黃舟，賈東，陳軍紅，劉平，李紅梅，曾飛

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

橡膠材料具有高彈性、壓縮變形大以及能承受重復(fù)載荷等優(yōu)點(diǎn)[1]，特別是其優(yōu)良的緩沖減振性能[2]具有較高的應(yīng)用價值。在產(chǎn)品沖擊防護(hù)研究領(lǐng)域，不少學(xué)者傾向于以泡沫金屬[3]或泡沫塑料[4-5]為對象開展其緩沖性能研究。然而，多孔材料受壓縮后內(nèi)部孔洞被壓潰會導(dǎo)致無法承受重復(fù)緩沖。因此，和多孔材料相比，橡膠緩沖材料更便于使用和維護(hù)。橡膠材料的種類繁多，材料特性受配方和成形工藝等多因素[6]的影響，材料性能具有一定分散性。橡膠具有超彈性、粘彈性，且非線性程度高[7]，其壓縮與緩沖特征十分復(fù)雜。

為研究適用于產(chǎn)品沖擊防護(hù)的橡膠材料，文中選用天然橡膠、丁基橡膠和發(fā)泡橡膠等工程中典型橡膠進(jìn)行對比研究。分別進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)以獲取壓縮特性，再基于緩沖定量表征指標(biāo)分析橡膠的緩沖特征，結(jié)合橡膠的工程應(yīng)用案例，最后得出了橡膠緩沖材料選型應(yīng)用的結(jié)論。

1 常用工程橡膠及其特點(diǎn)

橡膠彈性具有回彈性好、阻尼高，能承受重復(fù)載荷的作用，是比較理想的緩沖和減振材料，適宜制作減振墊及緩沖器[8]。在受到?jīng)_擊時，橡膠材料將一部分動能轉(zhuǎn)換為橡膠的變形能，同時橡膠在變形時利用阻尼將動能變?yōu)闊崮芎纳??？蛇x用硬度（剛度）適中、彈性適中、較高阻尼的橡膠制品以達(dá)到較好的緩沖吸能效果。

橡膠按類型可分為實(shí)心橡膠和發(fā)泡橡膠。結(jié)合橡膠的工程應(yīng)用情況，實(shí)心橡膠中的天然橡膠、丁基橡膠以及高密度的微孔發(fā)泡橡膠均可以作為沖擊防護(hù)的緩沖材料。

1.1 天然橡膠

天然橡膠強(qiáng)度高、回彈性好，價格在橡膠中相對低廉。由天然橡膠制成的抗沖擊橡膠緩沖器已被用于電梯制動失靈時的廂體落地沖擊防護(hù)[9]。在 JB/T 8110.2—1999中，HX-2500型號可吸收的沖擊能量為25 kN·m，等效為約1 t重物從2.5 m跌落時的重力勢能。天然橡膠還常被制成沖擊臺的緩沖墊，可通過調(diào)整材料硬度（硬度與剛度基本對應(yīng)）和厚度來延長沖擊作用時間，降低脈沖加速度峰值，起到緩沖削峰的作用[10]，如圖1所示。

1.2 丁基橡膠

與天然橡膠相比，丁基橡膠強(qiáng)度稍低，但阻尼很高（在通用橡膠制品中丁基橡膠的阻尼系數(shù)最大），成本更高。由于丁基橡膠特有的高阻尼特性（阻尼系數(shù)通常在0.5～0.6），所以在變形的同時可將動能轉(zhuǎn)化為熱能，起到“緩沖+吸能”的效果，從而進(jìn)一步衰減沖擊峰值[11]。由丁基橡膠制造的高性能減振制品在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，有望應(yīng)用于精密產(chǎn)品沖擊防護(hù)。

1.3 發(fā)泡橡膠

發(fā)泡橡膠（又稱為海綿橡膠）為均勻微孔結(jié)構(gòu)的軟質(zhì)泡沫材料，有較好的彈性，其性能優(yōu)于泡沫塑料，但價格較昂貴，尚未廣泛應(yīng)用[12]。經(jīng)調(diào)研可知，發(fā)泡橡膠強(qiáng)度偏低，在工程中常用于質(zhì)量較小的脆性物品緩沖防護(hù)，對于具有較大沖擊能量的產(chǎn)品，發(fā)泡橡膠的應(yīng)用較少。

2 橡膠材料壓縮實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

橡膠試樣由模壓成形工藝制造，試樣名義尺寸為φ40 mm×20 mm的圓柱體。根據(jù)以上三類橡膠應(yīng)用于沖擊防護(hù)的常用配方選擇試樣材料：邵氏硬度為45°的天然橡膠、邵氏硬度為 45°的丁基橡膠以及0.5 g/cm3和 0.6 g/cm3的兩種密度的三元乙丙發(fā)泡橡膠，如圖2所示。每種橡膠的試樣數(shù)量為6個，平均分為2組，分別用于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)。

