金屬橡膠力學性能及應用研究進展

梁睿君，郝文龍，陳蔚芳

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京，210016)

隨著現代工業的發展，機械結構逐漸被應用于太空、深海、極地等極端惡劣和特殊的環境中，極端的工作環境對隔振減振零件帶來了極大的挑戰，對材料的環境適應性提出了更高的要求。橡膠是一種具有天然隔振效果的材料，但橡膠材料適用于較窄的溫度范圍，且抗腐蝕能力差，易老化損耗。相比于橡膠，金屬橡膠具有抗疲勞老化、壽命長、耐油污、耐高低溫[1]、耐腐蝕[2]、耐輻照以及在惡劣環境下能夠保持良好性能的特點，成為在航空、航天、軌道、石油、化工等領域苛刻環境中用于替代橡膠的一種新型減振隔振材料。

金屬橡膠是一種均勻的彈性多孔材料，由加工成極細螺旋卷的不銹鋼絲經過特殊的編織纏繞工藝制成其毛坯，并通過冷沖壓成型制備成需要的形狀。因其具有金屬所不具有的橡膠性能和橡膠所不具有的金屬性能，故稱為金屬橡膠(metal rubber)。由于金屬橡膠試件制作工藝復雜、價格昂貴，且易產生成型缺陷，性能一致性和互換性較差，因此目前還未大范圍地取代橡膠制品。

20世紀50年代末，美國軍方首先將金屬橡膠應用于軍用飛機機載儀器設備的減振和緩沖。我國對于金屬橡膠的研究起源于20世紀90年代。王新等[3]研究了一種環形金屬橡膠減振器，用于解決在低溫環境下工作的火箭發動機的液氫和液氧渦輪泵轉子支承系統振動問題，這是國內首篇有關金屬橡膠應用的報道。2000年，隨著《金屬橡膠構件的設計》[4]中譯版本的出版發行，國內學者們認識到這種新型材料的價值，對其開展了持續深入的研究，并將大部分研究成果應用于航空航天、艦艇及民用領域。金屬橡膠的制備過程一般包括金屬絲的選擇、螺旋卷的繞制、拉伸與編織、冷沖壓成型和后期處理(如清洗、熱處理等)5個步驟，各步驟中的參數即內在因素會對金屬橡膠的力學性能產生影響。隨著機械化、自動化制備技術的發展，人工參與度減少，提高了金屬橡膠產品一致性，為金屬橡膠力學性能影響因素的對比研究提供了可行性。

本文作者對近20年國內外在金屬橡膠動靜態力學性能及其影響因素方面的研究進展進行綜述和評價，對金屬橡膠力學性能在減振、降噪及衍生產品上的應用進行描述，在此基礎上，對金屬橡膠減振隔振技術存在的問題和發展趨勢進行分析和預測。

1 金屬橡膠力學模型

1.1 阻尼模型

金屬橡膠常見形狀有圓環形、圓餅形和方形，如圖1所示。無論哪種形狀，內部金屬螺旋卷都是以相互嚙合、勾連或滑動摩擦的方式接觸。當承受外部載荷時，一方面，內部微元彈簧接觸面之間的干摩擦會引起結構阻尼；另一方面，由于部分金屬絲的滑移和扭曲不能完全復原而造成永久性變形，這一部分稱為黏性阻尼，這樣金屬橡膠制件就將外界激勵的一部分振動能量轉化為熱能或其他形式的能量，從而起到緩沖和降低振動量級的效果[5]。

圖1 金屬橡膠常見形狀Fig.1 Physical figure of metal rubber

金屬橡膠的壓縮試驗結果表明，金屬橡膠中螺旋卷的排列方式會影響其阻尼性能。朱彬等[6-7]從金屬橡膠的微元細觀結構出發，分析螺旋卷的不同接觸狀態并構建不同接觸狀態的力學模型，從而得到金屬橡膠的遲滯特性本構模型；利用該模型闡述了金屬橡膠的阻尼機理，認為螺旋卷之間“未接觸—滑移接觸—擠壓接觸”的轉換(如圖2所示)是造成金屬橡膠剛度和阻尼非線性的主要原因，并且在滑移接觸狀態下接觸對的數量是影響金屬橡膠阻尼的主要因素。

