金屬絲網與金屬橡膠材料的壓縮特性對比研究

董萬元，楊 利，師永寧

（中國飛機強度研究所 航空噪聲與振動強度航空科技重點實驗室，西安710065）

金屬絲網墊和金屬橡膠墊都屬于多孔彈性金屬構件，是將金屬材料拉伸成金屬絲，然后把金屬絲按照一定規則纏繞到軸上并填充于模腔，經模具冷沖壓成型。其內部金屬絲之間相互擠壓、勾連、纏繞、層疊在一起，當受到振動沖擊載荷時，金屬絲之間相對滑移產生干摩擦力，從而耗散振動能量，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，由于其自身結構是金屬材料，承載能力強且能夠適應更加惡劣的環境。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、船舶等設備的密封、過濾、發動機安裝以及其他隔振緩沖領域得到廣泛的應用[2]。國內外學者都對多孔彈簧金屬材料進行了大量的研究，俄羅斯薩瑪拉國立航空航天大學的學者們對金屬橡膠材料進行了物理模型和加工工藝的研究[1]，美國通用電氣全球研究中心的Bugra H.Ertas等對由金屬絲網材料組成的混合柔性軸承的力學特性和無油金屬絲網阻尼器的非線性動力學特征進行了研究[2-4]，英國謝菲爾德大學的S.A.Billings 等對金屬橡膠材料的本構模型進行了研究[5]。我國對多孔彈性金屬材料的研究起步較晚，從上世紀90年代開始才得到關注。哈爾濱工業大學的李中郢[6]等研究了不同密度金屬橡膠墊組合的剛度特性，哈爾濱工程大學的鄒廣平[7-10]等研究了金屬絲網材料的動、靜態力學性能及其本構關系，西安工業大學的李宇燕[11]等研究了金屬橡膠材料的承載面積與本構模型的關系，軍械工程學院的白鴻柏[12]等研究了金屬橡膠材料的疲勞損傷特性，華北電力大學的陳宏霞[13]等研究了超潤性金屬絲網材料的制備工藝。但是當前學者并未對金屬絲網材料和金屬橡膠材料進行嚴格的區分，其實這兩種材料存在很大的差異，無論是加工工藝還是細觀特征都有很多不同之處，筆者查閱國內外文獻對于金屬絲網和金屬橡膠材料力學性能差異性的研究鮮有報道。

鑒于此，本文從加工工藝出發分析金屬絲網墊和金屬橡膠墊的細觀特征存在的區別；并對不同密度的金屬絲網墊和金屬橡膠墊進行靜態壓縮試驗，研究2 種材料的靜態壓縮力學特性、承載能力以及能量耗散特性；最后從細觀上分析這2 種材料在壓縮力學性能、承載能力和能量耗散特性方面產生差異的原因，從而為這兩種材料在減振降噪領域的應用提供試驗依據與理論基礎。

1 金屬絲網墊與金屬橡膠墊對比分析

金屬絲網墊和金屬橡膠墊材料都屬于彈性多孔結構材料，但是從制備工藝及結構細觀特征上來說仍然有很多不同之處值得深入探討。從制備工藝分析，金屬絲網墊由網狀金屬絲壓制而成，而金屬橡膠墊則由螺旋彈簧狀金屬絲壓制而成，金屬絲網材料和螺旋彈簧狀金屬絲材料見圖1。

圖1 金屬絲材料

金屬絲網墊由金屬絲按照一定規則編織成圓筒形網套，再將此網套纏繞到軸上并填充于模腔，經模具冷沖壓成型；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距狀態，再將拉伸過的螺旋彈簧狀金屬絲按照特定規則均勻地纏繞到軸上并填充于模腔，經模具冷沖壓成型。

圖2 金屬絲網墊和金屬橡膠墊對比圖

從結構細觀特征分析，雖然它們都是具有多孔結構特征的彈性金屬構件，圖2即為相同密度的金屬絲網墊和金屬橡膠墊的軸向和徑向結構對比圖，很顯然其細觀特征有很大的區別。金屬絲網墊的金屬絲之間交叉鋪成網狀，由網狀層堆疊成型；而金屬橡膠墊的絲與絲之間相互勾連，組織錯綜交叉、咬合，形成三維網狀結構，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，金屬絲網墊的金屬絲之間相互纏繞成一連串∞型沿環向分布；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，金屬絲網墊的多數金屬絲成橫向S型線，沿環向層疊分布；而金屬橡膠墊的金屬絲之間折彎成小圓頭，無序排列分布。

2 試驗

2.1 試驗樣件

本研究以空心圓柱形金屬絲網墊和金屬橡膠墊作為試驗件，對其進行靜態壓縮試驗，金屬絲網墊和金屬橡膠墊結構如見圖3。金屬絲網墊是由絲徑為0.2 mm的金屬絲編織成直徑為30 mm的網筒，經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，經模具冷壓成空心圓柱形。試驗件加工時采用相同的成型壓力，金屬絲材料均為不銹鋼06Cr19Ni10，試驗所用的試驗件參數見表1。

2.2 實驗方法

按照壓縮實驗的方法對兩類試驗件進行靜力壓縮試驗，試驗實施方法見圖4。將試驗件置于限位套和限位軸內，經螺紋連接配合后對試驗件產生0.2 mm的裝配壓縮量，然后置于壓縮試驗機支撐臺上，對活塞壓頭施加載荷即可。對試驗件在多個載荷量級下進行壓縮試驗，試驗加載速率為4 mm/min，試驗時先施加約0.5 N 的預壓量。由于金屬絲網墊或金屬橡膠墊在成型后會產生一定量的殘余應力，為降低材料內部的殘余應力對測量曲線重復性的影響，在對每個試驗件進行靜態壓縮試驗前先進行5次的最大變形量預壓，再測定其準靜態載荷-位移曲線[10]。實驗環境為室溫大氣，溫度（25±2）°C、濕度（25%～40%）RH。

