金屬橡膠力學(xué)性能及應(yīng)用研究進(jìn)展

梁睿君，郝文龍，陳蔚芳

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京，210016)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用于太空、深海、極地等極端惡劣和特殊的環(huán)境中，極端的工作環(huán)境對(duì)隔振減振零件帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，對(duì)材料的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。橡膠是一種具有天然隔振效果的材料，但橡膠材料適用于較窄的溫度范圍，且抗腐蝕能力差，易老化損耗。相比于橡膠，金屬橡膠具有抗疲勞老化、壽命長(zhǎng)、耐油污、耐高低溫[1]、耐腐蝕[2]、耐輻照以及在惡劣環(huán)境下能夠保持良好性能的特點(diǎn)，成為在航空、航天、軌道、石油、化工等領(lǐng)域苛刻環(huán)境中用于替代橡膠的一種新型減振隔振材料。

金屬橡膠是一種均勻的彈性多孔材料，由加工成極細(xì)螺旋卷的不銹鋼絲經(jīng)過(guò)特殊的編織纏繞工藝制成其毛坯，并通過(guò)冷沖壓成型制備成需要的形狀。因其具有金屬所不具有的橡膠性能和橡膠所不具有的金屬性能，故稱(chēng)為金屬橡膠(metal rubber)。由于金屬橡膠試件制作工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且易產(chǎn)生成型缺陷，性能一致性和互換性較差，因此目前還未大范圍地取代橡膠制品。

20世紀(jì)50年代末，美國(guó)軍方首先將金屬橡膠應(yīng)用于軍用飛機(jī)機(jī)載儀器設(shè)備的減振和緩沖。我國(guó)對(duì)于金屬橡膠的研究起源于20世紀(jì)90年代。王新等[3]研究了一種環(huán)形金屬橡膠減振器，用于解決在低溫環(huán)境下工作的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液氫和液氧渦輪泵轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題，這是國(guó)內(nèi)首篇有關(guān)金屬橡膠應(yīng)用的報(bào)道。2000年，隨著《金屬橡膠構(gòu)件的設(shè)計(jì)》[4]中譯版本的出版發(fā)行，國(guó)內(nèi)學(xué)者們認(rèn)識(shí)到這種新型材料的價(jià)值，對(duì)其開(kāi)展了持續(xù)深入的研究，并將大部分研究成果應(yīng)用于航空航天、艦艇及民用領(lǐng)域。金屬橡膠的制備過(guò)程一般包括金屬絲的選擇、螺旋卷的繞制、拉伸與編織、冷沖壓成型和后期處理(如清洗、熱處理等)5個(gè)步驟，各步驟中的參數(shù)即內(nèi)在因素會(huì)對(duì)金屬橡膠的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。隨著機(jī)械化、自動(dòng)化制備技術(shù)的發(fā)展，人工參與度減少，提高了金屬橡膠產(chǎn)品一致性，為金屬橡膠力學(xué)性能影響因素的對(duì)比研究提供了可行性。

本文作者對(duì)近20年國(guó)內(nèi)外在金屬橡膠動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能及其影響因素方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述和評(píng)價(jià)，對(duì)金屬橡膠力學(xué)性能在減振、降噪及衍生產(chǎn)品上的應(yīng)用進(jìn)行描述，在此基礎(chǔ)上，對(duì)金屬橡膠減振隔振技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

1 金屬橡膠力學(xué)模型

1.1 阻尼模型

金屬橡膠常見(jiàn)形狀有圓環(huán)形、圓餅形和方形，如圖1所示。無(wú)論哪種形狀，內(nèi)部金屬螺旋卷都是以相互嚙合、勾連或滑動(dòng)摩擦的方式接觸。當(dāng)承受外部載荷時(shí)，一方面，內(nèi)部微元彈簧接觸面之間的干摩擦?xí)鸾Y(jié)構(gòu)阻尼；另一方面，由于部分金屬絲的滑移和扭曲不能完全復(fù)原而造成永久性變形，這一部分稱(chēng)為黏性阻尼，這樣金屬橡膠制件就將外界激勵(lì)的一部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量，從而起到緩沖和降低振動(dòng)量級(jí)的效果[5]。

