪等疑難問題，可以根據不同工況需要制備出各種結構形狀，選擇不同的金屬還可以在腐蝕環(huán)境中工作，不產生老化現(xiàn)象［3］。

因此，對比傳統(tǒng)橡膠，金屬橡膠不僅可以在上述苛刻的環(huán)境下工作，并且在該環(huán)境下仍然能保持十分優(yōu)良的性質。

2 金屬橡膠的制造工藝

金屬橡膠材料是一種均質的彈性多孔物質，它是用一定的方法將質量配好的、拉伸開的、螺旋狀態(tài)的金屬絲堆放在模具中，然后經泠沖壓工藝成型。其主要制造工藝流程如下［4］:

(1)選擇金屬絲

制造金屬橡膠的原材料為各種牌號的細的金屬絲，絲線牌號由金屬橡膠工作條件、溫度狀況、侵蝕性介質的存在情況、載荷特性等決定。合理地選擇絲線的牌號在制造金屬橡膠元件過程中處于重要地位。絲線的直徑取決于制品的尺寸及所要求的機械強度性能。多數實際條件下使用直徑為0.3 mm 的絲線。

(2)繞制螺旋卷

螺旋卷為制造金屬橡膠件的基本單元，直接影響到產品的最終性能，螺旋卷是金屬絲在凸輪和圓輥輾或在條式線軸上纏繞而成。螺旋卷直徑由元件的彈性及阻尼特性決定，該直徑一般在0.2 ～2 mm 內。

(3)毛坯成型

手工拉伸或使螺旋卷穿過校準孔，使螺旋卷的螺距與直徑相等排列鋪放，形成壓制的毛坯。

(4)加壓

將毛坯放在模具中，在10 ～500 MPa 的壓力作用下壓制成型，以達到元件的形狀和尺寸。

(5)后期處理

金屬橡膠后期處理主要取決于工作環(huán)境和特殊使用性能。

總的來說，相對俄羅斯、美國等發(fā)達國家，目前我國在金屬橡膠制造工藝處于初步階段，機械化程度低，主要工藝參數依靠經驗積累，產品穩(wěn)定性不高。在優(yōu)化改進金屬橡膠的制造工藝上還有大量的工作要做。

3 金屬橡膠的性能研究進展

金屬橡膠是一種新型的阻尼材料，它的內部結構是金屬絲相互交錯勾連形成的類似橡膠高分子結構那樣的空間網狀結構。因為其本身是金屬而非橡膠，故金屬橡膠具有其特殊的性能，包括力學、阻尼、隔振、吸音降噪、過濾等性能。姜洪源、王少純等研究了金屬橡膠的力學性能［5-6］，認為當外界載荷與其成型壓力方向相同時，金屬橡膠元件體積減小，其內部接觸點數量迅速增加，剛度急劇增大;當金屬橡膠材料的受載方向與其成型壓力方向垂直時，金屬橡膠元件的體積幾乎不發(fā)生變化，其內部接觸點的數目發(fā)生線性變化，接觸點間的距離近似不變，所以其滯遲回線近似線性變化。由于隨著壓縮變形程度增大，金屬橡膠各不銹鋼絲之間的正壓力和接觸面積都隨之增大，故絲與絲之間的摩擦力也增大，由此導致試件抗壓能力增大，表現(xiàn)出硬剛度特性。硬剛度特性的阻尼元件剛好適合于隔離大載荷的沖擊振動。當然溫度越高，金屬絲的強度和剛度會有不同程度的下降，但下降幅度沒有摩擦因數的上升幅度大，所以金屬橡膠試件宏觀上表現(xiàn)出剛度增大現(xiàn)象。

北京航空航天大學的周易等學者做了金屬橡膠在阻尼方面的研究［7］。他們認為當安裝緊度逐漸增大時，金屬橡膠內部金屬絲之間的相互擠壓作用加強，系統(tǒng)的傳遞率逐漸增大，阻尼比減小，共振頻率增大，說明此時剛度增加了;隨著外加負載的增加，系統(tǒng)的剛度和阻尼都發(fā)生了變化，其共振頻率減小，即剛度減小了，而阻尼增加了。與負載不變，激勵加速度增大時的情況有著類似的規(guī)律。隨著激勵力的增加，系統(tǒng)的共振頻率減小，即剛度減小了，而阻尼增加了。說明金屬橡膠具有軟特性，并且對大的振動有較好的減振效果。

辛士勇、赫振東等研究了金屬橡膠在隔振性能的研究［8-9］。隨著振動幅值的增大，金屬橡膠隔振器遲滯曲線所圍成的面積越來越大，表明金屬橡膠隔振器在振動中隨著振動幅值的增大，其消耗的能量也隨著增大，其隔振特性逐步增強。動態(tài)下隨機激勵下的金屬橡膠隔振系統(tǒng)，隨著試驗量級的增加，隔振效率越來越高;隨著相對密度及預變形的增加，系統(tǒng)一階固有頻率增大，即系統(tǒng)剛度變大。靜態(tài)下的金屬橡膠隔振器，隨著變形的增大，力與變形幅值的關系呈線性—軟特性—硬特性變化特點，阻尼特性呈下降趨勢。