試樣壓縮測試采用GB/T 7757—2009的方法，通過橡膠圓柱試樣的壓縮實(shí)驗(yàn)可以直接測量得到材料的壓縮載荷-位移曲線，并通過式（1）—（3）轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的名義應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率關(guān)系：

式中：σ為壓縮名義應(yīng)力；ε為壓縮名義應(yīng)變；ε˙為壓縮名義應(yīng)變率；P為壓縮載荷；d為試樣初始直徑；Δl為試樣高度變化；Δi為試樣高度變化；l為試樣初始高度。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用材料試驗(yàn)機(jī) AG-X-100kN完成。實(shí)驗(yàn)的主要過程為：

1）將橡膠試樣放置于上下壓盤之間，采用有機(jī)硅進(jìn)行潤滑。

2）每個試樣共進(jìn)行壓縮應(yīng)變?yōu)?5%的3次預(yù)加載，再進(jìn)行卸載，并讓試樣回彈5 min。如此重復(fù)壓縮和放松試驗(yàn)3次，視為試驗(yàn)機(jī)調(diào)節(jié)。

3）第4次壓縮為正式實(shí)驗(yàn)，以10 mm/min的速度將試樣壓縮到至少70%應(yīng)變，其整個壓縮過程試樣變形特征（以丁基橡膠為例）如圖3所示。

2.2.2 動態(tài)壓縮過程

動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用Instron高速拉壓試驗(yàn)機(jī)完成，實(shí)驗(yàn)主要過程為：

1）將橡膠試樣直接放置于上下壓盤之間，并采用有機(jī)硅進(jìn)行潤滑。

2）使得橡膠材料的平均加載應(yīng)變率控制在10 s－1，根據(jù)式（3），控制作動缸的速度為0.2 m/s；

3）將橡膠材料的壓縮量統(tǒng)一預(yù)設(shè)為15 mm，待壓縮至壓縮量后，試驗(yàn)機(jī)快速卸載。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮結(jié)果

當(dāng)試樣被壓縮至70%應(yīng)變時，上下端面的有機(jī)硅潤滑劑被擠出，試樣在端面約束效應(yīng)的影響下會發(fā)生非均勻的超彈性變形，試樣側(cè)面與壓頭接觸，整個試樣呈現(xiàn)出餅狀特征。卸載后試樣基本能恢復(fù)原貌，試樣表面無宏觀壓縮損傷，厚度略有減小。

通過單軸壓縮加載，按式（1）和式（2）得到不同橡膠材料圓柱試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

對于天然橡膠、丁基橡膠和發(fā)泡橡膠，其不同試樣的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線均具有很好的重合性。在上述應(yīng)力-應(yīng)變曲線的基礎(chǔ)上，通過算術(shù)平均和曲線擬合外推可以得到不同橡膠材料的平均壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在相同應(yīng)變量下，天然橡膠的應(yīng)力大于丁基橡膠，并且兩種實(shí)心橡膠材料（天然橡膠和丁基橡膠）在相同應(yīng)變量下的壓縮應(yīng)力遠(yuǎn)大于兩種發(fā)泡橡膠材料（發(fā)泡橡膠I和發(fā)泡橡膠II）。發(fā)泡橡膠密度越小，相同應(yīng)變量下的壓縮應(yīng)力就越小，橡膠材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著材料不同整體呈現(xiàn)出“右移”的趨勢。

在小變形階段，發(fā)泡橡膠材料中存在著孔洞/泡，材料體現(xiàn)出的宏觀彈性模量較低。隨著應(yīng)變的逐漸增大，材料內(nèi)的孔洞泡孔被壓實(shí)，使得材料變得致密，材料的彈性模量會快速增大。對于實(shí)心橡膠材料，由于不存在氣泡結(jié)構(gòu)，所以在小變形階段，材料體現(xiàn)出的宏觀彈性模量較高。隨著壓縮應(yīng)變的增加，材料會更快進(jìn)入應(yīng)力快速增加階段。

2.3.2 動態(tài)壓縮結(jié)果

四種橡膠在10 s-1應(yīng)變率動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。在相同的預(yù)設(shè)壓縮量下，加載結(jié)束時，四種橡膠材料的平均峰值應(yīng)力：發(fā)泡橡膠I為4.17 MPa；發(fā)泡橡膠II為1.60 MPa；天然橡膠為37.50 MPa；丁基橡膠為29.26 MPa。兩種實(shí)心橡膠的峰值應(yīng)力高于兩種發(fā)泡橡膠，其中天然橡膠峰值應(yīng)力最高，發(fā)泡橡膠II峰值應(yīng)力最低。