圖1 金屬橡膠常見(jiàn)形狀Fig.1 Physical figure of metal rubber

金屬橡膠的壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，金屬橡膠中螺旋卷的排列方式會(huì)影響其阻尼性能。朱彬等[6-7]從金屬橡膠的微元細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析螺旋卷的不同接觸狀態(tài)并構(gòu)建不同接觸狀態(tài)的力學(xué)模型，從而得到金屬橡膠的遲滯特性本構(gòu)模型；利用該模型闡述了金屬橡膠的阻尼機(jī)理，認(rèn)為螺旋卷之間“未接觸—滑移接觸—擠壓接觸”的轉(zhuǎn)換(如圖2所示)是造成金屬橡膠剛度和阻尼非線(xiàn)性的主要原因，并且在滑移接觸狀態(tài)下接觸對(duì)的數(shù)量是影響金屬橡膠阻尼的主要因素。

圖2 螺旋卷接觸狀態(tài)Fig.2 Contact state of spiral coil

金屬橡膠的阻尼通?；诘刃ё枘醽?lái)描述。李宇明等[8]將金屬橡膠的阻尼等效為黏性阻尼，采用非線(xiàn)性多項(xiàng)式疊加等效阻尼力的方式來(lái)構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型，分析在不同振幅和頻率下的阻尼特性。ZHANG 等[9]將遲滯恢復(fù)力分解為非線(xiàn)性彈性力、非線(xiàn)性黏性阻尼力和干摩擦阻尼力，建立了雙折線(xiàn)遲滯阻尼模型，并提出了一種基于最小二乘法、可調(diào)預(yù)測(cè)誤差平方和準(zhǔn)則和非線(xiàn)性模型的參數(shù)識(shí)別方法。路純紅等[10]通過(guò)將恢復(fù)力分解為非線(xiàn)性彈性力和非線(xiàn)性阻尼力，建立了金屬橡膠復(fù)合型耗能器的非線(xiàn)性彈性復(fù)合阻尼模型，并將模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的精度。

1.2 本構(gòu)模型

金屬橡膠是一種典型的非線(xiàn)性材料，其加載過(guò)程將經(jīng)歷3個(gè)階段：線(xiàn)彈性階段(OA段)、軟特性階段(AB段)和硬化階段(BC段)，如圖3所示[11]。在OA段，金屬橡膠的彈性模量基本不變且變形較?。辉贏B段，載荷和彈性模量增加緩慢，但由于螺旋卷之間的相對(duì)滑移而產(chǎn)生較大位移和變形；在BC段，載荷和彈性模量急劇增加，且彈性模量趨于定值。

圖3 金屬橡膠的壓力-位移曲線(xiàn)[11]Fig.3 Stress-displacement curve of metal rubber[11]

1.2.1 本構(gòu)建模方法

通過(guò)本構(gòu)建模分析，可以了解金屬橡膠力學(xué)性能與絲材參數(shù)、裝配參數(shù)和載荷之間的關(guān)系[12]。本構(gòu)模型與多個(gè)參數(shù)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，因此很難找到既簡(jiǎn)單又精準(zhǔn)的模型。金屬橡膠的本構(gòu)模型大都基于微元彈簧模型建立。郭寶亭等[13]分析了以微元彈簧為基本元件的金屬橡膠的減振機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立了金屬橡膠在成型方向上和在非成型方向上的本構(gòu)模型，驗(yàn)證了金屬橡膠材料的各向異性。彭威等[14]從微元彈簧的徑向和軸向變形機(jī)理出發(fā)，在細(xì)觀表征中引入鋪層比例系數(shù)，建立了金屬橡膠的準(zhǔn)靜態(tài)本構(gòu)模型，該模型反映了金屬橡膠材料的壓縮性能以及工藝各向異性。

與僅基于微元彈簧模型相比，將微元彈簧模型與其他模型結(jié)合建立的本構(gòu)模型更加準(zhǔn)確。陳艷秋等[15]以微元彈簧模型為基礎(chǔ)，結(jié)合小曲梁模型建立了金屬橡膠單向受壓狀態(tài)的本構(gòu)模型，為金屬橡膠減振器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。XU等[16]也結(jié)合微元彈簧模型和小曲梁模型，建立了金屬橡膠的本構(gòu)模型。該模型直接反映了金屬絲直徑、金屬絲彈性模量、螺旋卷直徑、金屬橡膠相對(duì)密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)與外載荷之間的關(guān)系，適用于指導(dǎo)金屬橡膠設(shè)計(jì)。

