金屬絲網(wǎng)與金屬橡膠材料的壓縮特性對(duì)比研究

董萬(wàn)元，楊 利，師永寧

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 航空噪聲與振動(dòng)強(qiáng)度航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065）

金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊都屬于多孔彈性金屬構(gòu)件，是將金屬材料拉伸成金屬絲，然后把金屬絲按照一定規(guī)則纏繞到軸上并填充于模腔，經(jīng)模具冷沖壓成型。其內(nèi)部金屬絲之間相互擠壓、勾連、纏繞、層疊在一起，當(dāng)受到振動(dòng)沖擊載荷時(shí)，金屬絲之間相對(duì)滑移產(chǎn)生干摩擦力，從而耗散振動(dòng)能量，起到減振、緩沖的作用[1]。多孔彈性金屬材料不僅具有普通橡膠材料的減振能力，由于其自身結(jié)構(gòu)是金屬材料，承載能力強(qiáng)且能夠適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境。它由金屬絲材料制成，加工方便、成本較低，可以制備成多種形狀，因而在航空、航天、船舶等設(shè)備的密封、過(guò)濾、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝以及其他隔振緩沖領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)多孔彈簧金屬材料進(jìn)行了大量的研究，俄羅斯薩瑪拉國(guó)立航空航天大學(xué)的學(xué)者們對(duì)金屬橡膠材料進(jìn)行了物理模型和加工工藝的研究[1]，美國(guó)通用電氣全球研究中心的Bugra H.Ertas等對(duì)由金屬絲網(wǎng)材料組成的混合柔性軸承的力學(xué)特性和無(wú)油金屬絲網(wǎng)阻尼器的非線性動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了研究[2-4]，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的S.A.Billings 等對(duì)金屬橡膠材料的本構(gòu)模型進(jìn)行了研究[5]。我國(guó)對(duì)多孔彈性金屬材料的研究起步較晚，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始才得到關(guān)注。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李中郢[6]等研究了不同密度金屬橡膠墊組合的剛度特性，哈爾濱工程大學(xué)的鄒廣平[7-10]等研究了金屬絲網(wǎng)材料的動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)性能及其本構(gòu)關(guān)系，西安工業(yè)大學(xué)的李宇燕[11]等研究了金屬橡膠材料的承載面積與本構(gòu)模型的關(guān)系，軍械工程學(xué)院的白鴻柏[12]等研究了金屬橡膠材料的疲勞損傷特性，華北電力大學(xué)的陳宏霞[13]等研究了超潤(rùn)性金屬絲網(wǎng)材料的制備工藝。但是當(dāng)前學(xué)者并未對(duì)金屬絲網(wǎng)材料和金屬橡膠材料進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分，其實(shí)這兩種材料存在很大的差異，無(wú)論是加工工藝還是細(xì)觀特征都有很多不同之處，筆者查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)于金屬絲網(wǎng)和金屬橡膠材料力學(xué)性能差異性的研究鮮有報(bào)道。

鑒于此，本文從加工工藝出發(fā)分析金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊的細(xì)觀特征存在的區(qū)別；并對(duì)不同密度的金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究2 種材料的靜態(tài)壓縮力學(xué)特性、承載能力以及能量耗散特性；最后從細(xì)觀上分析這2 種材料在壓縮力學(xué)性能、承載能力和能量耗散特性方面產(chǎn)生差異的原因，從而為這兩種材料在減振降噪領(lǐng)域的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)與理論基礎(chǔ)。

1 金屬絲網(wǎng)墊與金屬橡膠墊對(duì)比分析

金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊材料都屬于彈性多孔結(jié)構(gòu)材料，但是從制備工藝及結(jié)構(gòu)細(xì)觀特征上來(lái)說(shuō)仍然有很多不同之處值得深入探討。從制備工藝分析，金屬絲網(wǎng)墊由網(wǎng)狀金屬絲壓制而成，而金屬橡膠墊則由螺旋彈簧狀金屬絲壓制而成，金屬絲網(wǎng)材料和螺旋彈簧狀金屬絲材料見(jiàn)圖1。