姜洪源、李一峰、奚延輝等學者在金屬橡膠吸聲降噪方面做了一些工作［10-12］。隨著金屬橡膠厚度的增加，提高了低頻吸聲系數，且中高頻吸聲效果也有所改善。在低頻處隨著厚度的增加，材料的聲容增大，也就是材料的彈性增加。故加大材料厚度，增加空腔可改進金屬橡膠低頻吸收。減小金屬橡膠孔隙率可提高低頻吸收，但過高或過低的孔隙率不利于中高頻的吸收。隨著孔隙率的減小，材料的聲阻增大，也就是材料的流阻增大?？刂撇牧狭髯瑁蛊溆羞m當的聲阻，可以提高金屬橡膠的吸聲系數。隨著金屬絲直徑的增加，金屬橡膠在整個吸聲頻帶的吸聲系數都減小。隨著金屬絲直徑的增加，材料的聲阻有所減小?？赏ㄟ^改變材料的孔隙率，以提高大金屬絲直徑的吸聲系數。當孔隙率較大時，由于材料流阻較小，即聲波通過材料的耗損較小，將使吸聲效果明顯降低;當孔隙率較小時，由于材料的流阻過大，不利于聲波完全傳入材料內部，即聲能量吸收較少，故吸聲效果也會大大降低。

軍械工程學院的侯軍芳等學者研究了金屬橡膠在過濾方面的性能［13］。他們認為增加試件長度、減小金屬絲直徑和孔隙度有利于提高過濾精度，但孔隙度過小會導致流體阻力大幅上升，且試件長度對過濾效果的影響也受孔隙度的限制，當孔隙度較小時，試件長度對過濾精度的影響明顯減少。

4 目前尚存問題及展望

金屬橡膠具有阻尼性能好、環(huán)境適應能力強、可用于復雜載荷工況、使用壽命長、結構與性能可設計等諸多優(yōu)點，在減振、隔振、密封、過濾、節(jié)流等方面取得了良好的應用效果。金屬橡膠超越傳統(tǒng)材料而具備的優(yōu)越性能日益受到我國研究機構的重視，我國對金屬橡膠的研究起步較晚，同時西方發(fā)達國家對于金屬橡膠材料的研究尚處于技術封鎖階段。因此，我國在金屬橡膠材料處于初級水平。國內僅有幾所高校從不同角度對金屬橡膠技術進行研究，對金屬橡膠材料的認識還存在很多不足，主要表現(xiàn)在兩個方面:(1)缺乏從材料學的角度進行深入系統(tǒng)的研究;(2)金屬橡膠成品制備的主要工藝尚需手工完成，工藝參數依靠經驗積累。

【1】王惠君，王文泉，楊子賢，等. 橡膠綜述［J］. 安徽農業(yè)科學，2006，34(13):3049-3052.

【2】邢民.2009 年天然橡膠市場綜述［J］. 中國橡膠，2010，26(4):1-4.

【3】肖然，樊文欣，李文亮.金屬絲網塊成型工藝研究［J］.機械制造研究，2009，38(3):97-99.

【4】姜洪源.金屬橡膠成型工藝研究及其應用［J］. 機械設計與制造，2001:85-86.

【5】姜洪源，敖宏瑞，夏宇宏，等. 航空發(fā)動機用金屬橡膠隔振器動靜態(tài)性能的研究［J］.航空學報，2004，25(2):140-142.

【6】王少純，鄧宗全，高海波，等. 月球著陸器用金屬橡膠高低溫力學性能試驗研究［J］.航空材料學報，2004，24(2):27 -31.

【7】周易，張虎，徐惠彬.金屬橡膠阻尼元件的性能研究［J］.科技技術與工程，2004，4(5):391 -393.

【8】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.

【9】赫振東.金屬橡膠隔振器隨機振動性能分析及試驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009.

【10】姜洪源，武國啟，閆輝，等.金屬橡膠吸聲降噪性能分析及試驗研究［J］.機械科學與技術，2007，26(4):403-407.

【11】李一峰，洪杰，馬艷紅. 基于Johnson-Allard 模型的金屬橡膠材料吸聲性能研究［J］.江蘇航空，2010(S1):164 -167.

【12】奚延輝，陳天寧.金屬橡膠材料吸聲性能的實驗研究［J］.機械科學與技術，2008，27(12):1673-1677.

【13】侯軍芳，白鴻柏，劉英杰，等.新型金屬橡膠孔隙材料過濾機制與性能研究［J］.潤滑與密封，2006(4):109 -112.