李宇燕等[17]以多孔結(jié)構(gòu)受力變形模型(見(jiàn)圖4，其中F為載荷；l和t分別為結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和壁厚；δ為結(jié)構(gòu)受載荷F作用后的變形)，以干摩擦非線(xiàn)性理論為依據(jù)，結(jié)合小曲梁模型建立了金屬橡膠的本構(gòu)關(guān)系。鄒廣平等[18]先將金屬絲通過(guò)特定的規(guī)則編制成金屬絲網(wǎng)，再將金屬絲網(wǎng)卷繞成毛坯，最后沖壓成型制成金屬絲網(wǎng)橡膠(見(jiàn)圖5)；針對(duì)制成的金屬絲網(wǎng)橡膠，采用圓環(huán)嵌套模型，基于其制造過(guò)程，結(jié)合干摩擦非線(xiàn)性理論和小曲梁模型建立其本構(gòu)關(guān)系。金屬絲網(wǎng)橡膠的本構(gòu)模型的基本單元是網(wǎng)格，通過(guò)小曲梁模型得到單元網(wǎng)格的剛度；而金屬橡膠本構(gòu)模型的基本單元是螺旋卷，其采用微元彈簧模型求解得到單元?jiǎng)偠取?/p>

圖4 多孔材料模型[17]Fig.4 Porous material model[17]

圖5 圓環(huán)形金屬絲網(wǎng)橡膠[18]Fig.5 Circular metal-net rubber[18]

1.2.2 遲滯本構(gòu)模型

金屬橡膠內(nèi)部存在干摩擦阻尼，導(dǎo)致其力-位移曲線(xiàn)在加載和卸載過(guò)程中不相同，形成遲滯回線(xiàn)[19]，如圖6所示。圖6 中，ΔW為在加載和卸載過(guò)程中金屬橡膠耗散的能量；U為在加卸載過(guò)程中儲(chǔ)存的最大能量。通常用損耗因子η來(lái)表征阻尼特性，其關(guān)系式為

圖6 加載-卸載壓縮條件下金屬橡膠典型遲滯回線(xiàn)[19]Fig.6 Typical hysteresis loops of metal rubber under loading-unloading compression[19]

姜洪源等[20]基于黏性阻尼模型和雙線(xiàn)性遲滯模型，建立了金屬橡膠恢復(fù)力數(shù)學(xué)模型?；谠摂?shù)學(xué)模型及非線(xiàn)性彈性黏性阻尼，李冬偉等[21]建立了雙折線(xiàn)遲滯恢復(fù)力模型，用于解釋金屬橡膠的干摩擦作用機(jī)理。

曹鳳利等[22-23]通過(guò)分析金屬橡膠的細(xì)觀特征及螺旋卷壓縮過(guò)程的空間形態(tài)和接觸方式，建立了變長(zhǎng)曲梁的微觀模型以及曲梁間的相互接觸作用模型，從而獲得金屬橡膠的遲滯本構(gòu)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。

1.3 疲勞特性

金屬橡膠疲勞會(huì)對(duì)其減振性能產(chǎn)生不良影響。金屬橡膠的抗疲勞性能越差，其減振能力就越弱。當(dāng)前金屬材料的疲勞特性研究已較為完善，但金屬橡膠的疲勞特性研究還很少。金屬材料是一種連續(xù)體，隨著振動(dòng)次數(shù)增加會(huì)突然發(fā)生斷裂而失效。而金屬橡膠是多孔非連續(xù)體，其內(nèi)部金屬絲不斷摩擦產(chǎn)生的磨損、損傷或斷裂，會(huì)使金屬橡膠局部發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)變化。局部破壞一般不會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件失效，但會(huì)降低構(gòu)件的減振隔振性能。由于金屬材料與金屬橡膠的疲勞失效情況不同，故前者研究結(jié)果不能直接應(yīng)用于后者。

侯軍芳等[24]通過(guò)固支圓盤(pán)金屬橡膠減振器的阻尼性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了金屬絲的斷裂破碎和磨損是金屬橡膠疲勞破壞的主要形式，提出用損傷因子D來(lái)表征金屬橡膠材料的疲勞損傷累積的程度，其關(guān)系式為

式中：K0為試件初始剛度；Kn為試件振動(dòng)n次后的剛度。當(dāng)n等于0 時(shí)，D為0。隨著疲勞損傷不斷積累，損傷因子逐漸增大，當(dāng)達(dá)到試件失效時(shí)的臨界損傷因子時(shí)，試件判定為失效。

