金属橡胶

是研究如何设计和制备橡胶构件，以及应用金属橡胶构件实现阻尼减振、过滤、密封、节流等独特功能的关键技术。制备金属橡胶元件的原材料是直径为0.05-0.3mm的不锈钢或钢丝。其制作工艺独特，制备成的构件可以满足航空航天、空间飞行器及民品工况的特殊需要，解决高温、低温、高压、高真空及剧烈振动等环境下的阻尼、减振、过滤、密封、节流、热传导等问题。金属橡胶构件既具有所选金属的固有特性，又具有类似于橡胶一样的弹性。在空间环境下不蒸发，不惧高温和低温，不怕空间辐射和粒子撞击，选择不同的金属还可以耐腐蚀环境，且无老化的可能，是传统橡胶的最佳替代品。我国对金属橡胶构件的研究起步较晚，但金属橡胶零件在空间飞行器上的应用已引起各级主管部门的重视，航空航天领域各科研部门对金属橡胶构件提出了全面需求。金属橡胶产品在我国具有广泛的应用市场。

你能否想象，有一种材料既可以像橡胶一样弯曲和拉伸，又可以像金属一样导电？这就是利用纳米技术制造出来的新材料———金属橡胶。“金属橡胶”的出现是材料学上的一次革命，也是纳米技术在新材料领域的成功应用。有了它，未来的飞机可以拥有像鸟儿一样可扇动的翅膀；有了它，未来的航空座椅将舒适无比；有了它，甚至连电视都可以做得又平又软，还能折叠起来放在口袋里……

人类一直幻想能够拥有像鸟类一样的翅膀。从人类第一次绑上羽毛模仿鸟类飞行到制造出空中巨无霸波音747，这种追求从来没有停止过。但即使在科技已经高度发达的今天，人类仍然无法完全模仿鸟类的飞行。

科学家对鸟类研究后发现，在飞行中，鸟类能根据飞行的需要，随时改变翅膀的形状，以适应不同的飞行状态，这种飞行不仅更经济，而且更有效、更安全。而制造可以变换形状的翅膀，就需要一种既具备金属的导电特性，又具备橡胶伸缩自如特点的新材料。

如今，金属橡胶的问世，给人类制造出像鸟类翅膀一样的“智能飞行翼”带来了新的曙光。

制造了金属橡胶的能人，是来自美国弗吉尼亚州的一个科学小组，这个小组的带头人就是材料学和工程学专家理查德克劳斯教授。该小组用了整整6年的时间，终于使金属橡胶变成了现实。

金属橡胶的颜色呈棕褐色，外表有点像普通的塑料包装壳，但在这种普通外表的背后，则蕴含着一些令人吃惊的物理特性：它可以在外力的作用下拉伸2到3倍，随后恢复原状；被拉伸时，这种材料仍能够保持其金属特征，具有导电性；它可以像橡胶一样百毒不侵，无论将其放入航空燃料还是丙酮液体里，它都能完好无损地不被腐蚀，也不会发生结构上或化学上的降解；它可以在华氏700度的高温下不燃烧，也可以在华氏-167度的低温下不变性，其结构十分稳定。

1、选择金属丝

制作金属橡胶的金属丝原材料,要求具有较高的弹性、较好疲劳性能、耐腐蚀性、抗氧化性等。弹性模量与强度这两个性能参数直接影响金属橡胶的机械性能,弹性模量决定材料的刚度,强度大但弹性模量低的材料不适合作为结构材料使用,因为对零件施加载荷时,由这种材料制成的结构有很大的残余变形。金属丝成份根据工件的工作条件确定,丝径主要根据构件用途与尺寸确定,针对高温和腐蚀介质条件下金属橡胶在减振器和弹性阻尼方面的应用,丝线主要采用奥氏体不锈钢材料,既克服了橡胶类有机非金属材料不耐高温、耐腐蚀性差的缺陷,又克服了一般碳素钢及其它金属材料耐腐蚀性差的缺陷。应用的主要有0Cr18Ni9Ti 、1Cr18Ni9Ti 两种材料, 丝径一般为0. 08mm～0. 15mm。

