金属橡胶材料的研究综述

幸华超，樊文欣

(1. 中北大学机电工程学院，山西太原030051;2. 中北大学机械工程与自动化学院，山西太原030051)

1 金属橡胶与传统橡胶

橡胶是提取橡胶树、橡胶草等植物的胶乳，加工后制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的材料，具有高弹性的高分子化合物。橡胶制品在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用而引起橡胶物理化学性质和机械性能的逐步变坏，最后丧失使用价值，这种变化叫做橡胶老化。同时，天然橡胶耐浓硫酸、耐油、耐溶剂性能都较差;丁腈橡胶不耐臭氧;氯丁橡胶在低温时变硬，贮存稳定性差等，表明不同的橡胶均有其缺陷［1-2］。

金属橡胶材料以金属丝为原材料，不含有任何普通橡胶，但却具有橡胶一样的弹性和多孔性，特别适合于解决高低温、大温差、高压、高真空、强辐射、剧烈振动及腐蚀等环境下的阻尼减振、过滤、密封、节流及吸音降噪等疑难问题，可以根据不同工况需要制备出各种结构形状，选择不同的金属还可以在腐蚀环境中工作，不产生老化现象［3］。

因此，对比传统橡胶，金属橡胶不仅可以在上述苛刻的环境下工作，并且在该环境下仍然能保持十分优良的性质。

2 金属橡胶的制造工艺

金属橡胶材料是一种均质的弹性多孔物质，它是用一定的方法将质量配好的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝堆放在模具中，然后经泠冲压工艺成型。其主要制造工艺流程如下［4］:

(1)选择金属丝

制造金属橡胶的原材料为各种牌号的细的金属丝，丝线牌号由金属橡胶工作条件、温度状况、侵蚀性介质的存在情况、载荷特性等决定。合理地选择丝线的牌号在制造金属橡胶元件过程中处于重要地位。丝线的直径取决于制品的尺寸及所要求的机械强度性能。多数实际条件下使用直径为0.3 mm 的丝线。

(2)绕制螺旋卷

螺旋卷为制造金属橡胶件的基本单元，直接影响到产品的最终性能，螺旋卷是金属丝在凸轮和圆辊辗或在条式线轴上缠绕而成。螺旋卷直径由元件的弹性及阻尼特性决定，该直径一般在0.2 ～2 mm 内。

(3)毛坯成型

手工拉伸或使螺旋卷穿过校准孔，使螺旋卷的螺距与直径相等排列铺放，形成压制的毛坯。

(4)加压

将毛坯放在模具中，在10 ～500 MPa 的压力作用下压制成型，以达到元件的形状和尺寸。

(5)后期处理

金属橡胶后期处理主要取决于工作环境和特殊使用性能。

总的来说，相对俄罗斯、美国等发达国家，目前我国在金属橡胶制造工艺处于初步阶段，机械化程度低，主要工艺参数依靠经验积累，产品稳定性不高。在优化改进金属橡胶的制造工艺上还有大量的工作要做。

3 金属橡胶的性能研究进展

金属橡胶是一种新型的阻尼材料，它的内部结构是金属丝相互交错勾连形成的类似橡胶高分子结构那样的空间网状结构。因为其本身是金属而非橡胶，故金属橡胶具有其特殊的性能，包括力学、阻尼、隔振、吸音降噪、过滤等性能。姜洪源、王少纯等研究了金属橡胶的力学性能［5-6］，认为当外界载荷与其成型压力方向相同时，金属橡胶元件体积减小，其内部接触点数量迅速增加，刚度急剧增大;当金属橡胶材料的受载方向与其成型压力方向垂直时，金属橡胶元件的体积几乎不发生变化，其内部接触点的数目发生线性变化，接触点间的距离近似不变，所以其滞迟回线近似线性变化。由于随着压缩变形程度增大，金属橡胶各不锈钢丝之间的正压力和接触面积都随之增大，故丝与丝之间的摩擦力也增大，由此导致试件抗压能力增大，表现出硬刚度特性。硬刚度特性的阻尼元件刚好适合于隔离大载荷的冲击振动。当然温度越高，金属丝的强度和刚度会有不同程度的下降，但下降幅度没有摩擦因数的上升幅度大，所以金属橡胶试件宏观上表现出刚度增大现象。

北京航空航天大学的周易等学者做了金属橡胶在阻尼方面的研究［7］。他们认为当安装紧度逐渐增大时，金属橡胶内部金属丝之间的相互挤压作用加强，系统的传递率逐渐增大，阻尼比减小，共振频率增大，说明此时刚度增加了;随着外加负载的增加，系统的刚度和阻尼都发生了变化，其共振频率减小，即刚度减小了，而阻尼增加了。与负载不变，激励加速度增大时的情况有着类似的规律。随着激励力的增加，系统的共振频率减小，即刚度减小了，而阻尼增加了。说明金属橡胶具有软特性，并且对大的振动有较好的减振效果。