LI 等[25]通過(guò)在高溫和低溫環(huán)境下對(duì)金屬橡膠試件開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，指出環(huán)境溫度對(duì)疲勞性能的影響主要包括2 個(gè)方面：一是金屬絲的彈性模量、抗拉強(qiáng)度等本身受溫度影響；二是溫度會(huì)改變金屬絲間的微動(dòng)接觸摩擦因數(shù)和磨損速率。曹鳳利等[26]分別對(duì)回火和未回火的金屬橡膠試件進(jìn)行了加載疲勞實(shí)驗(yàn)，根據(jù)自定義割線(xiàn)剛度和等效黏性阻尼系數(shù)這兩個(gè)疲勞損傷參數(shù)，發(fā)現(xiàn)回火有助于減小金屬絲的內(nèi)應(yīng)力并使金屬絲尺寸保持穩(wěn)定，從而提高試件的承載能力，延長(zhǎng)其疲勞壽命。進(jìn)一步研究振幅對(duì)金屬橡膠疲勞特性的影響，可以發(fā)現(xiàn)：小振幅加載有助于改善金屬絲的力學(xué)特性，但隨著振幅增大，會(huì)引起疲勞，縮短疲勞壽命[27]。趙程等[28]對(duì)碳氮共滲金屬絲和未碳氮共滲金屬絲分別形成的金屬橡膠進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)前者疲勞壽命提高了28.6%?？梢?jiàn)通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，能夠提高金屬橡膠的承載能力，延長(zhǎng)金屬橡膠的疲勞壽命。

2 金屬橡膠的力學(xué)性能影響因素

2.1 靜態(tài)特性的影響因素

金屬橡膠內(nèi)在固有參數(shù)、制作工藝及外在使用因素都會(huì)對(duì)其靜態(tài)特性產(chǎn)生影響。

2.1.1 內(nèi)在因素

1)金屬絲材質(zhì)。佘文韜[29]使用絲徑均為0.2 mm的304不銹鋼絲和316不銹鋼絲來(lái)制備相同規(guī)格的金屬橡膠試件，對(duì)所得試件進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7 可以看出：在小變形階段，2種試件的剛度接近；隨著變形增加，2 種試件的剛度差別越來(lái)越大，304不銹鋼試件的剛度比316 不銹鋼試件的剛度大很多。

圖7 不同絲材金屬橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)[29]Fig.7 Stress-strain curves of metal rubber with different wire materials[29]

2)金屬絲絲徑。對(duì)不同絲徑金屬橡膠試件進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)[30-31]，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖8所示。由圖8 可以看出：隨著絲徑增大，曲線(xiàn)的斜率增大，說(shuō)明金屬橡膠的剛度增大。這是因?yàn)榻z徑越大，單個(gè)螺旋卷曲梁的剛度就越大，金屬橡膠的整體剛度就越大。

圖8 不同絲徑下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)[30]Fig.8 Stress-strain curves under different wire diameters[30]

3)螺旋卷直徑。馬艷紅等[32-33]研究了螺旋卷直徑對(duì)金屬橡膠剛度的影響。不同螺旋直徑下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖9[32]。由圖9可見(jiàn)：若螺旋卷直徑增大，相同應(yīng)變下應(yīng)力減小，則金屬橡膠的非線(xiàn)性彈性模量減小，剛度也減小。這是因?yàn)槁菪碇睆皆酱?，其等效變形曲梁的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則剛度越小，故金屬橡膠整體剛度越小。

圖9 不同螺旋卷直徑下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)[32]Fig.9 Stress-strain curves under different spiral diameters[32]

4)相對(duì)密度。WANG 等[34-35]研究了金屬橡膠的相對(duì)密度對(duì)其靜態(tài)性能的影響。不同相對(duì)密度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)[35]見(jiàn)圖10。由圖10可以看出：若相對(duì)密度增大，則金屬橡膠的非線(xiàn)性彈性模量增大，阻尼特性更明顯。這是因?yàn)閷?duì)于相同外形尺寸的金屬橡膠，相對(duì)密度越大，則金屬絲排列越緊密，擠壓性越強(qiáng)，金屬橡膠的硬特性越強(qiáng)，靜剛度越大。

圖10 不同相對(duì)密度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)[35]Fig.10 Stress-strain curves under different relative densities[35]

2.1.2 外在因素

1)壓縮量。研究[30,36]表明：壓縮量會(huì)使金屬橡膠處于不同階段，導(dǎo)致剛度不同；大壓縮量下的加載-卸載曲線(xiàn)對(duì)小壓縮量下的加載-卸載曲線(xiàn)有很好的包絡(luò)性。

2)加載速度。本文作者在不同加載速度下對(duì)金屬橡膠進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出：不同加載速度下力-位移曲線(xiàn)重合性非常好，說(shuō)明加載速度對(duì)金屬橡膠的靜剛度影響非常小。

圖11 不同加載速度下的力-位移曲線(xiàn)Fig.11 Force-displacement curves under different loading speeds