對比靜態(tài)和動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果可知，由于橡膠存在黏性內(nèi)阻，當(dāng)加載速度增大時，材料內(nèi)阻隨之增大。因此在相同應(yīng)變下，動態(tài)壓縮應(yīng)力值高于靜態(tài)壓縮應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)變率硬化效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，兩種發(fā)泡橡膠測試結(jié)果分散性較大，尤其是發(fā)泡橡膠II，這與發(fā)泡橡膠材料分散性有關(guān)，可在后續(xù)研究中增加發(fā)泡橡膠壓縮試驗(yàn)樣本數(shù)。

3 橡膠緩沖特性分析

3.1 緩沖特性表征方法

通過材料壓縮實(shí)驗(yàn)可以得到橡膠的載荷-位移曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線等，但該曲線不能直觀地將緩沖材料的緩沖特性表現(xiàn)出來。常用的緩沖特性表征方法包括緩沖吸能水平、緩沖系數(shù)[13]和吸能效率[14]等。

3.1.1 緩沖吸能水平

橡膠材料在受到外應(yīng)力作用產(chǎn)生變形后，外力所作的功被轉(zhuǎn)化為勢能儲存起來，或轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。在一定應(yīng)力下，壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線下所包含的面積就是單位體積材料吸收的能量：

在相同應(yīng)力水平或應(yīng)變水平下，通過計(jì)算不同材料的單位體積應(yīng)變能或應(yīng)變能密度（即材料單位體積吸收的能量），可以用于評價相應(yīng)材料的緩沖吸能水平。

3.1.2 緩沖系數(shù)

緩沖系數(shù)C定義為：某一給定的峰值應(yīng)力Pσ與在此應(yīng)力下緩沖材料可以吸收的能量W的比值，即：

通過計(jì)算緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖系數(shù)，也可以得出不同緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖特性。

3.1.3 吸能效率

對緩沖材料的吸能效率E定義為：緩沖材料所吸收的能量與對應(yīng)應(yīng)力之比，即：

對比式（5）和式（6）可知，在相同應(yīng)力下，材料的緩沖系數(shù)E和吸能效率W互為倒數(shù)。與緩沖系數(shù)相比，吸能效率在表征材料的緩沖特性時與應(yīng)力-應(yīng)變曲線更直觀對應(yīng)。對比式（4）和（6）可知，在相同應(yīng)力下，緩沖吸能水平和吸能效率均可描述橡膠的緩沖特性。

3.2 橡膠緩沖特性分析對比

考慮到橡膠材料靜態(tài)壓縮數(shù)據(jù)一致性更高，并且靜動態(tài)壓縮的緩沖分析方法相同，文中以靜態(tài)壓縮結(jié)果分析不同橡膠的緩沖特性。

利用式（4）對 70%應(yīng)變內(nèi)不同橡膠材料的緩沖吸能特性 W進(jìn)行表征，獲得材料吸能能力隨壓縮應(yīng)變的變化規(guī)律，如圖7所示。

分析圖7可知，四種橡膠的吸能能力與其對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系一致。即在相同應(yīng)變水平下，實(shí)心橡膠吸能能力遠(yuǎn)大于發(fā)泡橡膠，且發(fā)泡橡膠密度越小，緩沖吸能的能力越弱。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，評價材料的緩沖吸能能力時，通常需關(guān)注緩沖材料所受到的最大應(yīng)力，即吸能效率 E。按式（4）計(jì)算得到四種不同橡膠材料吸能能力隨壓縮應(yīng)力的變化規(guī)律，如圖8所示。

由圖8可知，隨著壓縮應(yīng)力的增加，四種不同橡膠材料的吸能能力大致可以分為三個區(qū)域：在區(qū)域1中（σ≤1 MPa），發(fā)泡橡膠材料的吸能能力大于實(shí)心橡膠材料；在區(qū)域2（1 MPa＜σ≤4.5 MPa）和區(qū)域3（σ＞4.5 MPa）中，發(fā)泡橡膠材料的吸能能力小于實(shí)心橡膠材料。在區(qū)域2中，四種橡膠材料的吸能能力從高到低依次為丁基橡膠、天然橡膠、發(fā)泡橡膠 II和發(fā)泡橡膠I。在區(qū)域3中，吸能能力從高到低依次為天然橡膠、丁基橡膠、發(fā)泡橡膠II和發(fā)泡橡膠I。

3.3 緩沖防護(hù)橡膠的選擇判據(jù)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)橡膠材料的真實(shí)受力狀態(tài)，選擇合適的橡膠作為緩沖材料。

1）當(dāng)需要緩沖的沖擊能量較小，橡膠材料受到的應(yīng)力較小時，發(fā)泡橡膠的吸能效率更高，該結(jié)論與發(fā)泡橡膠對輕質(zhì)易脆產(chǎn)品防護(hù)的工程案例對應(yīng)。