圖1 金屬絲材料

金屬絲網(wǎng)墊由金屬絲按照一定規(guī)則編織成圓筒形網(wǎng)套，再將此網(wǎng)套纏繞到軸上并填充于模腔，經(jīng)模具冷沖壓成型；而金屬橡膠墊是由金屬絲按照一定中徑繞制成節(jié)距為金屬絲直徑的螺旋彈簧狀金屬絲，然后將此螺旋彈簧狀金屬絲拉伸至等節(jié)距狀態(tài)，再將拉伸過(guò)的螺旋彈簧狀金屬絲按照特定規(guī)則均勻地纏繞到軸上并填充于模腔，經(jīng)模具冷沖壓成型。

圖2 金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊對(duì)比圖

從結(jié)構(gòu)細(xì)觀特征分析，雖然它們都是具有多孔結(jié)構(gòu)特征的彈性金屬構(gòu)件，圖2即為相同密度的金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊的軸向和徑向結(jié)構(gòu)對(duì)比圖，很顯然其細(xì)觀特征有很大的區(qū)別。金屬絲網(wǎng)墊的金屬絲之間交叉鋪成網(wǎng)狀，由網(wǎng)狀層堆疊成型；而金屬橡膠墊的絲與絲之間相互勾連，組織錯(cuò)綜交叉、咬合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此金屬橡膠減振墊的軸向和徑向都較均勻地串連成一體，具有高分子材料的特性，因而命名金屬橡膠。

從軸向面看，金屬絲網(wǎng)墊的金屬絲之間相互纏繞成一連串∞型沿環(huán)向分布；而金屬橡膠墊的金屬絲之間相互纏繞成短鋼絲繩狀，再沿徑向延伸，并成輻射狀分布，相鄰之間還伴隨有狹小的溝縫。從徑向面看，金屬絲網(wǎng)墊的多數(shù)金屬絲成橫向S型線，沿環(huán)向?qū)盈B分布；而金屬橡膠墊的金屬絲之間折彎成小圓頭，無(wú)序排列分布。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣件

本研究以空心圓柱形金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊作為試驗(yàn)件，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊結(jié)構(gòu)如見(jiàn)圖3。金屬絲網(wǎng)墊是由絲徑為0.2 mm的金屬絲編織成直徑為30 mm的網(wǎng)筒，經(jīng)模具冷壓成空心圓柱形；金屬橡膠墊是由絲徑為0.2 mm 的金屬絲繞制成中徑為1.5 mm 的螺旋彈簧絲，經(jīng)模具冷壓成空心圓柱形。試驗(yàn)件加工時(shí)采用相同的成型壓力，金屬絲材料均為不銹鋼06Cr19Ni10，試驗(yàn)所用的試驗(yàn)件參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照壓縮實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)兩類試驗(yàn)件進(jìn)行靜力壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)施方法見(jiàn)圖4。將試驗(yàn)件置于限位套和限位軸內(nèi)，經(jīng)螺紋連接配合后對(duì)試驗(yàn)件產(chǎn)生0.2 mm的裝配壓縮量，然后置于壓縮試驗(yàn)機(jī)支撐臺(tái)上，對(duì)活塞壓頭施加載荷即可。對(duì)試驗(yàn)件在多個(gè)載荷量級(jí)下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速率為4 mm/min，試驗(yàn)時(shí)先施加約0.5 N 的預(yù)壓量。由于金屬絲網(wǎng)墊或金屬橡膠墊在成型后會(huì)產(chǎn)生一定量的殘余應(yīng)力，為降低材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力對(duì)測(cè)量曲線重復(fù)性的影響，在對(duì)每個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)前先進(jìn)行5次的最大變形量預(yù)壓，再測(cè)定其準(zhǔn)靜態(tài)載荷-位移曲線[10]。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室溫大氣，溫度（25±2）°C、濕度（25%～40%）RH。

圖3 試驗(yàn)件截面示意圖

圖4 壓縮試驗(yàn)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 密度的影響

圖5為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊在0.2 mm 壓縮量時(shí)的載荷-位移曲線，圖6為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊在1.2 mm 壓縮量時(shí)的載荷-位移曲線。從圖中可知，對(duì)于這兩種材料，其密度越大，在產(chǎn)生相同變形量時(shí)所需施加的載荷就越大，因此剛性也越大。

