科普 | 新型减振材料——金属橡胶

中科院工程热物理研究所2018-06-19 15:41:52


什么是金属橡胶

听到“金属橡胶”这个词,人们往往望文生义地想,应该是橡胶和金属混合在一起制成的吧。


其实不然,金属橡胶里面没有一丁点儿橡胶,全是由金属丝组成的。之所以叫它“金属橡胶”,是因为它拥有和橡胶一样的阻尼性能,也就是能吸收振动的能量。

不同形状的金属橡胶

金属橡胶是在金属丝网的基础上研发出来的,所以也有人叫它“金属丝网阻尼器”。

金属橡胶的应用

金属橡胶最早由美国应用在军用飞机上,用来解决高温或低温下飞行器机载设备减振装置的可靠性和耐久性问题。

随后,作为一种兼具良好承载能力和阻尼性能且耐高低温的结构阻尼材料,金属橡胶一直被用在航天推进系统中的液氢-液氧涡轮转子泵的结构设计中。


此外,由于金属橡胶也是一种多孔材料,具有良好的抗腐蚀性,也被应用在密封、过滤、外科手术等领域中。


当然,金属橡胶最受瞩目的,就是其能在高低温、高低压下均表现出的优秀阻尼性能。该阻尼性能来自于金属橡胶中金属丝之间的干摩擦,在对金属橡胶加载-卸载的一个循环中,金属丝之间的摩擦力始终与外力方向相反,故加载与卸载的应力-应变曲线并不重合,于是就形成“迟滞回线”,而该“迟滞回线”所包围的面积就代表了金属橡胶的阻尼性能。

加载-卸载形成的“迟滞回线”

由于金属橡胶的原材料是金属丝,当选用不同材料的金属丝时,金属橡胶成品便可以具有不同的性质,比如当选用不锈钢丝作为原材料时,金属橡胶便具有良好的抗腐蚀性能,当选用具有记忆效应的NiTi合金丝作为原材料时,金属橡胶便成为具有记忆效应的阻尼材料。


近年来,还有学者将金属橡胶的阻尼性质与空气轴承结合,通过将金属橡胶垫放置在空气轴承的箔片下面,利用金属橡胶提供刚度和阻尼,从而提高空气轴承的稳定工作范围。


应用在空气轴承中的金属橡胶

此外,也有学者尝试将NiTi记忆合金制作的金属橡胶元件用在发动机转子上,利用记忆合金相变前后的弹性模量不同来控制转子的刚度,从而达到在全转速范围内控制发动机振动的目的。

金属橡胶的制作工艺

既然金属橡胶的用处这么多,那下面我们就来看看金属橡胶是如何制作的?


金属橡胶的制作主要分为三个步骤:


首先,将金属丝卷成卷儿,就像平常见到的弹簧一样;


然后,将金属丝缠绕成柱状毛坯;


最后,将该柱状毛坯放置在预先设计好的模具中,经过压制,金属橡胶就成型了。

金属橡胶的制作过程

当模具形状不一样时,最终成型的金属橡胶成品形状也不一样。此外,还有学者认为,在压制成型后应该加入热定型步骤用来稳定其力学特性。

研究所在金属橡胶方面的工作

虽然金属橡胶的阻尼性能优异,但是目前对金属橡胶的研究结果表明,影响金属橡胶性能的关键参数只有相对密度一个。这决定了在设计符合刚度性能、阻尼性能要求的金属橡胶成品时,只能选择控制相对密度,留给设计者的选择余地并不大。


基于上述问题,中科院工程热物理研究所轻型动力实验室研究人员提出了一种新的方案,即利用多种金属丝来制作复合型的金属橡胶,并对其力学性能、阻尼性能进行基础研究,目的是为了发现多种丝之间比例不同时,该复合型金属橡胶的性能会如何变化。通过试验,科研人员已获得复合型金属橡胶静态特性与多种丝比例之间的部分研究结论。


这一新方案今后有望为设计者们在设计金属橡胶时提供一种新的选择。






 供稿:轻型动力实验室  胡嘉麟   (部分照片来源于网络




Copyright © 河北钢材价格联盟@2017