圖3 試驗件截面示意圖

圖4 壓縮試驗示意圖

3 試驗結果及分析

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墊在0.2 mm 壓縮量時的載荷-位移曲線，圖6為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊在1.2 mm 壓縮量時的載荷-位移曲線。從圖中可知，對于這兩種材料，其密度越大，在產生相同變形量時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，軟特性持續的時間越短，因而更快地進入近似線性階段，剛度由大急劇變小，反之亦然。從圖6可以看出，密度越大，近似線性段持續的時間越短，剛度由小急劇變大，因而更早地進入硬特性階段，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墊在0.2 mm壓縮變形時的載荷-位移曲線

表1 試驗件參數

圖7為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊在不同壓縮量級條件下測得的載荷-位移對比曲線。從圖中可以看出，金屬橡膠墊和金屬絲網墊的載荷-位移曲線具有相同的特征：(1)其載荷-位移關系均為曲線，說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個階段，小變形時都表現為軟特性，然后隨著變形量的增加逐漸過渡到近似線性階段，最后隨著變形量的繼續增加則表現為硬特性。由于金屬橡膠墊和金屬絲網墊都屬于彈性多孔材料，其力學性能表現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-位移關系曲線具有相同的變化趨勢。但是金屬橡膠墊和金屬絲網墊亦有不同的特點：對于同尺寸同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊，在產生相同變形量時金屬橡膠墊所需施加的載荷大于金屬絲網墊所需施加的載荷，由此可知金屬橡膠墊的承載能力大于金屬絲網墊的承載能力。這主要是由于金屬橡膠墊與金屬絲網墊的細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，組織錯綜交叉、咬合，形成三維網狀結構，而金屬絲網墊的金屬絲之間交叉鋪成網狀，由網狀層堆疊成型，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墊的金屬絲能效的利用率高。

4 金屬絲網與金屬橡膠材料的能量耗散特性

在靜態壓縮試驗中，金屬絲網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，顯然材料在加載過程中耗散了部分能量。因為金屬絲網和金屬橡膠材料屬于干摩擦阻尼材料，在循環加載情況下，通過金屬絲之間的干摩擦消耗能量，從而達到減振目的。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Ψ是衡量材料阻尼減振性能的重要參數，能量耗散系數越大，材料的阻尼性能越好，反之就越差。能量耗散系數等于一個循環耗散的能量與最大變形勢能的比值[1]，計算公式如下

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

4.1 壓縮量對能量耗散系數的影響

圖8為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊在一個循環載荷作用下測得的能量耗散系數與壓縮變形量的關系對比曲線。從圖中可以看出，對于這兩類材料，小變形時能量耗散系數較小；隨著變形量的增加，能量耗散系數隨之增加；當變形量繼續增加，則能量耗散系數又呈減小的趨勢。這是因為在小變形時，主要表現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；當變形增加時，金屬絲之間的滑移摩擦作用也增加，摩擦耗散的能量增加；當變形繼續增加時，金屬絲之間的間隙急劇減小，出現硬特性，即滑移摩擦耗散的能量達到極限，而又增加了金屬絲之間的擠壓彈性，從而耗散系數呈現降低的趨勢。

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

圖7 3種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊的載荷-位移關系對比曲線

對比相同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊，從整體上看金屬橡膠墊的能量耗散系數比金屬絲網墊的能量耗散系數大，說明金屬橡膠墊的阻尼減振性能優于金屬絲網墊的阻尼減振性能。這是由于金屬橡膠墊的絲與絲之間相互勾連，組織錯綜交叉、咬合，形成三維網狀結構，金屬絲之間的滑移摩擦更多，而金屬絲網墊的金屬絲之間交叉鋪成網狀，由網狀層堆疊成型，壓縮時金屬絲之間的滑移摩擦較小。

4.2 密度對能量耗散系數的影響

圖9為3 種密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊在一個循環載荷作用下測得的能量耗散系數與壓縮變形量的關系對比曲線。

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

5 結語

本文通過對金屬絲網墊和金屬橡膠墊材料的加工工藝和細觀特征進行分析，從而對這兩類材料進行嚴格的區分；然后對這兩種材料進行了靜態壓縮試驗，研究不同壓縮量以及不同密度等參數對金屬絲網和金屬橡膠材料的承載能力和能量耗散特性的影響，研究結果表明：

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

（2）對于同尺寸同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊，在產生相同變形量時金屬橡膠墊所需施加的載荷大于金屬絲網墊所需施加的載荷，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墊的承載能力。

（3）對于同尺寸同密度的金屬橡膠墊和金屬絲網墊，在產生相同變形量的條件下，金屬橡膠材料的耗能特性優于金屬絲網材料的耗能特性。

（4）金屬橡膠墊和金屬絲網墊的能量耗散特性與密度和壓縮變形量有關，因此當利用金屬橡膠墊或金屬絲網墊進行隔振設計時應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墊的能量耗散系數-變形量關系對比曲線

圖9 3種密度的金屬橡膠和金屬絲網墊的能量耗散系數-變形量關系對比曲線