圖2 螺旋卷接觸狀態Fig.2 Contact state of spiral coil

金屬橡膠的阻尼通?；诘刃ё枘醽砻枋?。李宇明等[8]將金屬橡膠的阻尼等效為黏性阻尼，采用非線性多項式疊加等效阻尼力的方式來構建動力學模型，分析在不同振幅和頻率下的阻尼特性。ZHANG 等[9]將遲滯恢復力分解為非線性彈性力、非線性黏性阻尼力和干摩擦阻尼力，建立了雙折線遲滯阻尼模型，并提出了一種基于最小二乘法、可調預測誤差平方和準則和非線性模型的參數識別方法。路純紅等[10]通過將恢復力分解為非線性彈性力和非線性阻尼力，建立了金屬橡膠復合型耗能器的非線性彈性復合阻尼模型，并將模型結果與試驗結果進行對比，驗證了模型的精度。

1.2 本構模型

金屬橡膠是一種典型的非線性材料，其加載過程將經歷3個階段：線彈性階段(OA段)、軟特性階段(AB段)和硬化階段(BC段)，如圖3所示[11]。在OA段，金屬橡膠的彈性模量基本不變且變形較??；在AB段，載荷和彈性模量增加緩慢，但由于螺旋卷之間的相對滑移而產生較大位移和變形；在BC段，載荷和彈性模量急劇增加，且彈性模量趨于定值。

圖3 金屬橡膠的壓力-位移曲線[11]Fig.3 Stress-displacement curve of metal rubber[11]

1.2.1 本構建模方法

通過本構建模分析，可以了解金屬橡膠力學性能與絲材參數、裝配參數和載荷之間的關系[12]。本構模型與多個參數之間存在很強的相關性，因此很難找到既簡單又精準的模型。金屬橡膠的本構模型大都基于微元彈簧模型建立。郭寶亭等[13]分析了以微元彈簧為基本元件的金屬橡膠的減振機理，在此基礎上建立了金屬橡膠在成型方向上和在非成型方向上的本構模型，驗證了金屬橡膠材料的各向異性。彭威等[14]從微元彈簧的徑向和軸向變形機理出發，在細觀表征中引入鋪層比例系數，建立了金屬橡膠的準靜態本構模型，該模型反映了金屬橡膠材料的壓縮性能以及工藝各向異性。

與僅基于微元彈簧模型相比，將微元彈簧模型與其他模型結合建立的本構模型更加準確。陳艷秋等[15]以微元彈簧模型為基礎，結合小曲梁模型建立了金屬橡膠單向受壓狀態的本構模型，為金屬橡膠減振器的設計提供了理論依據。XU等[16]也結合微元彈簧模型和小曲梁模型，建立了金屬橡膠的本構模型。該模型直接反映了金屬絲直徑、金屬絲彈性模量、螺旋卷直徑、金屬橡膠相對密度等結構參數與外載荷之間的關系，適用于指導金屬橡膠設計。

李宇燕等[17]以多孔結構受力變形模型(見圖4，其中F為載荷；l和t分別為結構的長度和壁厚；δ為結構受載荷F作用后的變形)，以干摩擦非線性理論為依據，結合小曲梁模型建立了金屬橡膠的本構關系。鄒廣平等[18]先將金屬絲通過特定的規則編制成金屬絲網，再將金屬絲網卷繞成毛坯，最后沖壓成型制成金屬絲網橡膠(見圖5)；針對制成的金屬絲網橡膠，采用圓環嵌套模型，基于其制造過程，結合干摩擦非線性理論和小曲梁模型建立其本構關系。金屬絲網橡膠的本構模型的基本單元是網格，通過小曲梁模型得到單元網格的剛度；而金屬橡膠本構模型的基本單元是螺旋卷，其采用微元彈簧模型求解得到單元剛度。

圖4 多孔材料模型[17]Fig.4 Porous material model[17]

圖5 圓環形金屬絲網橡膠[18]Fig.5 Circular metal-net rubber[18]

1.2.2 遲滯本構模型

金屬橡膠內部存在干摩擦阻尼，導致其力-位移曲線在加載和卸載過程中不相同，形成遲滯回線[19]，如圖6所示。圖6 中，ΔW為在加載和卸載過程中金屬橡膠耗散的能量；U為在加卸載過程中儲存的最大能量。通常用損耗因子η來表征阻尼特性，其關系式為

