金属橡胶硅橡胶复合阻尼材料的研究.pdf

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1、金属橡胶 硅橡胶复合阻尼材料的研究 1 1 9 文章编号：1 0 0 6 1 3 5 5(2 0 0 9)0 2-0 1 1 9-0 4 金属橡胶 硅橡胶 复合 阻尼材料 的研究 赵 程，张 军，张 恒(1 郑州航空工业管理学院 机电工程学院，郑州4 5 0 0 1 5；2 郑州大学 机械工程学院，郑州4 5 0 0 5 2)摘要：复合硅橡胶不仅可解决6 5 Mn 金属橡胶的耐腐蚀性差的问题、显著提高金属橡胶的刚度，而且使其应 力 一 应变 曲线的 曲线特征发生较大改变；复合后 的静态损耗 因子仍然保持在 0 4 0 0 5 0的较高水平 上，动态损耗【大 J 子随密度增加而下降的速度低于复合

2、前，说明金属橡胶 硅橡胶复合阻尼材料在动态减振、隔振方面存在较好的 应用前景。关键词：振动与波；金属橡胶；硅橡胶；复合处理 中图分类号：T B 5 3 5 1 文献标识码：A M u l t i p l e x Da mp i ng M a t e r i a l s o f M e t a l Rub be r-S i l i c o n e Ru bb e r Z HA O C h e n g 一，Z H A NG J u n ，Z H A NG H e n g (1 Z h e n g z h o u I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a

3、 l I n d u s t r y M a n a g e me n t，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 5，C h i n a；2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2，C h i n a)Abs t r ac t：Co mp o s i t e t e c h n i q u e o f me t a l r u b b e r a n d s i l i

4、 c o n e ru b b e r i s r e s e a r c h e d Te s t r e s u l t s s h o w t ha t t he ma t e r i a l c o mp o s e d by 6 5 Mn me t a l ru b b e r a n d s i l i c o n e ru b b e r h a s a h i g he r a b i l i t y o f a n t i -c o r r o s i o n a n d h i g h e r s t i f f n e s s i n c o mp a r i s o n

5、 wi t h t h e 6 5 Mn me t a l rub be r I t s f e a t u r e o f s t r e s s s t r a i n c u r v e i s a l-S O c h a n g e d s i g n i f i c a n t l y I t s s t a t i c l o s s f a c t o r i s s t i l l p r e s e rv e d i n a h i g h l e v e l o f 0 4 0 5 I t s dy n a mi c l o s s-f a c t o r de c r e

6、 a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f de ns i t y mo r e s l o wl y t h a n t h e 6 5 Mn me t a l ru b b e r T hi s s h o ws t h a t t h e mu l t i p l e x da mpi n g ma t e r i a l s，wh i c h a r e c o mp o s e d b y me t a l ru b b e r a n d s i l i c o n e ru b b e r，ha v e g o o d p r o s p

7、e c t s f o r e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s i n t h e a s p e c t o f v i b r a t i o n r e d uc t i o n a n d v i b r a t i o n i s o l a t i o n Ke y wor ds：v i b r a t i o n a n d wa v e；me t a l rubb e r；s i l i c o n e r u b b e r；c o mp o s i t e t e c h n i q u e 金属橡胶具有 阻尼性 能好

8、、环境适应能力 强、可用于复杂载荷作用工况、使 用寿命高、结构 与性 能具有可设计性等诸多优点，_ 1 z 在减振、隔振、密 封、过 滤、节 流 等 方 面 的应 用 取 得 了 良好 的 效 果。但 目前的研究面临如下问题：(1)主要采用 1 C r l 8 N i 9 T i 和 0 C r l 8 N i 9 T i 两种 奥氏体不锈钢，但材料价格较高且刚度较低；(2)一般采用多层铺放 的方法加工坯料，采用 编织、模压成形较少，工件承受复杂应力作用的能 收稿 日期：2 0 0 8 0 81 7 修改 日期：2 0 0 8 0 4 2 1 基金项 目：河南 省青年骨 干教师资助计 划项 目