從圖5可以看出，密度越小，軟特性持續(xù)的時(shí)間越短，因而更快地進(jìn)入近似線性階段，剛度由大急劇變小，反之亦然。從圖6可以看出，密度越大，近似線性段持續(xù)的時(shí)間越短，剛度由小急劇變大，因而更早地進(jìn)入硬特性階段，反之亦然。

3.2 壓縮量的影響

圖5 3種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊在0.2 mm壓縮變形時(shí)的載荷-位移曲線

表1 試驗(yàn)件參數(shù)

圖7為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊在不同壓縮量級(jí)條件下測(cè)得的載荷-位移對(duì)比曲線。從圖中可以看出，金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊的載荷-位移曲線具有相同的特征：(1)其載荷-位移關(guān)系均為曲線，說(shuō)明這兩種材料都具有剛度非線性特性；(2)曲線大致可以分為3個(gè)階段，小變形時(shí)都表現(xiàn)為軟特性，然后隨著變形量的增加逐漸過(guò)渡到近似線性階段，最后隨著變形量的繼續(xù)增加則表現(xiàn)為硬特性。由于金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊都屬于彈性多孔材料，其力學(xué)性能表現(xiàn)為金屬絲的彈性力和絲與絲之間的接觸摩擦力，因此其載荷-位移關(guān)系曲線具有相同的變化趨勢(shì)。但是金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊亦有不同的特點(diǎn)：對(duì)于同尺寸同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊，在產(chǎn)生相同變形量時(shí)金屬橡膠墊所需施加的載荷大于金屬絲網(wǎng)墊所需施加的載荷，由此可知金屬橡膠墊的承載能力大于金屬絲網(wǎng)墊的承載能力。這主要是由于金屬橡膠墊與金屬絲網(wǎng)墊的細(xì)觀特征存在較大的差異引起的，金屬橡膠墊的絲與絲之間相互勾連，組織錯(cuò)綜交叉、咬合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而金屬絲網(wǎng)墊的金屬絲之間交叉鋪成網(wǎng)狀，由網(wǎng)狀層堆疊成型，因此金屬橡膠墊的金屬絲的彈性和摩擦性能高于金屬絲網(wǎng)墊的金屬絲的彈性和摩擦性能，由此可知金屬橡膠墊的金屬絲能效的利用率比金屬絲網(wǎng)墊的金屬絲能效的利用率高。

4 金屬絲網(wǎng)與金屬橡膠材料的能量耗散特性

在靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊材料的載荷-位移曲線呈非線性變化，且加載曲線與卸載曲線并不重合，顯然材料在加載過(guò)程中耗散了部分能量。因?yàn)榻饘俳z網(wǎng)和金屬橡膠材料屬于干摩擦阻尼材料，在循環(huán)加載情況下，通過(guò)金屬絲之間的干摩擦消耗能量，從而達(dá)到減振目的。在載荷幅值fmax下遲滯回線所圍成的面積就是干摩擦阻尼損耗的能量。能量耗散系數(shù)Ψ是衡量材料阻尼減振性能的重要參數(shù)，能量耗散系數(shù)越大，材料的阻尼性能越好，反之就越差。能量耗散系數(shù)等于一個(gè)循環(huán)耗散的能量與最大變形勢(shì)能的比值[1]，計(jì)算公式如下