圖6 加載-卸載壓縮條件下金屬橡膠典型遲滯回線[19]Fig.6 Typical hysteresis loops of metal rubber under loading-unloading compression[19]

姜洪源等[20]基于黏性阻尼模型和雙線性遲滯模型，建立了金屬橡膠恢復力數學模型?；谠摂祵W模型及非線性彈性黏性阻尼，李冬偉等[21]建立了雙折線遲滯恢復力模型，用于解釋金屬橡膠的干摩擦作用機理。

曹鳳利等[22-23]通過分析金屬橡膠的細觀特征及螺旋卷壓縮過程的空間形態和接觸方式，建立了變長曲梁的微觀模型以及曲梁間的相互接觸作用模型，從而獲得金屬橡膠的遲滯本構模型，并通過試驗驗證了該模型的有效性。

1.3 疲勞特性

金屬橡膠疲勞會對其減振性能產生不良影響。金屬橡膠的抗疲勞性能越差，其減振能力就越弱。當前金屬材料的疲勞特性研究已較為完善，但金屬橡膠的疲勞特性研究還很少。金屬材料是一種連續體，隨著振動次數增加會突然發生斷裂而失效。而金屬橡膠是多孔非連續體，其內部金屬絲不斷摩擦產生的磨損、損傷或斷裂，會使金屬橡膠局部發生不可逆轉的結構變化。局部破壞一般不會直接導致整個構件失效，但會降低構件的減振隔振性能。由于金屬材料與金屬橡膠的疲勞失效情況不同，故前者研究結果不能直接應用于后者。

侯軍芳等[24]通過固支圓盤金屬橡膠減振器的阻尼性能實驗，驗證了金屬絲的斷裂破碎和磨損是金屬橡膠疲勞破壞的主要形式，提出用損傷因子D來表征金屬橡膠材料的疲勞損傷累積的程度，其關系式為

式中：K0為試件初始剛度；Kn為試件振動n次后的剛度。當n等于0 時，D為0。隨著疲勞損傷不斷積累，損傷因子逐漸增大，當達到試件失效時的臨界損傷因子時，試件判定為失效。

LI 等[25]通過在高溫和低溫環境下對金屬橡膠試件開展疲勞試驗，指出環境溫度對疲勞性能的影響主要包括2 個方面：一是金屬絲的彈性模量、抗拉強度等本身受溫度影響；二是溫度會改變金屬絲間的微動接觸摩擦因數和磨損速率。曹鳳利等[26]分別對回火和未回火的金屬橡膠試件進行了加載疲勞實驗，根據自定義割線剛度和等效黏性阻尼系數這兩個疲勞損傷參數，發現回火有助于減小金屬絲的內應力并使金屬絲尺寸保持穩定，從而提高試件的承載能力，延長其疲勞壽命。進一步研究振幅對金屬橡膠疲勞特性的影響，可以發現：小振幅加載有助于改善金屬絲的力學特性，但隨著振幅增大，會引起疲勞，縮短疲勞壽命[27]。趙程等[28]對碳氮共滲金屬絲和未碳氮共滲金屬絲分別形成的金屬橡膠進行疲勞實驗，發現前者疲勞壽命提高了28.6%?？梢娡ㄟ^適當的熱處理，能夠提高金屬橡膠的承載能力，延長金屬橡膠的疲勞壽命。

2 金屬橡膠的力學性能影響因素

2.1 靜態特性的影響因素

金屬橡膠內在固有參數、制作工藝及外在使用因素都會對其靜態特性產生影響。

2.1.1 內在因素

1)金屬絲材質。佘文韜[29]使用絲徑均為0.2 mm的304不銹鋼絲和316不銹鋼絲來制備相同規格的金屬橡膠試件，對所得試件進行靜態壓縮試驗，得到應力-應變曲線如圖7所示。由圖7 可以看出：在小變形階段，2種試件的剛度接近；隨著變形增加，2 種試件的剛度差別越來越大，304不銹鋼試件的剛度比316 不銹鋼試件的剛度大很多。

圖7 不同絲材金屬橡膠的應力-應變曲線[29]Fig.7 Stress-strain curves of metal rubber with different wire materials[29]