辛士勇、赫振东等研究了金属橡胶在隔振性能的研究［8-9］。随着振动幅值的增大，金属橡胶隔振器迟滞曲线所围成的面积越来越大，表明金属橡胶隔振器在振动中随着振动幅值的增大，其消耗的能量也随着增大，其隔振特性逐步增强。动态下随机激励下的金属橡胶隔振系统，随着试验量级的增加，隔振效率越来越高;随着相对密度及预变形的增加，系统一阶固有频率增大，即系统刚度变大。静态下的金属橡胶隔振器，随着变形的增大，力与变形幅值的关系呈线性—软特性—硬特性变化特点，阻尼特性呈下降趋势。

姜洪源、李一峰、奚延辉等学者在金属橡胶吸声降噪方面做了一些工作［10-12］。随着金属橡胶厚度的增加，提高了低频吸声系数，且中高频吸声效果也有所改善。在低频处随着厚度的增加，材料的声容增大，也就是材料的弹性增加。故加大材料厚度，增加空腔可改进金属橡胶低频吸收。减小金属橡胶孔隙率可提高低频吸收，但过高或过低的孔隙率不利于中高频的吸收。随着孔隙率的减小，材料的声阻增大，也就是材料的流阻增大。控制材料流阻，使其有适当的声阻，可以提高金属橡胶的吸声系数。随着金属丝直径的增加，金属橡胶在整个吸声频带的吸声系数都减小。随着金属丝直径的增加，材料的声阻有所减小。可通过改变材料的孔隙率，以提高大金属丝直径的吸声系数。当孔隙率较大时，由于材料流阻较小，即声波通过材料的耗损较小，将使吸声效果明显降低;当孔隙率较小时，由于材料的流阻过大，不利于声波完全传入材料内部，即声能量吸收较少，故吸声效果也会大大降低。

军械工程学院的侯军芳等学者研究了金属橡胶在过滤方面的性能［13］。他们认为增加试件长度、减小金属丝直径和孔隙度有利于提高过滤精度，但孔隙度过小会导致流体阻力大幅上升，且试件长度对过滤效果的影响也受孔隙度的限制，当孔隙度较小时，试件长度对过滤精度的影响明显减少。

4 目前尚存问题及展望

金属橡胶具有阻尼性能好、环境适应能力强、可用于复杂载荷工况、使用寿命长、结构与性能可设计等诸多优点，在减振、隔振、密封、过滤、节流等方面取得了良好的应用效果。金属橡胶超越传统材料而具备的优越性能日益受到我国研究机构的重视，我国对金属橡胶的研究起步较晚，同时西方发达国家对于金属橡胶材料的研究尚处于技术封锁阶段。因此，我国在金属橡胶材料处于初级水平。国内仅有几所高校从不同角度对金属橡胶技术进行研究，对金属橡胶材料的认识还存在很多不足，主要表现在两个方面:(1)缺乏从材料学的角度进行深入系统的研究;(2)金属橡胶成品制备的主要工艺尚需手工完成，工艺参数依靠经验积累。

【1】王惠君，王文泉，杨子贤，等. 橡胶综述［J］. 安徽农业科学，2006，34(13):3049-3052.

【2】邢民.2009 年天然橡胶市场综述［J］. 中国橡胶，2010，26(4):1-4.

【3】肖然，樊文欣，李文亮.金属丝网块成型工艺研究［J］.机械制造研究，2009，38(3):97-99.

【4】姜洪源.金属橡胶成型工艺研究及其应用［J］. 机械设计与制造，2001:85-86.

【5】姜洪源，敖宏瑞，夏宇宏，等. 航空发动机用金属橡胶隔振器动静态性能的研究［J］.航空学报，2004，25(2):140-142.

【6】王少纯，邓宗全，高海波，等. 月球着陆器用金属橡胶高低温力学性能试验研究［J］.航空材料学报，2004，24(2):27 -31.

【7】周易，张虎，徐惠彬.金属橡胶阻尼元件的性能研究［J］.科技技术与工程，2004，4(5):391 -393.

【8】辛士勇，朱石坚，曾懿. 金属橡胶隔振器隔振性能的实验研究［J］.中国舰船研究，2008，3(6):13-16.

【9】赫振东.金属橡胶隔振器随机振动性能分析及试验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009.

【10】姜洪源，武国启，闫辉，等.金属橡胶吸声降噪性能分析及试验研究［J］.机械科学与技术，2007，26(4):403-407.

【11】李一峰，洪杰，马艳红. 基于Johnson-Allard 模型的金属橡胶材料吸声性能研究［J］.江苏航空，2010(S1):164 -167.

【12】奚延辉，陈天宁.金属橡胶材料吸声性能的实验研究［J］.机械科学与技术，2008，27(12):1673-1677.

【13】侯军芳，白鸿柏，刘英杰，等.新型金属橡胶孔隙材料过滤机制与性能研究［J］.润滑与密封，2006(4):109 -112.