3)溫度。金屬橡膠在不同環(huán)境溫度下的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果[37]如圖12所示。由圖12可見(jiàn)：當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬橡膠試件的剛度呈增大趨勢(shì)[37-38]。其原因是當(dāng)溫度升高時(shí)，在相同載荷條件下試件的變形量增大，使內(nèi)部螺旋卷接觸點(diǎn)數(shù)量增多、金屬絲之間的摩擦增多。摩擦力增大對(duì)剛度的強(qiáng)化作用超過(guò)了溫度升高對(duì)金屬絲的“軟”化作用的影響，故金屬橡膠的剛度呈現(xiàn)隨溫度升高而逐漸增大趨勢(shì)。

圖12 不同溫度下的靜剛度[37]Fig.12 Stiffness at different temperatures[37]

2.2 動(dòng)態(tài)特性的影響因素

2.2.1 內(nèi)在因素

1)金屬絲材質(zhì)。ERTAS 等[39]對(duì)由銅和鎳鈦合金材料制成的相同規(guī)格的金屬橡膠進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在小位移階段，銅金屬橡膠的剛度、阻尼均大于鎳鈦合金金屬橡膠的剛度、阻尼；而隨著位移進(jìn)一步加大，所得結(jié)果正好相反。

2)金屬絲絲徑。絲徑對(duì)金屬橡膠動(dòng)態(tài)性能的影響[40]如圖13所示。由圖13 可見(jiàn)：在相同振幅下，絲徑越大即金屬絲的切線(xiàn)模量越大，金屬橡膠的剛度就越大；絲徑越大，金屬絲接觸越不充分，越容易產(chǎn)生滑動(dòng)，造成摩擦力做功增多，摩擦損耗因子增大。材料的阻尼特性可通過(guò)損耗因子表征，說(shuō)明金屬橡膠的阻尼隨絲徑增大而增大。

圖13 不同絲徑下的摩擦損耗因子[40]Fig.13 Loss factors under different wire diameters[40]

3)相對(duì)密度。金屬橡膠的相對(duì)密度對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的影響[41]如圖14所示。由圖14 可見(jiàn)：一方面，相對(duì)密度越大，內(nèi)部金屬絲排列越緊密，擠壓性和硬特性越強(qiáng)，因而動(dòng)剛度增大；另一方面，相對(duì)密度越大的金屬橡膠內(nèi)部金屬絲排列越緊密，內(nèi)部金屬絲摩擦越多，耗能增加，損耗因子增大，減振效果增強(qiáng)[41-42]。

圖14 不同相對(duì)密度下動(dòng)態(tài)滯回曲線(xiàn)[41]Fig.14 Dynamic hysteresis curves under different relative densities[41]

4)成型厚度。成型厚度對(duì)金屬橡膠動(dòng)態(tài)性能的影響[43]如圖15所示。由圖15可見(jiàn)：金屬橡膠的成型厚度越大，發(fā)生相同變形所需的載荷越大，即動(dòng)剛度越大；成型厚度越大，則內(nèi)部螺旋卷接觸數(shù)量越多，損耗的能量越多，阻尼越大。

圖15 不同成型厚度下的動(dòng)態(tài)滯回曲線(xiàn)[43]Fig.15 Dynamic hysteresis curves under different forming thicknesses[43]

2.2.2 外在因素

1)加載振幅。加載振幅對(duì)金屬橡膠的動(dòng)態(tài)性能的影響[44]如圖16所示。由圖16可見(jiàn)：當(dāng)振幅增大時(shí)，剛度和損耗因子都將減小，即阻尼性能降低[44-45]。這是因?yàn)殡S著振幅的增大，金屬橡膠的耗能增加，但耗能增加速度小于彈性勢(shì)能的增加速度，故阻尼性能降低。

圖16 不同振幅下的剛度和阻尼[44]Fig.16 Stiffness and damping under different amplitudes[44]

2)加載頻率。加載頻率對(duì)金屬橡膠的動(dòng)態(tài)性能的影響[46]如圖17所示。由圖17可見(jiàn)：在不同加載頻率下，金屬橡膠的動(dòng)剛度和阻尼幾乎沒(méi)有變化，故加載頻率對(duì)金屬橡膠的動(dòng)態(tài)性能基本沒(méi)有影響。

圖17 不同頻率下動(dòng)態(tài)滯回曲線(xiàn)[46]Fig.17 Dynamic hysteresis curve at different frequencies[46]