2）當(dāng)需要緩沖的沖擊能量較大、橡膠材料受到的應(yīng)力較大時，實(shí)心橡膠與發(fā)泡橡膠相比，吸能效率更高，因此重型工程機(jī)械廣泛采用天然橡膠作為緩沖材料。

3）與天然橡膠相比，丁基橡膠的壓縮吸能效率與天然橡膠接近，但丁基橡膠的阻尼更高，在變形回彈或形變周期內(nèi)，其阻尼能夠耗散更多的沖擊能量，因此對于精密重型產(chǎn)品的沖擊防護(hù)，可優(yōu)先選擇丁基橡膠作為緩沖材料。

4 結(jié)論

為研究適合產(chǎn)品沖擊防護(hù)的橡膠材料，選擇了工程中廣泛應(yīng)用的橡膠配方試樣，基于準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，對比工程中常用橡膠的壓縮行為和緩沖特性，可得出以下結(jié)論：

1）不同橡膠材料的壓縮變形規(guī)律基本一致，橡膠材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體呈現(xiàn)出“右移”的趨勢，即發(fā)泡密度越小，相同應(yīng)變量下的壓縮應(yīng)力就越小，實(shí)心橡膠材料在相同應(yīng)變量下的壓縮應(yīng)力遠(yuǎn)大于發(fā)泡橡膠材料。

2）在相同應(yīng)變水平下，實(shí)心橡膠的緩沖吸能能力明顯強(qiáng)于發(fā)泡橡膠，而在相同應(yīng)力水平下，橡膠材料的緩沖吸能能力則與材料實(shí)際所處受力區(qū)域有關(guān)。在小應(yīng)力范圍內(nèi)（σ≤1 MPa），發(fā)泡橡膠的吸能能力更好，而在大應(yīng)力范圍內(nèi)（σ＞1 MPa），實(shí)心橡膠的吸能能力更強(qiáng)。在工程中選取橡膠緩沖材料時，應(yīng)當(dāng)考慮其所處的應(yīng)力環(huán)境。對于其余硬度的實(shí)心橡膠和發(fā)泡橡膠可得出類似結(jié)論，但應(yīng)力區(qū)間有所不同。

3）文中基于緩沖特性分析所得出的橡膠選擇判據(jù)與橡膠的工程實(shí)例吻合，該判據(jù)可作為產(chǎn)品沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)中橡膠材料選擇的依據(jù)，也可推廣至同種橡膠在不同硬度下選擇的判據(jù)。

[1]劉秀, 李明, 胡小玲, 等. 炭黑填充橡膠材料的泊松比與體積壓縮特性[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2015,31(7): 96-100.

[2]李曉顏, 黃加才, 王建月, 等. 一類抗沖擊載荷的新型橡膠減振器[J]. 宇航材料工藝, 2013, 43(1): 42-45.

[3]HALL I W, GUDEN M, YU C J. Crushing of Aluminum Closed Cell Foams: Density and Strain Rate Effects[J].Scripta Materialia, 2000, 43(6): 515-521.

[4]趙隆威, 趙盛華, 徐善才, 等. EPS緩沖材料的靜、動態(tài)緩沖特性及其應(yīng)用[J]. 振動與沖擊, 1988(3): 59-64.

[5]張海波, 孫金坤, 譚立偉, 等. 聚氨酯泡沫塑料吸能特性研究[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 22(1): 117-120.

[6]趙江, 宋陽, 陳弦. 硅橡膠/TPU 動態(tài)硫化熱塑性彈性體的配方和加工工藝的研究[J]. 塑料工業(yè), 2014,42(10): 60-64.

[7]AMIN A F M S, ALAM M S, OKUI Y. Measurement of Lateral Deformation in Natural and High Damping Rubbers in Large Deformation Uniaxial Tests[J]. Journal of Testing & Evaluation, 2003, 31(6): 524-532.

[8]周相榮, 王強(qiáng), 涂耿偉, 等. 彎曲型橡膠緩沖器沖擊試驗(yàn)與數(shù)值仿真[J]. 振動與沖擊, 2007, 26(4): 97-100.

[9]郝長千, 唐華平, 聶拓, 等. 橡膠緩沖器接觸碰撞有限元分析[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2009(3): 63-65.

[10]于治會. 小型跌落沖擊臺的設(shè)計(jì)原理[J]. 機(jī)械強(qiáng)度,1995(4): 14-18.

[11]方浩, 李秀地, 耿振剛, 等. 高阻尼橡膠填充鋼制防護(hù)門動力響應(yīng)數(shù)值模擬[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào), 2017,38(9): 173-177.

[12]蘇遠(yuǎn), 湯伯森. 緩沖包裝理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006: 119-121.

[13]計(jì)宏偉, 王懷文. 基于高速圖像測量技術(shù)的緩沖材料緩沖性能的表征[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(9): 216-220.