式中：ΔW是一個(gè)循環(huán)損耗的能量，為遲滯回線所圍成的面積；W是最大變形勢(shì)能，為加載曲線與橫軸所圍成的面積。

4.1 壓縮量對(duì)能量耗散系數(shù)的影響

圖8為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊在一個(gè)循環(huán)載荷作用下測(cè)得的能量耗散系數(shù)與壓縮變形量的關(guān)系對(duì)比曲線。從圖中可以看出，對(duì)于這兩類材料，小變形時(shí)能量耗散系數(shù)較??；隨著變形量的增加，能量耗散系數(shù)隨之增加；當(dāng)變形量繼續(xù)增加，則能量耗散系數(shù)又呈減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谛∽冃螘r(shí)，主要表現(xiàn)為金屬絲的彈性作用，金屬絲之間的滑移摩擦較小，耗散的能量也小；當(dāng)變形增加時(shí)，金屬絲之間的滑移摩擦作用也增加，摩擦耗散的能量增加；當(dāng)變形繼續(xù)增加時(shí)，金屬絲之間的間隙急劇減小，出現(xiàn)硬特性，即滑移摩擦耗散的能量達(dá)到極限，而又增加了金屬絲之間的擠壓彈性，從而耗散系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

圖6 3種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊在1.2 mm壓縮變形時(shí)的載荷-位移曲線

圖7 3種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊的載荷-位移關(guān)系對(duì)比曲線

對(duì)比相同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊，從整體上看金屬橡膠墊的能量耗散系數(shù)比金屬絲網(wǎng)墊的能量耗散系數(shù)大，說(shuō)明金屬橡膠墊的阻尼減振性能優(yōu)于金屬絲網(wǎng)墊的阻尼減振性能。這是由于金屬橡膠墊的絲與絲之間相互勾連，組織錯(cuò)綜交叉、咬合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，金屬絲之間的滑移摩擦更多，而金屬絲網(wǎng)墊的金屬絲之間交叉鋪成網(wǎng)狀，由網(wǎng)狀層堆疊成型，壓縮時(shí)金屬絲之間的滑移摩擦較小。

4.2 密度對(duì)能量耗散系數(shù)的影響

圖9為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊在一個(gè)循環(huán)載荷作用下測(cè)得的能量耗散系數(shù)與壓縮變形量的關(guān)系對(duì)比曲線。

從圖9可以看出，對(duì)比相同材料不同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊，密度小的能量耗散系數(shù)大于密度大的能量耗散系數(shù)。這是由于密度越小，內(nèi)部金屬絲的間隙越大，則便于金屬絲之間的滑動(dòng)，在相同變形量下金屬絲之間產(chǎn)生的滑動(dòng)位移就越大，因此產(chǎn)生滑移摩擦耗散的能量越多。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)金屬絲網(wǎng)墊和金屬橡膠墊材料的加工工藝和細(xì)觀特征進(jìn)行分析，從而對(duì)這兩類材料進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分；然后對(duì)這兩種材料進(jìn)行了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究不同壓縮量以及不同密度等參數(shù)對(duì)金屬絲網(wǎng)和金屬橡膠材料的承載能力和能量耗散特性的影響，研究結(jié)果表明：

（1）金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊的載荷-位移曲線具有相同的特征：1、其載荷-位移關(guān)系曲線變化趨勢(shì)相同，都具有剛度非線性特性；2、都可以分為3個(gè)階段，小變形時(shí)都表現(xiàn)為軟特性，然后隨著變形量的增加逐漸過(guò)渡到近似線性階段，最后隨著變形量的繼續(xù)增加則表現(xiàn)為硬特性。

（2）對(duì)于同尺寸同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊，在產(chǎn)生相同變形量時(shí)金屬橡膠墊所需施加的載荷大于金屬絲網(wǎng)墊所需施加的載荷，即在相同的載荷作用下，金屬橡膠材料的變形小于金屬絲網(wǎng)材料的變形，由此可知金屬橡膠墊的承載能力大于金屬絲網(wǎng)墊的承載能力。

（3）對(duì)于同尺寸同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊，在產(chǎn)生相同變形量的條件下，金屬橡膠材料的耗能特性優(yōu)于金屬絲網(wǎng)材料的耗能特性。

（4）金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊的能量耗散特性與密度和壓縮變形量有關(guān)，因此當(dāng)利用金屬橡膠墊或金屬絲網(wǎng)墊進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理確定其密度和壓縮變形量。

圖8 3種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網(wǎng)墊的能量耗散系數(shù)-變形量關(guān)系對(duì)比曲線

圖9 3種密度的金屬橡膠和金屬絲網(wǎng)墊的能量耗散系數(shù)-變形量關(guān)系對(duì)比曲線