2)金屬絲絲徑。對不同絲徑金屬橡膠試件進行靜態壓縮試驗[30-31]，得到應力-應變曲線，如圖8所示。由圖8 可以看出：隨著絲徑增大，曲線的斜率增大，說明金屬橡膠的剛度增大。這是因為絲徑越大，單個螺旋卷曲梁的剛度就越大，金屬橡膠的整體剛度就越大。

圖8 不同絲徑下應力-應變曲線[30]Fig.8 Stress-strain curves under different wire diameters[30]

3)螺旋卷直徑。馬艷紅等[32-33]研究了螺旋卷直徑對金屬橡膠剛度的影響。不同螺旋直徑下應力-應變曲線見圖9[32]。由圖9可見：若螺旋卷直徑增大，相同應變下應力減小，則金屬橡膠的非線性彈性模量減小，剛度也減小。這是因為螺旋卷直徑越大，其等效變形曲梁的長度越長，則剛度越小，故金屬橡膠整體剛度越小。

圖9 不同螺旋卷直徑下應力-應變曲線[32]Fig.9 Stress-strain curves under different spiral diameters[32]

4)相對密度。WANG 等[34-35]研究了金屬橡膠的相對密度對其靜態性能的影響。不同相對密度下應力-應變曲線[35]見圖10。由圖10可以看出：若相對密度增大，則金屬橡膠的非線性彈性模量增大，阻尼特性更明顯。這是因為對于相同外形尺寸的金屬橡膠，相對密度越大，則金屬絲排列越緊密，擠壓性越強，金屬橡膠的硬特性越強，靜剛度越大。

圖10 不同相對密度下應力-應變曲線[35]Fig.10 Stress-strain curves under different relative densities[35]

2.1.2 外在因素

1)壓縮量。研究[30,36]表明：壓縮量會使金屬橡膠處于不同階段，導致剛度不同；大壓縮量下的加載-卸載曲線對小壓縮量下的加載-卸載曲線有很好的包絡性。

2)加載速度。本文作者在不同加載速度下對金屬橡膠進行靜態壓縮試驗，試驗結果如圖11所示。由圖11可以看出：不同加載速度下力-位移曲線重合性非常好，說明加載速度對金屬橡膠的靜剛度影響非常小。

圖11 不同加載速度下的力-位移曲線Fig.11 Force-displacement curves under different loading speeds

3)溫度。金屬橡膠在不同環境溫度下的靜態壓縮試驗結果[37]如圖12所示。由圖12可見：當溫度升高時，金屬橡膠試件的剛度呈增大趨勢[37-38]。其原因是當溫度升高時，在相同載荷條件下試件的變形量增大，使內部螺旋卷接觸點數量增多、金屬絲之間的摩擦增多。摩擦力增大對剛度的強化作用超過了溫度升高對金屬絲的“軟”化作用的影響，故金屬橡膠的剛度呈現隨溫度升高而逐漸增大趨勢。

圖12 不同溫度下的靜剛度[37]Fig.12 Stiffness at different temperatures[37]

2.2 動態特性的影響因素

2.2.1 內在因素

1)金屬絲材質。ERTAS 等[39]對由銅和鎳鈦合金材料制成的相同規格的金屬橡膠進行動態試驗，發現在小位移階段，銅金屬橡膠的剛度、阻尼均大于鎳鈦合金金屬橡膠的剛度、阻尼；而隨著位移進一步加大，所得結果正好相反。

2)金屬絲絲徑。絲徑對金屬橡膠動態性能的影響[40]如圖13所示。由圖13 可見：在相同振幅下，絲徑越大即金屬絲的切線模量越大，金屬橡膠的剛度就越大；絲徑越大，金屬絲接觸越不充分，越容易產生滑動，造成摩擦力做功增多，摩擦損耗因子增大。材料的阻尼特性可通過損耗因子表征，說明金屬橡膠的阻尼隨絲徑增大而增大。

圖13 不同絲徑下的摩擦損耗因子[40]Fig.13 Loss factors under different wire diameters[40]

3)相對密度。金屬橡膠的相對密度對其動態性能的影響[41]如圖14所示。由圖14 可見：一方面，相對密度越大，內部金屬絲排列越緊密，擠壓性和硬特性越強，因而動剛度增大；另一方面，相對密度越大的金屬橡膠內部金屬絲排列越緊密，內部金屬絲摩擦越多，耗能增加，損耗因子增大，減振效果增強[41-42]。

