金属橡胶的压缩及高温性能试验研究★

李志聪 赵亚哥白

王欣然 郭东旭 王君仪 朱丽莹

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

金属橡胶(Metallic Rubber,MR)是一种由相互交错的空间网状结构的金属丝缠绕而成的弹性多孔材料。目前金属橡胶在工程机械、航天航空等领域被用作耗能隔震部位的材料[1-3]，但是在土木工程领域很少作为耗能减震装置而使用，因此开发自复位能力的新型金属橡胶材料耗能减震装置是有一定的工程实际意义的。为了研发此类阻尼器，本文展开了金属橡胶材料试件的力学性能研究工作，首先加工了三种成型密度的0Cr18Ni9Ti的奥氏体不锈钢丝金属橡胶试件，然后进行压缩剪切力学试验，得到的力与位移的包络滞回曲线说明加载幅值、成型密度、高温等因素对试件阻尼耗能性能均有明显影响，根据影响规律研究分析了金属橡胶材料的阻尼耗能机理，为下一步设计材料本构关系、研制减震器提供重要依据。

1 金属橡胶的阻尼性能试验

1.1 加工环节和力学试验仪器

本次试验用的金属橡胶试件是由哈尔滨工业大学负责加工制造的，基本流程是用特殊加工设备将细金属丝经缠绕为螺旋形状的弹簧卷，再将其编织成网状并用滚轮卷成毛坯，最后将此毛坯按照实验要求放入相应的模具中经过冲压，最终制作成试验元件。整个制作流程如图1所示。

本实验的地点是哈尔滨工程大学力学实验中心，试验设备为德国生产制造的电液压伺服疲劳试验机，型号是INSTRON Fast Track TM8801。

试验机基本参数见表1。

表1 试验机基本参数

最大荷载kN荷载精度N位移精度mm最高循环加载频率Hz加载方式100±0．50．0150数控电机自动往复式加载

试验机可以将力传感器和位移传感器采集力和变形数据存储在电脑中以方便提取，采样频率可以人工控制。由于试验机本身不具备放置金属橡胶试件的装置，因此试验前先按照需求制备试件压缩装置，然后按照图2对试件压缩循环荷载。

1.2 金属橡胶材料的压缩性能试验

采用三种成型密度的试件，具体参数如表2所示。

表2 金属橡胶试件参数

试件编号金属丝直径/mm成型密度质量/g尺寸/mm加载方式MRS⁃A0．20．232925×25×25压缩MRS⁃B0．20．253125×25×25压缩MRS⁃C0．20．273225×25×25压缩

(1)

其中，ρs为试件密度；ρm为金属丝材料的密度。

首先进行压缩试验，分别对MRS-A，MRS-B和MRS-C施加静态循环压缩荷载，加载速率5 mm/min，分别以5%，10%，15%，20%的应变幅值对试件进行压缩，每种幅值循环加载5次。

图3a)，图3b)，图3c)分别为试件MRS-A,MRS-B和MRS-C在不同幅值应变时的应力—应变曲线。由图中的包络曲线可以看出，试件的最大压应力随着应变幅值的增加也随之增大，滞回曲线也更加饱满，滞变耗能能力随着变形的增加而增大；图中还可看出，总共加载5圈的应力—应变曲线基本重合，试件能够承受多次的加卸载循环，这也说明此材料具有良好的耐疲劳性能。另外，试件加载应变值达到20%时卸载曲线依然又回到原始加载点，没有出现塑性应变，可恢复变形较大，这一结果表明金属橡胶

材料具有很好的弹性。综上所述试验表现出的特性说明，金属橡胶材料是用于制作土木结构减震阻尼器的理想材料。

2 高温对金属橡胶阻尼性能的影响

利用疲劳试验机配置的高温箱进行高温试验环境模拟。取密度0.23试件MRS-A，环境温度分别为100 ℃,180 ℃，加载幅值分别为15%,20%，进行静力压缩试验。图4为幅值为15%、20%高温压缩应力应变曲线。由图中可知，高温下滞回曲线的形状与常温时基本一致，试件的压应力随温度的升高而增大，主要是因为温度升高时，金属橡胶内部的不锈钢丝之间的干摩擦力越大，整体金属橡胶试件出现强度刚度均增大的现象。

3 结语

针对不同成型密度不锈钢丝金属橡胶试件进行力学试验，研究了其压缩滞变耗能性能，测试了荷载幅值、高温等因素对金属橡胶试件力学性能和阻尼特性的影响规律。试验结果表明：加卸载循环次数对试件压缩应力—应变滞变性能没有显著影响，其耗能性能比较稳定。随着应变幅值的增加，金属橡胶材料的恢复力越大，滞迟回线所包围的面积越大，振动能量消耗的越多，等效阻尼比也越大；随着温度的升高，金属橡胶耗能器的刚度增加，耗能能力也随之加强。通过试验可以发现，金属橡胶材料的刚度较低，下一步将研究如何提高金属橡胶耗能减震材料的刚度和阻尼性能，掺加有机材料复合处理，提高刚度，增加其滞回耗能能力。

[1] 闫 辉,姜洪源，赵宏宇，等.金属橡胶材料温度特性分析[J].稀有金属材料与工程,2011,40(12):2092-2095.

[2] 郭宝亭,朱梓根,崔荣繁.金属橡胶材料的理论模型研究[J].航空动力学报,2004,19(3):314-319.

[3] 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．

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