3)預(yù)壓縮量。預(yù)壓縮量對(duì)金屬橡膠動(dòng)態(tài)性能的影響[47]如圖18所示。由圖18可見(jiàn)：隨著預(yù)壓縮量增大，曲線(xiàn)斜率增大，表明動(dòng)剛度增大；隨著預(yù)壓縮量增大，動(dòng)態(tài)滯回曲線(xiàn)圍成的面積也增加，表明阻尼性能增加。這是因?yàn)殡S著預(yù)壓縮量增大，金屬橡膠提前進(jìn)入硬特性階段，因而動(dòng)剛度增大；另一方面，隨著預(yù)壓縮量增大，內(nèi)部滑移接觸螺旋卷的數(shù)量增多，損耗因子增大，阻尼性能增強(qiáng)[47-48]。

圖18 不同預(yù)壓縮量下動(dòng)態(tài)滯回曲線(xiàn)[47]Fig.18 Dynamic hysteresis curves under different precompression[47]

4)激振力。不同激振力下金屬橡膠試件的力傳遞率曲線(xiàn)[49]如圖19所示。由圖19可知：當(dāng)激振力增大時(shí)，試件的共振頻率減小即動(dòng)剛度減小；當(dāng)激振力增大時(shí)，力傳遞率峰值減小，表明阻尼耗能增大即損耗因子增大，阻尼性能增強(qiáng)[49-50]。

圖19 不同激振力下力傳遞率曲線(xiàn)[49]Fig.19 Force transfer rate curves under different excitation forces[49]

5)溫度。采用金屬橡膠軸向受壓的試驗(yàn)夾具(見(jiàn)圖20(a))，顏秉金[51]研究了溫度對(duì)金屬橡膠動(dòng)態(tài)性能的影響，得到不同溫度下滯回曲線(xiàn)，如圖20(b)所示。由圖20(b)可見(jiàn)：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，金屬橡膠的動(dòng)剛度增大，滯回曲線(xiàn)圍成的面積及損耗因子也均增大。采用金屬橡膠內(nèi)外環(huán)受相反方向軸向力而產(chǎn)生彎矩作用的試驗(yàn)夾具(見(jiàn)圖21(a))，侯軍芳等[52]進(jìn)行了不同溫度下金屬橡膠性能試驗(yàn)，得到損耗因子隨環(huán)境溫度變化的曲線(xiàn)，如圖21(b)所示。由圖21(b)可知：溫度對(duì)損耗因子的影響非常小。

圖20 金屬橡膠軸向受壓及滯回曲線(xiàn)[51]Fig.20 Metal rubber under axial compression and hysteresis curve[51]

圖 21 金屬橡膠承受彎矩及損耗因子曲線(xiàn)[52]Fig.21 Metal rubber under bearing bending moment and loss factor curve[52]

減振器中的圓環(huán)形金屬橡膠通常是整體軸向受壓，而不是內(nèi)外環(huán)受不同方向軸向力，因此，文獻(xiàn)[51]中溫度越高動(dòng)剛度和阻尼越大的結(jié)論更符合減振器實(shí)際工況。

綜上可知，內(nèi)外因素對(duì)金屬橡膠靜動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的影響如表1所示。表1中，“↑”表示增大；“↓”表示減小；“”表示還未獲得相關(guān)結(jié)論；“—”表示幾乎不變。

表1 內(nèi)外因素對(duì)靜動(dòng)態(tài)特性的影響Table 1 Influence of internal and external factors on static and dynamic characteristics

3 金屬橡膠在減振降噪領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 減振應(yīng)用

金屬橡膠因具有優(yōu)越的力學(xué)物理性能，在很多領(lǐng)域尤其是航空、航海、武器裝備領(lǐng)域，已經(jīng)取代普通橡膠、彈簧和鋼絲網(wǎng)，成為減振隔振元件的新型材料。

3.1.1 飛行器

飛行器儀表安裝板采用金屬橡膠減振器，不僅能夠解決安裝板的整體振動(dòng)問(wèn)題，還能承受太空中的惡劣環(huán)境和極限溫度[53]。在飛行器儀表盤(pán)和艙壁的連接處安裝金屬橡膠減振器，可以使儀表盤(pán)適應(yīng)飛行器受到的來(lái)自不同方向的振動(dòng)和沖擊[54]。

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在軌道中運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的微抖動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響高分辨率觀測(cè)衛(wèi)星的圖像質(zhì)量。通過(guò)安裝金屬橡膠墊圈能夠有效隔離衛(wèi)星在軌道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的微抖動(dòng)，從而保證觀測(cè)圖像的質(zhì)量[55]。

