金属橡胶材料的发展

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金属橡胶材料的发展

--金属橡胶技术的应用与研究进展

摘要：金属橡胶材料是以金属丝为原材料，经特殊工艺成形制备出的结构件，具有橡胶一样的性能，故将该技术称之为金属橡胶技术。利用该技术成形的结构件称之为金属橡胶构件。由于金属橡胶构件以金属丝为原材料，不含有任何普通橡胶，却具有普通橡胶一样的弹性和多孔性，所以它特别适合高温"低温"大温差"腐蚀等工况下的阻尼减振"节流"密封。金属橡胶构件在特殊环境下表现出的优良性能是其它构件所无法比拟的。文章介绍了金属橡胶的制备工艺方法、主要性能特点、应用领域以及研究进展，探讨了金属橡胶技术的发展趋势。随着金属橡胶技术基础理论的研究深入，以及其产品开发的多样化，金属橡胶材料的诸多优良性能将被发现和利用，其应用前景将大为扩展在我国，金属橡胶材料已经得到了越来越多的重视，并在航天航空领域、大型工业设备减振密封领域等得到了实际应用，尽管研究人员在实验和理论方面已经取得了一定的进展，但是金属橡胶技术在国内发展时间较短，尚有许多问题值得研究。

正文: 二十世纪六七十年代，原苏联为了满足国防用空间飞行器上的特殊需求，解决高温、高压、高真空、超低温及剧烈振动等环境下的减振、过滤、密封、热传导等问题，成功研制出多孔金属橡胶材料。在随后40余年的发展中，俄罗斯，尤其是俄罗斯萨玛拉国立航空航天大学，在金属橡胶的研制与应用方面一直走在世界的前列¨。金属橡胶构件由一种均质的弹

性多孔物质，经特殊的工艺方法，将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压或碾压模具中，然后用冷冲压成型的方法而制成的。因其内部有很多孔洞，既呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能，同时又保持金属的优异特性，俗称金属橡胶(Metal Rubber)。在我国，金属橡胶材料已经得到了越来越多的重视，并在航天航空领域、大型工业设备减振密封领域等得到了实际应用。

金属橡胶材料是以金属丝为原材料，经特殊工艺成形制备出的结构件，具有橡胶一样的性能，故将该技术称之为金属橡胶技术。利用该技术成形的结构件称之为金属橡胶构件。由于金属橡胶构件以金属丝为原材料，不含有任何普通橡胶，却具有普通橡胶一样的弹性和多孔性，所以它特别适合高温"低温"大温差"腐蚀等

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工况下的阻尼减振"节流"密封。金属橡胶构件在特殊环境下表现出的优良性能是其它构件所无法比拟的。

1 金属橡胶材料制备工艺概述

金属橡胶是将螺旋形金属丝嵌入与所需零件形状相同的模具中，经加压或者适当热处理后使其成型。用该方法成型的零件是一种均质的弹性多孔物质，既具有所选择金属固有的特性又具有类似橡胶的弹性。

1.1金属丝选择

制备金属橡胶的原材料为金属丝，具体化学成分由工作条件(如温度、湿度、侵蚀性介质、载荷等)决定。若工作在无腐蚀环境，通常选用30VMnSi、50VCr等；对于在高温和侵蚀性介质中工作的金属橡胶构件，一般采用1Crl8Ni9Ti等奥氏体不锈钢。丝线直径取决于制品的尺寸及零件所需的机械性能和流体力学特性，一般情况下其直径都小于等于0．3 mm。

1.2绕制螺旋卷

制造金属橡胶构件的基本单元是螺旋卷。螺旋卷的质量直接关系到产品的最终性能，诸如：机械强度、弹性阻尼、流体特性和一些化学性能等。螺旋卷是金属丝在滚轮和锥形芯轴之间经过碾压而成。将丝线靠在旋转的锥形型心上，再用滚轮靠在丝线上，使丝线随旋转型心发生塑性变形而形成螺旋卷。缠绕时型心对滚轮的压力Q与导线张力Ⅳ的关系由实验来确定。