9、；河南 省科技 厅科技 攻关项 目(立项编号 0 7 2 1 0 2 2 4 0 0 2 4)作者简介：赵程(1 9 6 7一)，男，河 南人，副教授，博士，主要从 事金属 橡胶研究。E ma i l：z c 1 9 6 7 1 1 1 7 y a h o o c o n e n。力 较差；为此，我们进行 了 6 5 Mn金属橡胶一 硅橡胶 复合 阻尼材料研究，以达到以下 目的：(1)探索编织成形工艺，以有效防止工件在承 受复杂应力作用的破坏；(2)以 6 5 M n代 替奥 氏体 不锈钢，发挥 6 5 M n 易获得、弹性好、价格低、使用 范围广、生产量 大的 优势，从而为金属橡胶大规模工业

10、化应用打下基础；(3)通过对6 5 M n 金属橡胶进行硅橡胶复合处 理，不仅可以解决其耐腐蚀性差、易氧化等问题，而 且对其刚度与阻尼性能产生影响。1 6 5 Mn金属橡胶 硅橡胶 用 0 4 mm金属丝横竖交叉编织出二维网片；然 后沿二维 网片纵 向紧密卷起，成为实心棒状；再用 2 0 0 9年 4月 噪声与振动控制 第 2期 相同材质钢丝将其扎紧后放人筒形模具 中，在试验 机上加压 压制 成形，成形 压力 载荷 分别 为 6 K N、1 0 K N、1 6 K N、2 2 K N、2 8 K N。加工后的试样参数如表 1 所示。试样实物如图 1 所示。表 1 试样参数 试 茂 形 力 高

11、直 径 密 度 霉 质 量 高 直 径 密 度 样 号 M P a m m m m g Cm g m m mm gcm X 1 I 8 1 2 6 2 2 2 0 5 6 1 1 6 2 X 5 8 5 O 1 4 2 O 2 O 4 7 2 1 8 6 )(2 2 9 9 2 1 3 9 2 0 6 4 1 4 2 4 XB 4 8 4 1 4 5 5 2 0 5 1 1 6 6 5 )(3 4 9 O l 7 2 7 2 0 3 9 1 7 4 8 X 6 l 1 1 6 4 1 9 O 9 2 0 4 9 1 7 7 4 X 4 6 7 O 1 5 3 6 2 0 4 5 1 9 8 9

12、 X 7 l 0 9 7 4 7 l 9 O 7 2 0 4 l 1 7 5 9 备注：X l、x 2、X 3、X 4、X 5 _ _ 6 5 Mn；x B 不 锈钢。复合硅橡胶后的试样实物如图2所示。图 1 试样实物 图2 复合硅橡胶后的试样 2 性能测试 2 1 耐腐蚀性测试 对试样 F X 6(x 6 经过复合硅橡胶处理)、X 7、G 1 (纯硅橡胶试样)、X B进行除污、干燥处理后称重，质量为 m 。然后将试样放人浓度为5 的硝酸溶液 中浸泡 2 4小时后取 出并在清水 中洗涤后用吹风机 吹 2 0 rai n，再次称重，质量为 m，。再使用吹风机吹 1 0 mi n，第 3次称重，质

13、量为 m，。2 2 静态性能测试 将金属橡胶试样放在试验机 的下压板中心位 置，在速度 0 5 m m m i n的加载条件下进行 缓慢加 载，至 3 K N后 以同样速度缓慢卸载。获得力一 位移 曲线，如图3所示。图 3 静态力一 位移 曲线 将图 3中加载 曲线进行如下处理：纵坐标力除 以试样横截面积转变为应力，横坐标 除以试样 的厚 度得到应 变。这样，静 态力一 位 移曲线 即转 变成应 力 应变曲线。由图 3中加载曲线、卸载曲线可见，加载曲线下 的面积 A为加载过程 中，外力对 金属橡胶试样 做 功；卸载曲线下面积 B为卸载过程 中金属橡胶试样 对外做功；加载曲线与卸载曲线所围成的面

14、积 C为 在一次加载、卸载循环过程 中，试样阻尼所消耗的 阻尼能。静态损耗因子卢 静 计算 JB 静=C A 2 3 动态性能测试 对试样预压 1 5 m m，再加 2 H z，振 幅 0 5 m m正 弦激励，其结果如图4所示。(a)动态力-位移曲线(b)取出的单个循环环 图4 动态力一 位移曲线 循环环 相互 吻合很好，可任 意取 出一个 循环 环，如图4(b)所示。A、B的意义同 3 2。最下面矩 形面积 C为没有完全 卸载，金属橡胶所 具有 的应 变能。动态损耗因子 p 低 计算 卢 低=(AB)(AC)金属橡胶 硅橡胶复合阻尼材料的研究 1 2 1 3 实验结果与分析 3 1 耐腐蚀