3.1.2 航空設(shè)備

管路系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的重要保障，減小管路系統(tǒng)的振動(dòng)非常關(guān)鍵。由于普通橡膠難以在管路系統(tǒng)所處的高低溫惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，金屬橡膠管路減振器[56-57]應(yīng)運(yùn)而生，該減振器能夠隔離振動(dòng)對(duì)管路的影響。金屬橡膠還可直接用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)減振器[58]，在很大程度上減小和隔離發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，從而改善艙內(nèi)振動(dòng)環(huán)境，提高電子設(shè)備壽命。

3.1.3 武器裝備

艦艇在海上作業(yè)時(shí)受到海水的沖擊，支撐架將會(huì)產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)，嚴(yán)重影響導(dǎo)彈的存放。劉濤等[59]設(shè)計(jì)了一種基于金屬橡膠和金屬?gòu)椈傻膶?dǎo)彈存放支撐架，通過(guò)仿真分析和采用樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究了其減振效果。

采用金屬橡膠作為火炮門(mén)閂擋桿的緩沖件[60]，由于其不像普通橡膠是連續(xù)實(shí)體，而是由金屬絲壓制而成的中間有孔隙的不連續(xù)體，因而不僅可以緩解閂體對(duì)檔桿的沖擊，還可以減少火炮釋放瞬間產(chǎn)生的熱量和沖擊波。

除上述應(yīng)用外，近年來(lái)金屬橡膠還在設(shè)備地震隔離[61]、機(jī)載光電吊艙[62]、運(yùn)載火箭[63]、水下魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)[64]等極端和惡劣環(huán)境中作為減振隔振元件材料得到了應(yīng)用。

近年來(lái)，金屬橡膠在民用領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。夏宇宏等[65]設(shè)計(jì)了一種用于汽車(chē)照明燈座減振的金屬橡膠隔振環(huán)(見(jiàn)圖22)，用于減小從車(chē)身傳到照明燈座的振動(dòng)，使光線(xiàn)穩(wěn)定并延長(zhǎng)照明燈壽命。

圖22 金屬橡膠隔振環(huán)及產(chǎn)品樣件[65]Fig.22 Metal rubber vibration isolation ring and its product[65]

3.2 降噪應(yīng)用

金屬橡膠的多孔組織結(jié)構(gòu)非常符合吸聲降噪材料的特征[66]。當(dāng)聲波傳入金屬橡膠內(nèi)部時(shí)，會(huì)引起空隙中的空氣產(chǎn)生振動(dòng)并與金屬絲摩擦。在此過(guò)程中，由于黏滯作用，聲波轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌模瑥亩_(dá)到吸聲降噪的效果。馬艷紅等[67]以瑞利模型為基礎(chǔ)，根據(jù)圓管中聲傳播理論和亥姆霍茲共鳴器原理，建立了金屬橡膠的吸聲模型，推導(dǎo)出了金屬橡膠的吸聲系數(shù)，該研究模型為金屬橡膠吸聲降噪工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

姜洪源等[68]將金屬橡膠性能應(yīng)用于消聲器中，基于駐波管法研究了金屬橡膠的絲徑、孔隙率、厚度和空氣層厚度對(duì)其吸聲降噪性能的影響，如圖23所示。由圖23(a)可見(jiàn)：減小金屬橡膠的孔隙率有利于低頻噪聲的吸收，但是不利于高頻噪聲的吸收。由圖23(b)可見(jiàn)：增大金屬絲的絲徑，金屬橡膠在低中高整個(gè)頻段上的吸聲降噪能力都會(huì)降低，這是因?yàn)榻z徑增大導(dǎo)致內(nèi)部孔隙率增大。由圖23(c)可見(jiàn)：在低頻段，增加金屬橡膠的厚度可以提高其吸聲降噪能力。由圖23(d)可見(jiàn)：在低頻段，增大金屬橡膠的空氣層的厚度，可以增加噪聲吸收。

圖23 金屬橡膠吸聲降噪性能[68]Fig.23 Metal rubber sound absorption and noise reduction performance[68]

近年來(lái)，建立在居民區(qū)和商業(yè)區(qū)的變電所的變壓器噪聲引起的環(huán)保問(wèn)題日益突出。將金屬橡膠應(yīng)用在變壓器油箱外設(shè)薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)中，不僅可以吸收一部分噪聲，而且可以抑制大部分變壓器噪聲在空氣中的傳播[69]。金屬橡膠還被應(yīng)用于高壓泵電機(jī)噪聲控制[70]、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吸聲降噪[71]、魚(yú)雷和潛艇管路降噪等。

3.3 金屬橡膠衍生產(chǎn)品

王家序等[72]將金屬橡膠應(yīng)用在濾波減速器齒輪副上，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)變形補(bǔ)償，不受高低溫工作環(huán)境的影響，還能夠提高濾波齒輪傳動(dòng)副的承載能力。