圖14 不同相對密度下動態滯回曲線[41]Fig.14 Dynamic hysteresis curves under different relative densities[41]

4)成型厚度。成型厚度對金屬橡膠動態性能的影響[43]如圖15所示。由圖15可見：金屬橡膠的成型厚度越大，發生相同變形所需的載荷越大，即動剛度越大；成型厚度越大，則內部螺旋卷接觸數量越多，損耗的能量越多，阻尼越大。

圖15 不同成型厚度下的動態滯回曲線[43]Fig.15 Dynamic hysteresis curves under different forming thicknesses[43]

2.2.2 外在因素

1)加載振幅。加載振幅對金屬橡膠的動態性能的影響[44]如圖16所示。由圖16可見：當振幅增大時，剛度和損耗因子都將減小，即阻尼性能降低[44-45]。這是因為隨著振幅的增大，金屬橡膠的耗能增加，但耗能增加速度小于彈性勢能的增加速度，故阻尼性能降低。

圖16 不同振幅下的剛度和阻尼[44]Fig.16 Stiffness and damping under different amplitudes[44]

2)加載頻率。加載頻率對金屬橡膠的動態性能的影響[46]如圖17所示。由圖17可見：在不同加載頻率下，金屬橡膠的動剛度和阻尼幾乎沒有變化，故加載頻率對金屬橡膠的動態性能基本沒有影響。

圖17 不同頻率下動態滯回曲線[46]Fig.17 Dynamic hysteresis curve at different frequencies[46]

3)預壓縮量。預壓縮量對金屬橡膠動態性能的影響[47]如圖18所示。由圖18可見：隨著預壓縮量增大，曲線斜率增大，表明動剛度增大；隨著預壓縮量增大，動態滯回曲線圍成的面積也增加，表明阻尼性能增加。這是因為隨著預壓縮量增大，金屬橡膠提前進入硬特性階段，因而動剛度增大；另一方面，隨著預壓縮量增大，內部滑移接觸螺旋卷的數量增多，損耗因子增大，阻尼性能增強[47-48]。

圖18 不同預壓縮量下動態滯回曲線[47]Fig.18 Dynamic hysteresis curves under different precompression[47]

4)激振力。不同激振力下金屬橡膠試件的力傳遞率曲線[49]如圖19所示。由圖19可知：當激振力增大時，試件的共振頻率減小即動剛度減??；當激振力增大時，力傳遞率峰值減小，表明阻尼耗能增大即損耗因子增大，阻尼性能增強[49-50]。

圖19 不同激振力下力傳遞率曲線[49]Fig.19 Force transfer rate curves under different excitation forces[49]

5)溫度。采用金屬橡膠軸向受壓的試驗夾具(見圖20(a))，顏秉金[51]研究了溫度對金屬橡膠動態性能的影響，得到不同溫度下滯回曲線，如圖20(b)所示。由圖20(b)可見：當環境溫度升高時，金屬橡膠的動剛度增大，滯回曲線圍成的面積及損耗因子也均增大。采用金屬橡膠內外環受相反方向軸向力而產生彎矩作用的試驗夾具(見圖21(a))，侯軍芳等[52]進行了不同溫度下金屬橡膠性能試驗，得到損耗因子隨環境溫度變化的曲線，如圖21(b)所示。由圖21(b)可知：溫度對損耗因子的影響非常小。

圖20 金屬橡膠軸向受壓及滯回曲線[51]Fig.20 Metal rubber under axial compression and hysteresis curve[51]

圖 21 金屬橡膠承受彎矩及損耗因子曲線[52]Fig.21 Metal rubber under bearing bending moment and loss factor curve[52]

減振器中的圓環形金屬橡膠通常是整體軸向受壓，而不是內外環受不同方向軸向力，因此，文獻[51]中溫度越高動剛度和阻尼越大的結論更符合減振器實際工況。

綜上可知，內外因素對金屬橡膠靜動態力學特性的影響如表1所示。表1中，“↑”表示增大；“↓”表示減??；“”表示還未獲得相關結論；“—”表示幾乎不變。

表1 內外因素對靜動態特性的影響Table 1 Influence of internal and external factors on static and dynamic characteristics