1.3拉伸螺旋卷

研究表明，当拉伸后的螺旋卷的螺距近似等于螺旋卷直径时，金属橡胶产品性能最好。因此，在制作金属橡胶构件时，应将缠绕后的螺旋卷均匀拉伸，使螺距等于其直径。

1.4制作毛坯

金属橡胶螺旋卷经过拉伸以后，选择合适的金属丝排布方式和压力成型方式，就可以制作毛坯。考虑到金属橡胶构件的参数(体积Vm。、孔隙度e和密度Pmr)，毛坯质量m按下式确定：

m=(1-e) Pmr Vm。

1.5冷压成型

制成的毛坯要放入模具中冷压缩成型。先将按一定制备工艺方法制成的毛坯件按特定方向放到冷压模具中，此后在5~60MPa压力作用下缓慢压制成型。成形

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过程需要多次加压，每一次压缩到一定程度后，需要保压，然后继续加压保压，直到达到构 件压缩成型件的形状和尺寸。

1.6后期处理

金属橡胶后期处理主要取决于工作环境和特殊使用性能。压制过程中产生的金属屑和污物等杂质会影响金属橡胶的最终性能，故一般都要进行清洗。对无特殊要求的元件可以用清洁剂清洗，对于过滤、节流和弹性阻尼一类的元件，要采用超声波清洗。为调整元件的硬度和塑性，必要时要对其进行热处理。如有耐腐蚀的工作要求，则要涂敷保护膜。以上所述的方法是制造金属橡胶构件的通用方法，而对于具体零件，根据它的不同用途(隔振、密封、过滤、阻尼、节流等)，制造工艺有其自身的特点，这是因为它们对金属橡胶元件各项性能参数的要求不同。正因如此，不同用途的金属橡胶构件的制备工艺略有不同，这主要体现在螺旋卷直径和毛坯制备工艺方法上。

2金属橡胶产品的主要性能特点

(1)耐高温、大温差、抗辐射及腐蚀环境。

(2)承载能力高，耐疲劳，无老化现象，使用寿命和存储时间长。

(3)可满足阻尼、减振、密封、过滤、节流等需求，是特殊工况下普通橡胶产品和其他多孔材料制品的最佳替代品。

(4)其性能指标具有可设计性。通过改变不同的工艺参数和方法，可以制备具有不同结构尺寸和性能特点的金属橡胶制品。

(5)适用于航空航天国防、武器装备、石油化工等各个领域，具有军民两用的鲜明特点。

3金属橡胶应用领域及研究进展

经过国内有关学者十余年的研究、开发和推广，金属橡胶技术已在国内许多工业生产中得到应用，目前主要用于隔振、减振、密封、节流、吸声降噪及阻尼等领域。

3.1 减振、隔振

由于金属橡胶材料是一种弹性、毛细多孔结构，其内部是金属丝的相互嵌合、勾联而成，在受到来自外部的振动、冲击时，金属丝之间将会发生滑移，由此产

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生的金属丝间的摩擦力可以耗散振动或冲击能量。由金属橡胶材料制成构件具有良好的减振及隔振性能，因此广泛地应用于各种隔振、减振装置中。

在国内，减振及隔振是研究金属橡胶最早的领域，目前其理论和实际产品已较为成熟。王佳民等建立了金属橡胶减振器的力学模型，通过对其力学模型的分析与研究，给出了金属橡胶减振器系统非线性特征参数的识别方法，并且开展了金属橡胶减振特性参数与工艺安装参数关系的研究。陈艳秋等对金属橡胶减振垫刚度特性及本构关系进行了研究，针对薄型金属橡胶材料，建立了金属橡胶的本构关系，用于描述单向受压状态下金属橡胶的应力-应变关系。哈尔滨工业大学金属橡胶技术研究所对金属橡胶与弹簧组合型隔振器进行了系统的研究，提出利用粘性阻尼模型和双线性滞迟模型来综合描述其非线性恢复力，利用能量法识别出各参数，建立了恢复力的数学模型和金属橡胶隔振系统的运动微分方程。并且该研究所与金属橡胶的发源地俄罗斯萨马拉国立航空航天大学有着广泛密切的交流合作，具备小批量产业化生产金属橡胶产品的能力。