滾動(dòng)軸承一般阻尼非常小，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子很難越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，限制了滾動(dòng)軸承類(lèi)電機(jī)往高速方向發(fā)展。國(guó)外學(xué)者將金屬橡膠應(yīng)用在軸承技術(shù)中，利用環(huán)形金屬鋼絲網(wǎng)設(shè)計(jì)新型軸承結(jié)構(gòu)，如圖24所示。該新型軸承能夠在轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持良好的負(fù)載性能和足夠的阻尼水平，提高了轉(zhuǎn)子支承的承載能力和穩(wěn)定性[73-74]。劉龍輝等[75]采用金屬橡膠與滾動(dòng)軸承組合方式，設(shè)計(jì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子支承，不僅能夠使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速降低，而且還能使轉(zhuǎn)子的穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)明顯減小。

圖24 新型金屬橡膠軸承Fig.24 A metal rubber bearing

金屬橡膠與其他隔振減振零件組合制成構(gòu)件，能夠擁有更高的承載能力。張冰[76]結(jié)合波形彈簧制作了金屬橡膠-彈簧復(fù)合型減振器，其靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合型減振器具有較高的剛度和更強(qiáng)的承載能力。王東濤等[77]結(jié)合碟形彈簧制作了金屬橡膠-彈簧復(fù)合型抗沖吊架，分析結(jié)果表明，該吊架具有良好的剛度和阻尼特性，能夠滿(mǎn)足減振和抗沖擊要求。

ZHENG 等[78]設(shè)計(jì)了一種以金屬橡膠為基體、硅橡膠為增強(qiáng)材料的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖25所示。該復(fù)合結(jié)構(gòu)融合了傳統(tǒng)橡膠的阻尼特性和金屬橡膠的剛度特性，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的減振降噪性能。

圖25 金屬橡膠與硅橡膠層疊復(fù)合結(jié)構(gòu)[78]Fig.25 Metal rubber and silicone rubber laminated composite structure[78]

4 總結(jié)與展望

金屬橡膠在減振隔振及環(huán)境適應(yīng)性方面具有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為航空、航天、石油、化工等領(lǐng)域苛刻環(huán)境中的一種新型減振隔振材料。近二十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金屬橡膠的減振隔振力學(xué)性能開(kāi)展了大量研究。本文以金屬橡膠的阻尼特性、本構(gòu)模型和疲勞性能為切入點(diǎn)，分析其理論模型、實(shí)驗(yàn)方法，歸納了影響金屬橡膠剛度和阻尼的內(nèi)在固有因素和外在使用因素，描述了金屬橡膠在減振、降噪及新型衍生產(chǎn)品方面的應(yīng)用。

金屬橡膠作為一種新材料，面臨著諸多研究挑戰(zhàn)。為促進(jìn)金屬橡膠減振隔振技術(shù)在更多領(lǐng)域更好地應(yīng)用，還有以下問(wèn)題需要著重解決：

1)金屬橡膠本構(gòu)模型的系數(shù)是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的，建立一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述金屬橡膠力學(xué)性能并且不通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定系數(shù)的本構(gòu)模型是一個(gè)難題；

2)金屬橡膠力學(xué)性能的研究大都基于單方向載荷，對(duì)于金屬橡膠同時(shí)承受多方向載荷以及沖擊載荷的力學(xué)性能的研究是一項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題；

3)目前大多針對(duì)圓餅狀、長(zhǎng)方體和圓環(huán)形金屬橡膠進(jìn)行研究，而缺乏對(duì)其他異形金屬橡膠如錐形、T型孔金屬橡膠的研究；

4)通過(guò)熱處理工藝使金屬橡膠的性能達(dá)到最優(yōu)的相關(guān)研究具有重要意義，但目前對(duì)熱處理工藝與金屬橡膠性能之間關(guān)系的研究還不夠完善；

5)金屬絲編織不當(dāng)會(huì)造成金屬絲斷裂并影響金屬橡膠的性能，研究編制方法、金屬絲斷裂和金屬橡膠力學(xué)性能三者之間的關(guān)聯(lián)是一項(xiàng)重要內(nèi)容；

6)金屬橡膠制備過(guò)程各步驟(選絲、繞絲、拉伸、編織毛坯、冷壓成型及后處理)中參數(shù)的選擇對(duì)成品性能具有重要影響。但目前金屬橡膠試件的制備工藝還依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)和試湊，試件的一致性和互換性較差，建立統(tǒng)一的制備工藝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金屬橡膠應(yīng)用和發(fā)展具有必要性。