15、 性测 试结 果与分 析 耐腐蚀性测试结果如表 2所示。表 2 试样被腐蚀前后质量 试样编号 F X 6 X 7 G 1 X B m0 g l1 1 6 4 0 1 0 97 4 7 7 0 29 6 7 99 9 6 ml g 1 0 5 76 2 8 2 38 4 7 7 77 4 7 0 21 2 m2 g 1 0 5 75 3 8 2 42 4 7 7 77 2 7 0l 3 2 喷量损失 5 3 2 4 9 0 3 1 2 2 备注：质量损失=(m0 一m1)m o 1 0 0 结果分析如下：(1)m。m ，说 明当试样吹 2 0分钟 时，已基 本被吹干，可保证实验数据 的准确性。(

16、2)6 5 M n钢、不锈钢、硅橡胶 的腐蚀质量损失 依次递减，6 5 Mn钢的腐蚀质量损失约为不锈钢的 2 倍，硅橡胶耐酸腐蚀性最好，腐蚀质量损失很小。(3)6 5 Mn钢复合硅橡胶后，腐蚀质量损失大 幅度降低，还不到不锈钢的一半；但与硅橡胶相 比，腐蚀质量损失还 比较 大，主要 由于复合硅橡胶后，为在测试性 能时消除试样 两个端 面上纯硅橡胶层 的影响，剥去了表面纯硅橡胶层，导致部分金属丝 裸露。复合硅橡胶处理，可有效保护 6 5 Mn金属橡胶，可胜任酸性腐蚀工况。3 2 静态应力 应变曲线测试结果与分析 试样 X B、试样 X1、X 2、X 3、X 4、X 5及其复合硅 橡胶后的试样 F

17、 X 1、F X 2、F X 3、F X 4、F X 5的静态应 力 应变曲线如图 5所示。(a)复合处理前(b)复合处理后 图5 静态应力一 应变曲线 结果分析如下：(1)金属橡胶的应力一 应变 曲线呈 明显的双线 性；复合处理后，双线性特征减弱，趋 向于直线性 特 征，并且 随着 金 属橡 胶 密度 的增加，直线 性 特 征 增强。(2)复合处理前、后的试样的应力 应变曲线具 有共同规律：随着密度增加，应力 应变曲线左移，承 载能力提高；密度越大，曲线左移越多。(3)复合处理后，应力 应变 曲线左移，并且密 度越大，左移越多。这说明硅橡胶对钢丝移动具有 束缚作用、复合处理具有显著提高金属橡

18、胶 刚度的 作用。(4)与未经复合处理试样 比较，复合处 理后，应力 应变曲线前面部分明显变陡，后面部分明显变 平缓。这说明在复合硅橡胶后，试样 内部孔洞被硅 橡胶填 充，组 织 结构 趋 向于实 体，可 提 高 了承载 能力。3 3 静态损耗 因子测试结果与分析 在加载速度、卸载速度均为 0 5 mm mi n、最大 载荷 为 3 0 K N的条 件下，对 X 1、X 2、X 3、X 4、X 5、F X 1、F X 2、F X 3、F X 4、F X 5进行 了静态 损耗 因子测 试，每个试样测试 1 0次，取平均值，结果如表 3、图 6 所示 表 3 静态损耗因子 复合前 复合后 试样号

19、g密度e m3 损 子 试样 g密度e m3 损 子 Xl 1 1 62 5 2 4 2 FX1 1 9 70 5 0 41 X2 1 4 24 51 5 0 F)(2 2 2 59 45 8 8 X3 1 7 48 50 9 3 F X3 2 5 43 44 54 X4 1 9 89 50 1 9 F X4 2 7 22 41 40 X5 21 86 47 1 5 F)(5 2 8 9 7 41 78 -L 蛊 图 6静态损耗 因子与密度关系 结果分析如下：(1)复合硅橡胶前，金属橡胶的静态损耗因子 与密度呈近似直线关 系，随密度增加，静态损耗 因 子下降，经拟合直线方程为 卢 静=一4 3