在导弹武器系统中，各种各样的振动时刻存在，其中包括飞行时各种振动和激励；机动运输时路面的随机振动；飞行时的振动对导弹飞行可靠性和命中精度等影响巨大。多功能导弹发射车舱体"舱体内部仪器"弹上仪器在机动运输过程中都要受到路面的随机振动的影响。这些振动对仪器的使用寿命和可靠性影响很大。长期以来利用传统橡胶作为减振器，其使用寿命相对于金属橡胶来说非常短，在经过一段时间后橡胶将会发生老化。所以，需要定期更换橡胶隔振器，这既浪费人力又浪费物力和财力。金属橡胶材料减振器，具有高寿命、耐腐蚀、耐疲劳、耐老化等优点。此种减振器能够承受二维载荷甚至空间载荷，可以根据使用工况来选择制备工艺。

3.2 密封

金属橡胶材料与普通橡胶材料相比，其最大的特点在于它的弹性可以通过工艺手段在一定范围内加以严格控制，而且可以采用各种金属丝制造，在恶劣环境下(如高温、低温、腐蚀性介质等)不易老化，其物理机械性能稳定。因此在航空航天领域得到了很好的应用。在实际应用中，金属橡胶密封结构类似蜂窝状密封结构，可以改善气流方向，提高效率，降低油耗，密封效果十分理想。将金属橡胶弹性元件作为芯部材料，元件外部辅以四氟乙烯或金属(如铜等)包皮，可以实现接触式密封。闫辉等对大直径小截面金属橡胶密封环制备方法进行了系统的研究，

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同时开展了金属橡胶密封件最小过盈量的研究，分析了金属橡胶密封件的工作机制及失效形式，给出了确定其最小过盈量的计算公式，其研究成果已成功应用于某型号进口直升机起落架的密封。文献[15]对直角滑环式组合型金属橡胶密封件的密封机制进行了研究，并推导出组合型金属橡胶密封环的压缩变形量及接触压力的计算公式。

3.3 节流

金属橡胶多孔材料在轴向变形时具有改变自身通透能力的特性，因此借助螺纹副可将一组节流垫圈压缩到一定程度从而得到所需的流量；金属橡胶材料的高活性孔隙(所有孔隙都是连通的)提高了金属橡胶节流元件的抗堵塞能力；另外，金属橡胶材料本身还具有很好的阻尼特性，当通过金属橡胶构件的流体介质压力骤增时，构件产生变形，其内部的毛细孔有效面积相应减小，并且滑动的金属丝接触面积增加消耗部分能量，从而可以减少脉动冲击的敏感性，基于上述特点金属橡胶材料特别适用于制备各种节流器和减压阀。夏字宏等根据金属橡胶材料的弹性均质多孔特性，对其节流元件内部组织结构特性和节流机制进行了实验研究，同时对圆柱形金属橡胶节流元件的渗透性系数进行了理论推导和实验研究，其研究成为金属橡胶材料在节流领域的广泛应用具有重要参考价值。

金属橡胶技术是解决航空航天环境下阻尼减振"过滤"密封及节流等疑难问题的国防关键技术。它源于二十世纪七十年代的前苏联，俄罗斯萨马拉国立航空航天大学是该技术的发源地。金属橡胶是以金属丝为原材料，经特殊成形工艺成形后，制备出的结构件具有橡胶一样的性能。故将该项技术称之为金属橡胶技术。利用该技术成形的结构件称之为金属橡胶构件。由于金属橡胶构件以金属丝为原材料，不含有任何普通橡胶，却具有普通橡胶一样的弹性和多孔性。所以它特别适合高温"低温"大温差"腐蚀等工况下的阻尼减振"节流"密封。金属构件在特殊环境下表现出的优良性能是其它构件所无法比拟的。俄罗斯利用金属橡胶技术解决了很多国防及航空航天领域的疑难问题，金属橡胶构件被誉为推动俄罗斯国防和航空航天技术进步的功勋元件，也正因为金属橡胶技术在俄罗斯的国防航空航天发挥着巨大的作用。

