基于準靜態的泡沫橡膠耗能性能實驗研究

謝建軍， 胡文軍，2， 陶俊林

（1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

0 引 言

隨著社會的發展，機械設備趨于高速、高效和自動化，振動引起的各種問題也越來越受到重視，因此新型材料的研究及應用成為了減振研究的新領域。橡膠泡沫材料是由橡膠經發泡而制成的一種韌性多孔高分子材料，具有壓縮變形大、壓縮永久變形低、耐老化性能較好、使用溫度范圍寬等優點，在被壓實之前傳遞的力較小，具有很大的變形，是一種良好的減振緩沖材料[1]。泡沫橡膠隔振器各個方向均具有隔離振動的性能，且可以根據實際需要，改變橡膠配方從而滿足在各個方向上的剛度要求。同時橡膠成型容易，能根據需要設計出各種形狀的隔振器[2]。因此，研究泡沫橡膠的減振性能具有重要的工程應用價值。

目前國內對于泡沫橡膠減振方面的研究處于初級階段，主要研究了泡沫橡膠靜態力學性能、準靜態壓縮力學性能與動態壓縮力學性能，得到了相同的結論，認為泡沫橡膠與其他泡沫材料一樣，其壓縮過程可分為3個階段。通過動態壓縮實驗，密度越小，泡沫橡膠的吸能能力更好。但采用動態壓縮實驗確定泡沫橡膠的耗能能力時，工作量和資金耗費較大。因此，本文期望通過對不同密度泡沫橡膠的單軸壓縮加卸載實驗來描述密度對泡沫橡膠耗能性能的影響。

1 試樣制作

本文所用實心橡膠和泡沫橡膠均為復合橡膠（由硅橡膠與丁基橡膠復合物經硫化補強制備而成），其中實心橡膠密度為1.15g/cm3，泡沫橡膠的密度分別為 1.02，0.90，0.78，0.62，0.56 g/cm3，采用沖壓方式制作成圓柱形試樣，如圖1所示。由于采用標準沖壓方式成型，因而試樣直徑均為25.000 mm，厚度采用厚度計測量3次的平均值，試樣厚度及編號如表1所示。

圖1 不同密度的泡沫橡膠試樣

表1 不同密度泡沫橡膠試樣厚度值

2 實驗條件及內容

本次實驗采用INSTRON 1196型電子萬能材料試驗機，實驗步驟參照GB 1684-1985《硫化橡膠短時間靜壓縮試驗方法》執行。加載速度為5 mm/min，實驗溫度為23℃，溫度測量誤差為示值的±2.0%，載荷測量誤差為示值的±0.5%。單調加卸載3次，循環荷載取極限荷載的40%，如表2所示。

表2 不同密度泡沫橡膠試樣的循環荷載

3 實驗結果及分析

3.1 實驗現象

對密度為0.56g/cm3與0.62g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣變形很快恢復，試樣2個端面能恢復到壓縮前的形狀。對密度為0.78g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣中間出現下凹現象，凹陷面積大致占總面積的1/2；密度為0.90g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣中間也出現類似的凹陷，凹陷面積大致占總面積的3/4；密度為1.02 g/cm3的試樣壓縮卸載后，試樣除去邊緣外的整個面都表現為凹陷。密度分別為0.78，0.90，1.02 g/cm3的泡沫橡膠所出現的凹陷部分，在卸載后，短時間內能恢復部分變形，另外一部分為不可恢復的永久變形。對密度為1.15g/cm3的試樣壓縮卸載后，橡膠無凹陷現象。同時每個試樣在實驗過程中都表現為試樣中間鼓出，不同密度試樣實驗后圖片如圖2所示。

圖2 不同密度試樣實驗后的變形圖

文獻[3]中對彈性泡沫材料模型的簡化，如圖3所示，認為閉孔泡沫材料在發泡過程中固體材料被拉伸而形成孔穴的棱邊，通常有4條孔穴的棱邊在1個頂點交匯，固體膜使孔壁封閉，表面張力作用將固體拉向孔穴的棱邊，形成一個粗棱架住的薄壁，密度越小，固體膜越薄。泡沫材料在壓縮過程中，孔穴棱邊可以彎曲、延伸或者收縮，而形成孔面的膜發生延展。泡沫橡膠密度為0.56g/cm3與0.62g/cm3時，泡沫橡膠泡沫體的孔壁較薄，壓縮過程中，泡孔壁極易破裂，使得泡體中的空氣迅速排除，出現下凹現象；卸載后空氣迅速回流，使泡沫橡膠變形能在短時間內恢復，具有非常好的彈性，在實驗完成后變為無下凹現象。 泡沫橡膠密度為 0.78，0.90，1.02，1.15 g/cm3時，隨著密度的增大，泡沫體孔壁厚度逐漸增加，壓縮時孔壁破裂的數量逐漸減少，部分破裂泡沫體中的空氣在壓力作用下排除，形成凹陷現象，未破裂的泡沫體在卸載后阻礙空氣迅速回流至泡沫體中，隨著密度的增大，未破裂的泡沫體數量增多，對空氣回流氣體的阻礙作用增大。因此隨著密度的增加，凹陷面積增大，變形恢復緩慢。