2、绕制螺旋卷

根据丝径、构件的工况与尺寸等确定螺旋卷的直径。金属橡胶主要应用于航空航天领域,多为小型件、微型件,故螺旋卷直径一般在0. 5mm～1. 2mm 范围。

3、定螺距拉伸

定螺距拉伸以利于编织毛坯以及压制成型。

4、 编织毛坯

金属橡胶零件尺寸、孔隙度和机械性能很大程度上与编织工艺有关。对于隔振器一类的元件,配料时应使螺线卷的根数尽量少,以保证整个构件的拉压强度和阻尼性能。金属橡胶材料的组织宏观不一致性是因制造工艺不合理造成的,可以被消除;微观不一致性是金属橡胶材料组织本身不能获得分布均匀的孔隙而形成的,取决于样件的孔隙度和螺线卷直径及金属丝直径。材料的孔隙度越小,组织性能越高,而对于相同孔隙度的样件,其单位体积内的丝线表面积越大,则它的组织性能越高。金属橡胶材料单位体积中排放的螺线卷越多,则组织质量越高。孔隙尺寸的稳定性和孔隙沿整体材料体积分布的均匀性是金属橡胶材料的基本特性 。

5、冲压成型

毛坯须在冲模中经冲压达到所要求的几何外形和性能,冲压压力一般为10MPa～25MPa 。冲压是经多次循环加压情况下完成的,以保证金属橡胶构件的尺寸与性能稳定性 。

6.后期处理

金属橡胶件后期处理主要取决于工作环境和特殊使用要求：

①清洗：对于弹性阻尼件，要采用超声波清洗;

②热处理：为消除制作过程的冷作应力及调整制件的硬度和塑性，要对制件进行热处理;

③保护膜：如有耐腐蚀的要求，则要涂覆保护膜。

深入分析金属橡胶材料组织结构特点和物理、机械性能的基础上，确认金属橡

胶材料在工程中具有极其广阔的应用前景，主要应用领域包括：

(1)采用耐高温的金属橡胶减振垫后，可使发动机等管道振动事故大为减少;

(2)采用金属橡胶隔振器后，可以减少航天器太阳能帆板的振动，显著提高对地侦察卫星及无人机拍照分辨率和清晰度;

(3)兼顾孔隙散热和吸声特性的MR材料能综合解决热防护及噪声抑制问题;

(4)具有多孔隙毛细作用MR制造的各类性能优良的热管和常规热管相比具有可弯曲变形以适应结构形状的特点，特别适合于飞行器的应用;

(5)采用薄金属壳裹带弹性的MR制造的O型密封圈比不带MR的‘空心O型密封圈’的密封效果要好得多;

(6)工作温度范围宽、介质稳定性好、有效孔隙度高、使用寿命长等特点的MR制造的性能优良的过滤器、减压器和调压器，可用于火箭发动机和气动、液压系统;

(7)与其它防摩材料(氟塑料等)相复合制造的弹性金属塑料(EMP)轴承，可提高轴承的工作寿命，与其它多孔隙材料轴承相比，金属橡胶轴承的弹性与阻尼特性更好，从而更有利于安装和提高使用寿命。

金属橡胶隔振器、隔振垫特点

1、 具有橡胶的弹性和多孔金属的孔隙特性;

2、 独特的阻尼特性为精密仪器、仪表提供专属的精确隔振;

3、 三维等刚度隔振器，对隔离空间任意方向的振动和冲击能力近似相同;

4、 全环境适应性、存储、使用寿命长：耐高低温(-80℃--1000℃)、耐盐雾、霉菌、潮湿、臭氧、油脂、真空、日照、核辐射、尘埃和各种有机溶剂腐蚀;

5、 变刚度特性：载荷与变形关系呈现非线性，即出现刚度渐软效果，会降低系统空间方向的“固有频率”。使本品随外激励量级的增加，“固有频率”减小，因此具有良好的隔振效果;

6、 变阻尼特性：在共振区内阻尼显著增大，能有效抑制共振峰值，在隔振区内阻尼迅速减小，因而具有优良的阻尼减振特性;

7、 结构紧凑、体积小、重量轻;

8、 低蠕变特性：避免因隔振器蠕变引起导线、导管因冲击而扯断、开裂，以及设备下沉、倾斜而导致的刚性碰撞;