3.4吸声降噪

金属橡胶材料从表到里都具有大量的互相连通的微孔和缝隙，具有透气性，属于多孔吸声材料。当声波传入金属橡胶内部后，引起孔隙中的空气产生振动并

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与金属丝发生摩擦。由于粘滞作用，声波转变为热能而消耗，从而达到吸收声音的效果。与其他多孔吸声材料相比，金属橡胶材料集成了对吸声有利的特性，如无死穴、比表面积大、有效孔隙率高(0．13—0．95)、性能稳定，具有承受静态或动态负载能力，工作温度范围大、可在各种环境下工作，制备工艺简单等。文献[20一21]通过实验研究分析了金属橡胶材料特征参数对其吸声性能影响，推导出金属橡胶材料有效声速、特性阻抗、传播常数等声学参数的理论计算公式，建立了金属橡胶吸声特性的数学模型。

3.5其他领域

除上述的应用领域外，金属橡胶还在热管芯衬方面有着成功的应用。文献[22]实验研究结果表明，带有金属橡胶材料芯衬的热管的传热和使用性能优于传统的热交换装置。同时，金属橡胶材料在医疗器械方面也有成功应用的报道。

4发展趋势及展望

金属橡胶技术起源于二十世纪七十年代的前苏联，为了解决航空航天及国防等空间环境下的阻尼减振"节流"密封等疑难问题，提出了利用金属螺旋卷相互嵌合构成的多孔网状材料制备具有不同性能的结构件。在最初的十年里，研究工作主要集中在以阻尼减振为目的金属橡胶隔振器的制备工艺和分析方法。八十年代中期，利用金属橡胶构件解决高低温"大温差"强辐射及腐蚀环境下的阻尼减振问题获得了巨大成功，在一定程度上推动了俄罗斯国防建设的进步和发展，在此基础上，利用金属橡胶构件的毛细多孔性能，开展了金属橡胶技术在密封"节流"过滤领域的应用研究，使金属橡胶构件在空间环境下的广泛应用达到了顶峰。金属橡胶技术也因此成为绝对保密的国防关键技术。主要研究内容目前国内有数家大学和科研院所正在研制金属橡胶材料，主要的研究方向大多数集中在理论研究阶段。但是，也有少数几个研究机构在进行理论研究和实际设计与制造，主要解决以下几个问题:金属橡胶的坡度适应能力的研究;金属橡胶使用寿命的摸底试验;金属橡胶承受瞬时大冲击载荷的能力;大尺寸金属橡胶材料的制备;金属橡胶的制备与隔振频率的关系;理论研究体系的建立;加强制备工艺研究；金属橡胶质量检测。

对于金属橡胶材料的研究，尽管研究人员在实验和理论方面已经取得了一定的进展，但是金属橡胶技术在国内发展时间较短，尚有许多问题值得研究。以下一些问题应作为研究重点：(1)金属橡胶内部微观组织结构特性及其对金属橡胶物

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理性能和机械性能的影响；(2)金属橡胶构件弹性变形的细观分析与研究；(3)金属橡胶构件的疲劳损伤机制及其表征方法。开展金属橡胶产品的产业化研究，建立稳定的工艺路线和检测手段，制定金属橡胶产品相关标准和产

品质量评价体系也将是今后金属橡胶技术发展的方向。同时，继减振、密封等领域研究和应用之后，过滤装置已经成为金属橡胶材料应用的又一大领域。俄罗斯已将装有磁化装置的金属橡胶过滤器成功地应用于饮用水的过滤，并且开发研制出多种过滤精度可调节的金属橡胶过滤器，而我国关于金属橡胶材料的过滤技术研究和应用尚处于起步阶段。从以上阐述和分析，可以确定随着金属橡胶基础理论研究的进一步深入，以及其制品开发的多样化。金属橡胶的诸多优良性能将被发现和利用，可以预测到其应用的规模和领域将大为扩展，同时也会促进我国航空航天工业的发展。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ljfq.html