3 金屬橡膠在減振降噪領域的應用

3.1 減振應用

金屬橡膠因具有優越的力學物理性能，在很多領域尤其是航空、航海、武器裝備領域，已經取代普通橡膠、彈簧和鋼絲網，成為減振隔振元件的新型材料。

3.1.1 飛行器

飛行器儀表安裝板采用金屬橡膠減振器，不僅能夠解決安裝板的整體振動問題，還能承受太空中的惡劣環境和極限溫度[53]。在飛行器儀表盤和艙壁的連接處安裝金屬橡膠減振器，可以使儀表盤適應飛行器受到的來自不同方向的振動和沖擊[54]。

對地觀測衛星在軌道中運行時產生的微抖動會嚴重影響高分辨率觀測衛星的圖像質量。通過安裝金屬橡膠墊圈能夠有效隔離衛星在軌道運行時產生的微抖動，從而保證觀測圖像的質量[55]。

3.1.2 航空設備

管路系統是航空發動機正常工作的重要保障，減小管路系統的振動非常關鍵。由于普通橡膠難以在管路系統所處的高低溫惡劣環境中長期穩定工作，金屬橡膠管路減振器[56-57]應運而生，該減振器能夠隔離振動對管路的影響。金屬橡膠還可直接用于航空發動機減振器[58]，在很大程度上減小和隔離發動機的振動，從而改善艙內振動環境，提高電子設備壽命。

3.1.3 武器裝備

艦艇在海上作業時受到海水的沖擊，支撐架將會產生不同頻率的振動，嚴重影響導彈的存放。劉濤等[59]設計了一種基于金屬橡膠和金屬彈簧的導彈存放支撐架，通過仿真分析和采用樣機實驗研究了其減振效果。

采用金屬橡膠作為火炮門閂擋桿的緩沖件[60]，由于其不像普通橡膠是連續實體，而是由金屬絲壓制而成的中間有孔隙的不連續體，因而不僅可以緩解閂體對檔桿的沖擊，還可以減少火炮釋放瞬間產生的熱量和沖擊波。

除上述應用外，近年來金屬橡膠還在設備地震隔離[61]、機載光電吊艙[62]、運載火箭[63]、水下魚雷推進系統[64]等極端和惡劣環境中作為減振隔振元件材料得到了應用。

近年來，金屬橡膠在民用領域也得到了應用。夏宇宏等[65]設計了一種用于汽車照明燈座減振的金屬橡膠隔振環(見圖22)，用于減小從車身傳到照明燈座的振動，使光線穩定并延長照明燈壽命。

圖22 金屬橡膠隔振環及產品樣件[65]Fig.22 Metal rubber vibration isolation ring and its product[65]

3.2 降噪應用

金屬橡膠的多孔組織結構非常符合吸聲降噪材料的特征[66]。當聲波傳入金屬橡膠內部時，會引起空隙中的空氣產生振動并與金屬絲摩擦。在此過程中，由于黏滯作用，聲波轉變為熱能而被消耗，從而達到吸聲降噪的效果。馬艷紅等[67]以瑞利模型為基礎，根據圓管中聲傳播理論和亥姆霍茲共鳴器原理，建立了金屬橡膠的吸聲模型，推導出了金屬橡膠的吸聲系數，該研究模型為金屬橡膠吸聲降噪工程應用提供了理論基礎。

姜洪源等[68]將金屬橡膠性能應用于消聲器中，基于駐波管法研究了金屬橡膠的絲徑、孔隙率、厚度和空氣層厚度對其吸聲降噪性能的影響，如圖23所示。由圖23(a)可見：減小金屬橡膠的孔隙率有利于低頻噪聲的吸收，但是不利于高頻噪聲的吸收。由圖23(b)可見：增大金屬絲的絲徑，金屬橡膠在低中高整個頻段上的吸聲降噪能力都會降低，這是因為絲徑增大導致內部孔隙率增大。由圖23(c)可見：在低頻段，增加金屬橡膠的厚度可以提高其吸聲降噪能力。由圖23(d)可見：在低頻段，增大金屬橡膠的空氣層的厚度，可以增加噪聲吸收。

圖23 金屬橡膠吸聲降噪性能[68]Fig.23 Metal rubber sound absorption and noise reduction performance[68]