3.2 應力-應變曲線分析

圖4為實體橡膠與5種泡沫橡膠的真應力-應變曲線，實驗得到的結果與文獻[4-7]結果類似，壓縮應力-應變曲線存在3個差別較大的區域，如圖5所示。

圖3 閉孔泡沫材料的變形機制

（1）線彈性區。試件在受載初期基本上處于線彈性階段及較小的應力水平下，應力應變曲線呈線性變化，在這一階段，主要通過泡孔壁的彈性變形吸收能量。

圖4 不同密度下的真應力-應變曲線

圖5 泡沫橡膠應力-應變的3個區域

（2）平臺區。隨著應變的增加，應力基本處于同一水平，沒有明顯的變化，此階段主要通過泡孔壁發生屈曲來吸收能量。

（3）致密化區。在較高的應力水平下，應力隨應變的增大而急劇上升，泡孔大量塌陷致使泡孔壁的相互接觸，導致發泡基體材料的變形來吸收能量。

從圖4可以看出，隨著密度的減小，壓縮平臺區變長。表明在平臺區應力不變的情況下，密度越小，產生的變形越大，泡沫橡膠吸收的能力越多，減振緩沖性能更加優越；但密度越小，平臺區對應的應力越小，對于荷載較大時，荷載引起的應力往往大于平臺區應力，引起孔穴的塌陷，不能起到較好的減振緩沖作用。因此，需要選擇合適的密度。

從圖4中可以看出，各種密度橡膠致密化區域近似于直線，因此對各種密度下應力-應變曲線上致密化區進行線性擬合，得到直線斜率，如表3所示。由表3可知，隨著密度的增大，泡沫橡膠應力應變曲線上致密化區域的斜率增大，即塌陷速率增大。

表3 不同密度橡膠應力應變曲線上致密化區域的斜率

3.3 耗能性能分析

阻尼是材料的一種固有特性，它能夠將材料的機械振動能量通過內部機制不可逆地轉變為其他形式的能量（通常是熱能）。因為機械振動能的耗散是通過內部機制來完成的。如對材料施加一周期性的應力，其應力-應變曲線為一閉合回線，回線的面積即為單位體積材料的能量損耗[8-9]，單位材料吸能能力通常表示為

式中：W——材料的吸能能力；

σ1——試樣加載時所承受的應力；

σ2——試樣卸載時所承受的應力；

ε——試樣產生的應變；

ε0——開始卸載時對應的應變。

圖6和圖7分別為6種橡膠的滯回環，滯回面積如表4所示。可以看出，密度為0.56 g/cm3的泡沫橡膠的滯回面積比0.62 g/cm3大，耗能能力稍大；密度為0.78g/cm3的泡沫橡膠的滯回面積比0.90g/cm3大；密度為1.02 g/cm3的泡沫橡膠的滯回面積比1.15 g/cm3大。通過分析，可認為在同等加載條件下，本次實驗中6種不同的泡沫橡膠，密度越小，泡沫橡膠的耗能能力越好，減振性能更加優越。

圖6 真應力應變曲線（ρ=0.56，0.62，0.78g/cm3）

圖7 真應力應變曲線（ρ=0.90，1.02，1.15g/cm3）

表4 不同密度泡沫試樣的滯回面積

4 結束語

本文對6種密度的泡沫橡膠進行壓縮加載卸載實驗，通過分析泡沫橡膠的壓縮力學性能與阻尼性能，得到如下結論：

（1）隨著密度的增大，卸載后試樣凹陷面積增大，變形恢復緩慢，且出現永久變形；實心橡膠無凹陷現象。

（2）隨著泡沫橡膠密度的增大，壓縮平臺區變短，塌陷速率加快。

（3）在同等加載條件下，隨著密度的越小，泡沫橡膠的減振性能更加優越。

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