20、 7 o 8 p+5 7 8 7 6 随密度增加，金属橡胶 刚度增 加，在相 同载荷 作用下压缩变形量减小，金属丝之 间的摩擦行程减 小，阻尼耗能减小。(2)复合硅橡胶后，静态损耗因子与密度仍呈 2 0 0 9年 4月 噪声与振动控制 第 2期 近似直线关系，随密度增加，静态损耗 因子下 降，经 拟合直线方程为 JB 静=一9 5 3 2 1 p+6 8 4 2 4 复合后，试样在压缩变形 过程 中，不仅存在 金 属丝之间的摩擦，而且存在硅橡胶 内部以及硅橡胶 与金属丝之 间的摩擦。但 随密度增加，刚度增加，在相 同载荷作用下压缩变形量减小，3种摩擦的行 程减小，阻尼耗能减小。(3)金属橡胶

21、复合硅橡胶后，密度增加，静态 损耗因子尽管下降，但仍然保持在 4 0 一 5 0 的较 高水平上；复合后，随密度增加，静态损耗 因子下降 较复合前略快。3 4金属橡胶动态损耗因子测试结果与分析 在循环加载速度、卸载速度均为 1 0 mm m i n、变 形的范围为 2 0 m m一1 O mm的条件下，对 x1、X 2、X 3、X 4、X 5、F X 1、F X 2、F X 3、F X 4、F X 5进行了动态损 耗因子测试，每个试样测试 1 0次，取平均值，结果如 表 4、图7所示。表 4 动态损耗 因子 复合前 复合后 试样号 g密度c m3 损 子 试样 g密度c m3 损 子 X1 1

22、 1 62 3 0 1 5 FX1 1 97 0 26 1 7 X2 1 4 24 29 98 Fx2 2 25 9 24 71 X3 1 7 48 27 57 FX3 2 5 43 23 74 X4 1 9 89 25 94 FX4 2 72 2 23 3 6 X5 2 1 8 6 2 4 4 5 F)(5 2 8 9 7 21 3 1 密度 g c m 图7 动态损耗因子与密度关系 结果分析如下：(1)复合硅橡胶前，金属橡胶 的动态损耗 因子 与密度呈近似直线关系，随密度增加，动态损耗 因 子下降，经拟合直线方程为 卢 低=一5 8 7 6 8 p+3 7 6 1 9 (2)复合硅橡胶后，

23、动态损耗因子与密度仍呈 近似直线关系，随密度增加，动态损耗因子下降，经 拟合直线方程为 卢 低=一4 6 9 0 4 p+3 5 4 8 2 (3)金属橡胶复合硅橡胶后，密度增加，动态 损耗因子下降至 0 2 10 2 6，随密度增加，动态损 耗因子下降较复合前略慢。(4)复合前后的动态损耗 因子均 比相应的静 态损耗因子低。主要原 因与动态条件下，变形不能 完全及时恢复，摩擦行程减小。4 结 语(1)通过复合硅橡胶解决 6 5 Mn 金属橡胶的耐 腐蚀性差的方法可行。(2)经过复合处理，应力 应变 曲线显著左移，刚度明显提高，可用于较大载荷作用。(3)复合硅橡胶后，应力一 应变曲线的双线性特

24、 征趋向于直线性特征，刚度显著提 高；静态损耗因 子随密度增加而下降的速度高于复合前，但仍然保 持在 4 0 一 5 0 的较高水平上；动态损耗 因子随密 度增加而下降的速度低于复合前。参考文 献：1 王佳民，裴听国 惯性平台新型金属橡胶减振器非线 性特性分析 J 宇航学报，2 0 0 4，2 5(3)：2 5 6 2 6 1 2 金海薇，张树森 两种薄壁壳体阻尼器阻尼性能研究 J 军械工程学院学报，2 0 0 4，1 6(3)：6 6 6 9 3 敖宏瑞，姜洪源，王树国，等 支承发动机管路的金属 橡胶阻尼器隔振性能研究 J 机械设计，2 0 0 3，2 0 (2)：1 41 7 4 赵程，贺跃进，张恒 金属橡胶的应用研究 J 噪声与 振动控制，2 0 0 6年，(5)：4 5 4 7，7 3 5 夏宇宏，姜洪源，李瑰贤，等0 C r l 8 N T i 金属橡胶多 孔材料的气体渗透性 J 功能材料，2 0 0 4，(2)：2 6 7 27 0 6 G B T 1 4 4 6 5 1 9 9 3 材料阻尼特性术语 S 7 6 8 1 7 彭威，白鸿柏，郑坚，等 金属橡胶材料阻尼测试的一 个新方法 J 实验力学，2 0 0 4，1 9(3)：3 4 2 3 4 6