9、方便现场拆卸、更换隔振器另部件。

《金属橡胶材料及工程应用》全面系统地介绍在减振缓冲领域广泛应用的金属橡胶材料及其工程应用。《金属橡胶材料及工程应用》共分五篇。第一篇为金属橡胶概论，简要介绍金属橡胶的概念、成型工艺流程、国内外金属橡胶研究概况及其主要应用领域；第二篇为金属橡胶制备技术，主要介绍由军械工程学院金属橡胶工程研究中心首创并已应用于实际生产的金属橡胶制备设备与工艺；第三篇为金属橡胶性能表征理论，主要介绍在金属橡胶力学性能表征、疲劳损伤、高/低温及海洋腐蚀环境下力学行为等方面取得的创新性成果；第四篇为金属橡胶工程应用技术理论，主要介绍金属橡胶空间网状结构的参数化模型及性能预测、金属橡胶隔振器实验研究与动力学建模、参数识别及响应计算、金属橡胶非线性组合结构动力学分析方法，为金属橡胶的工程应用奠定了坚实的技术理论基础；第五篇为金属橡胶工程应用，主要介绍金属橡胶在军事和民用领域的工程应用实例。

第一篇金属橡胶概论

第1章绪论

1.1金属橡胶概念

1.2金属橡胶成型工艺概述

1.3金属橡胶主要应用领域概述

1.4金属橡胶研究概况

1.4.1金属橡胶制备工艺技术研究概况

1.4.2金属橡胶性能表征理论研究概况

1.4.3金属橡胶工程应用技术理论研究概况

1.4.4金属橡胶工程应用概况

参考文献

第二篇金属橡胶制备技术

第2章制备金属橡胶的金属丝

2.1金属丝牌号选择

2.1.1弹簧钢丝的分类及使用特性

2.1.2化学成分对不锈钢的组织和性能的影响

2.1.3金属橡胶原材料——奥氏体不锈钢丝

2.2金属丝冷拉拔工艺

2.2.1钢丝拉拔时受力分析

2.2.2拉拔变形区内金属流动特点

2.2.3金属的不均匀流动和应力的不均匀分布对金属丝性能的影响

2.3冷拉拔金属丝微观组织结构

参考文献

第3章金属丝螺旋卷绕制技术

3.1半自动有芯轴螺旋卷绕制

3.1.1半自动有芯轴螺旋卷绕制设备

3.1.2丝线张力测量系统

3.1.3引线角β计算

3.1.4缠绕参数对螺旋卷成型质量的影响

3.2数控无芯轴螺旋卷绕制

3.2.1数控无芯轴螺旋卷绕制设备

3.2.2螺旋卷成型过程中金属丝表面损伤机理与润滑介质选择

3.2.3螺旋卷成型工艺参数的优化

参考文献

第4章金属橡胶毛坯制备技术

4.1传统手工铺砌毛坯技术

4.2数控螺旋卷缠绕毛坯技术

4.3数控螺旋卷铺设毛坯技术

4.4数控金属丝编织—嵌槽毛坯技术

参考文献

第5章金属橡胶冲压成型技术

5.1冲压模具设计

5.1.1大尺寸长方体金属橡胶冲压模具

5.1.2大尺寸薄壁圆环状金属橡胶冲压模具

5.1.3异形金属橡胶冲压模具

5.2冲压工艺设计

5.3影响金属橡胶冲压成型质量的因素

参考文献

第6章金属橡胶后期处理技术

6.1金属橡胶制品的振动稳定

6.2金属橡胶制品的热处理稳定

6.2.1回火温度对金属橡胶制品宏观结构尺寸的影响

6.2.2回火温度对金属橡胶制品力学性能的影响

6.2.3回火温度对不锈钢丝微观组织的影响

参考文献

第7章金属丝高温抗氧化涂层工艺技术

7.1高温抗氧化涂层方法

7.2表面铝涂层处理

7.2.1表面预处理

7.2.2料浆法涂层

7.2.3粉末固渗法

7.2.4热浸镀铝法

7.3表面钝化法

7.4不同高温抗氧化涂层工艺分析

参考文献

第8章制备金属橡胶的非圆截面丝热轧制技术

8.1非圆截面金属丝热轧设备

8.1.1热轧制原理

8.1.2轧制过程中温度控制

8.1.3轧辊设计

8.2轧制过程中金属丝的受力及变形分析

8.2.1轧制过程的理论分析

8.2.2轧制过程的有限元分析

8.3轧制工艺参数对三角型不锈钢丝微观组织的影响

8.3.1试件与测试方法

8.3.2轧制成型三角型不锈钢丝的显微组织

8.3.3轧制成型三角型不锈钢丝内部孔洞体积分数的测定

8.3.4轧制成型三角型不锈钢丝的物相分析

8.4轧制工艺参数对三角型不锈钢丝力学性能的影响