近年來，建立在居民區和商業區的變電所的變壓器噪聲引起的環保問題日益突出。將金屬橡膠應用在變壓器油箱外設薄板共振吸聲結構中，不僅可以吸收一部分噪聲，而且可以抑制大部分變壓器噪聲在空氣中的傳播[69]。金屬橡膠還被應用于高壓泵電機噪聲控制[70]、燃氣輪機發動機吸聲降噪[71]、魚雷和潛艇管路降噪等。

3.3 金屬橡膠衍生產品

王家序等[72]將金屬橡膠應用在濾波減速器齒輪副上，能夠實現自動變形補償，不受高低溫工作環境的影響，還能夠提高濾波齒輪傳動副的承載能力。

滾動軸承一般阻尼非常小，這會導致轉子很難越過臨界轉速區域，限制了滾動軸承類電機往高速方向發展。國外學者將金屬橡膠應用在軸承技術中，利用環形金屬鋼絲網設計新型軸承結構，如圖24所示。該新型軸承能夠在轉子高速運轉時保持良好的負載性能和足夠的阻尼水平，提高了轉子支承的承載能力和穩定性[73-74]。劉龍輝等[75]采用金屬橡膠與滾動軸承組合方式，設計高速永磁電機轉子支承，不僅能夠使轉子的臨界轉速降低，而且還能使轉子的穩態不平衡響應明顯減小。

圖24 新型金屬橡膠軸承Fig.24 A metal rubber bearing

金屬橡膠與其他隔振減振零件組合制成構件，能夠擁有更高的承載能力。張冰[76]結合波形彈簧制作了金屬橡膠-彈簧復合型減振器，其靜動態試驗結果表明，該復合型減振器具有較高的剛度和更強的承載能力。王東濤等[77]結合碟形彈簧制作了金屬橡膠-彈簧復合型抗沖吊架，分析結果表明，該吊架具有良好的剛度和阻尼特性，能夠滿足減振和抗沖擊要求。

ZHENG 等[78]設計了一種以金屬橡膠為基體、硅橡膠為增強材料的疊層復合結構，如圖25所示。該復合結構融合了傳統橡膠的阻尼特性和金屬橡膠的剛度特性，可以顯著提高結構的減振降噪性能。

圖25 金屬橡膠與硅橡膠層疊復合結構[78]Fig.25 Metal rubber and silicone rubber laminated composite structure[78]

4 總結與展望

金屬橡膠在減振隔振及環境適應性方面具有其他材料無法比擬的優勢，已成為航空、航天、石油、化工等領域苛刻環境中的一種新型減振隔振材料。近二十年來國內外學者對金屬橡膠的減振隔振力學性能開展了大量研究。本文以金屬橡膠的阻尼特性、本構模型和疲勞性能為切入點，分析其理論模型、實驗方法，歸納了影響金屬橡膠剛度和阻尼的內在固有因素和外在使用因素，描述了金屬橡膠在減振、降噪及新型衍生產品方面的應用。

金屬橡膠作為一種新材料，面臨著諸多研究挑戰。為促進金屬橡膠減振隔振技術在更多領域更好地應用，還有以下問題需要著重解決：

1)金屬橡膠本構模型的系數是基于大量試驗數據得到的，建立一個能夠準確描述金屬橡膠力學性能并且不通過試驗來確定系數的本構模型是一個難題；

2)金屬橡膠力學性能的研究大都基于單方向載荷，對于金屬橡膠同時承受多方向載荷以及沖擊載荷的力學性能的研究是一項關鍵問題；

3)目前大多針對圓餅狀、長方體和圓環形金屬橡膠進行研究，而缺乏對其他異形金屬橡膠如錐形、T型孔金屬橡膠的研究；

4)通過熱處理工藝使金屬橡膠的性能達到最優的相關研究具有重要意義，但目前對熱處理工藝與金屬橡膠性能之間關系的研究還不夠完善；

5)金屬絲編織不當會造成金屬絲斷裂并影響金屬橡膠的性能，研究編制方法、金屬絲斷裂和金屬橡膠力學性能三者之間的關聯是一項重要內容；

6)金屬橡膠制備過程各步驟(選絲、繞絲、拉伸、編織毛坯、冷壓成型及后處理)中參數的選擇對成品性能具有重要影響。但目前金屬橡膠試件的制備工藝還依賴人工經驗和試湊，試件的一致性和互換性較差，建立統一的制備工藝標準對金屬橡膠應用和發展具有必要性。