8.4.1轧制成型三角型不锈钢丝拉伸实验

8.4.2轧制成型三角型不锈钢丝硬度实验

8.4.3不锈钢丝冷轧成型过程的强化

8.4.4三角型不锈钢丝不同温轧或热轧温度对其力学性能的影响

参考文献

第9章金属橡胶电脉冲放电强化工艺技术

9.1基于LabVIEW虚拟测控技术的电脉冲放电设备设计

9.1.1电脉冲放电设备组成

9.1.2电脉冲放电设备工作原理

9.2金属橡胶电阻特性

9.2.1金属橡胶组织结构特征与宏观电阻形成

9.2.2金属橡胶电阻规律实验研究

9.3金属橡胶熔焊机理

9.3.1金属橡胶熔焊方法

9.3.2电阻焊电源

9.3.3脉冲电源产生的趋肤效应

9.4金属橡胶烧结质量评估

9.4.1常见电阻焊焊接质量评估方法

9.4.2基于动态电阻变化率的金属橡胶烧结质量评估方法

9.5金属橡胶电脉冲放电强化实验

9.5.1实验设备及元件

9.5.2实验过程与结果分析

参考文献

第三篇金属橡胶性能表征理论

第10章金属橡胶力学性能实验研究

10.1拉伸实验

10.2压缩实验

10.3剪切弯曲实验

10.4松弛实验

10.5金属橡胶力学特性

参考文献

第11章金属橡胶压缩性能研究

11.1金属橡胶压缩变形典型载荷一变形曲线

11.1.1不同变形阶段及其特征

11.1.2加卸载曲线特征及其能量耗散

11.1.3不同变形阶段的相对滑动模式

11.2金属橡胶压缩变形时微观滑移实验研究

11.2.1微位移加载装置设计

11.2.2金属橡胶线匝滑移现象捕捉

11.2.3金属橡胶不同变形阶段线匝滑移特征

11.3金属橡胶压缩变形微观物理机制

11.4金属橡胶工艺参数对压缩性能的影响

11.4.1相对密度ρMR的影响

11.4.2厚度h的影响

11.4.3材质（E、G）的影响

参考文献

第12章金属橡胶本构模型研究

12.1金属橡胶压缩变形本构模型研究方法

12.2基于微弹簧组合的金属橡胶压缩变形本构模型

12.2.1金属橡胶细观结构特征

12.2.2金属橡胶压缩变形本构模型

12.2.3模型的实验研究

12.3基于变长度悬臂曲梁的金属橡胶本构模型

12.3.1金属橡胶细观变形模型

12.3.2金属橡胶宏观变形本构模型

12.3.3金属橡胶试件压缩实验及模型验证

参考文献

……

第13章金属橡胶阻尼表征方法研究

第14章金属橡胶内部线匝摩擦磨损研究

第15章金属橡胶内部线匝疲劳断裂研究

第16章金属橡胶疲劳损伤与表征方法研究

第17章金属橡胶高/低温环境力学行为

第18章金属橡胶海洋腐蚀环境力学行为

第四篇金属橡胶工程应用技术理论

第19章金属橡胶空间网状结构的参数化模型及性能预测

第20章金属橡胶隔振器实验研究与动力学建模

第21章金属橡胶隔振器参数识别方法Ⅰ

第22章金属橡胶隔振器参数识别方法Ⅱ

第23章金属橡胶隔振器参数识别方法Ⅲ

第24章金属橡胶隔振器参数识别方法Ⅳ

第25章金属橡胶隔振系统响应计算方法

第26章金属橡胶非线性组合结构动力学分析方法

第五篇金属橡胶工程应用

第27章金属橡胶在军事领域的应用

第28章金属橡胶在民用领域的应用

彩图

本项目将新型功能性结构材料- - 金属橡胶引入基础隔震装置中，对金属橡胶材料在隔震减震技术方面的应用进行基础性研究，研究开发一种具有混合隔震技术性能的新型隔震装置以及对其隔震特性进行建模。通过对金属橡胶材料工艺成型特性影响因素研究，设计与选择适合用于隔震装置的金属橡胶材料；通过进行金属橡胶材料隔震装置隔震性能试验，验证新型隔震装置的隔震效果以及检验评价新型隔震支座的各项性能；通过对金属橡胶材料隔震装置非线性迟滞特性进行混合型数学建模及采用人工智能方法进行参数辨识，建立可反映金属橡胶隔震装置隔震性能的恢复力数学模型，通过在大型有限元软件中对新型隔震支座本构模型的二次开发，为新型隔震支座在实际工程隔震结构分析的应用提供研究基础。本项目研究对于开发新型有效的隔震减震装置，以及对改善传统隔震支座的性能有重要的实际意义。