CN1118304A - 金属纤维弹性体 - Google Patents

Abstract

金属纤维弹性体，涉及由金属纤维螺旋化后彼此交结形成的金属弹性体，以金属纤维螺旋为基本组成单元，且金属纤维螺旋有序排列，彼此相互切入，形成具有固定形状的金属纤维弹性体。同时，相邻金属纤维螺旋的簧圈间处于一种可动的接触状态。本发明具有弹性模量调整范围大、数值大、相对密度范围大、绝对值低，相对弹性变形大，回弹率高等特点。

Description

金属纤维弹性体

一种金属纤维弹性体，涉及由金属纤维螺旋化后彼此交结形成的金属弹性体，它具有可适应不同使用需要，可控的优良特性。

人们为了获得性能优良的弹性体，做了长期的探索和研究工作，但在这方面取得进展的领域仅仅局限于有机材料方面，如橡胶及塑料等材料。而且这种进展仍具有一定的局限性，如在提高橡胶的承载能力及提高其回复率等方面仍未取得令人满意的效果。在用金属材料作为弹性元件或减振隔振元件方面，金属弹簧仍然起着主导作用。而且为了满足不同场合对金属弹簧的使用要求，对金属弹簧结构或材料方面的改进也一直没有间断。如中国专利申请第86108967A号公开的一种《固有有效阻尼螺旋弹簧》包括有一个螺旋弹簧和套在其上的管状弹簧。且管状弹簧与螺旋弹簧处于可动接触状态。该螺旋弹簧能提供一个具有有效摩擦的结构，当施加冲击压缩力时，能减缓弹簧运动的速度，亦即具有固有有效阻尼特性。但对弹簧的其他特性，如弹性模量、能量散射系数等难以有效地通过结构特征来进行控制。而且它只能在一维方向承载，在二维或三维方向承载时则难以表现出所述的特性。特别是由于采用管状弹簧套在螺旋弹簧上，因此制造过程比较复杂。而德国专利DE4100842C则采取在管形弹簧钢上成螺旋形地割去带条，剩余部分构成螺旋弹簧的结构。且该螺旋弹簧带有与弹簧部分构成整体的承载端。它的对称性极好，承载轴与弹簧几何轴一致性好，可以基本消除承载时的拗折现象。但也具有加工耗费大，作减振器使用时需要专门承载端的缺点，同时也具有上一专利中所不能克服的缺点。在上述两专利申请之后，中国专利93201324.4号公布了《一种360°高张力弹性交织金属条》，它是将两根左旋或右旋的金属螺旋平行切入后轧平处理，形成彼此环环扣结的致密交织金属条。在应用到诸如束腰等物品上，可以防止其扭折变形，且能在360°方向发挥高张力与弹性。但该交织金属条只能应用于扭折的场合，在减振、隔振等场合则难以发挥作用。

针对上述现有技术的不足，不发明的目的是提供一种具有优良使用特性的金属纤维弹性体，该弹性体在其基本组成单元金属螺旋以不同方式排序时，可以呈现出不同的固有表观特性，并且可应用于隔振、阻尼、消音、过滤等场台。

本发明的另一目的是提供可方便地制造成不同形状的金属纤维弹性体，以适应不同使用场合对金属纤维弹性体形状的要求，该金属纤维特性体可以同时在三维或三维方向上承载。

本发明再一目的是提供一种金属纤维弹性体，它在减振、隔振等场合使用时，无需专门的承载端。

而且，提供一种加工方便，原材料利用率高的金属纤维弹性体也是本发明的目的之一。

根据上述目的，本发明采用的解决方案是：以有序排列的金属纤维螺旋为基本组成单元形成金属交织体，压制后的金属交织体中金属纤维螺旋彼此间相互切入形成具有固定外观形状的金属纤维弹性体，同时相邻金属纤维螺旋的黄圈处于可动的接触状态。

由于本发明所述的金属纤维弹性体以金属纤维螺旋为基本组成单元，且金属纤维螺旋间相互切入，因此它即具有弹簧的一般特性，又具有较大的屈服区间和承载能力。同时由于金属纤维螺旋处于有序排列状态，因此不同的排列结构和切入程度就会产生不同的固有表观特性，亦即实现对诸如弹性模量、能量散射系数、抗压强度等量进行控制。金属纤维螺旋弹性体一般不存在单一的几何轴，通过对金属螺旋的排列，可以使之在二维或三维方向上承载。当金属纤维弹性体作减振或隔振器使用时，无需专门的承载端。特别是金属纤维螺旋体中的金属螺旋处于一种可动的接触状态，因此当遇到难以预料的破坏性外力时，弹性模量能够随着外力的增强而变大，从而保护弹性体不被损坏。再者，本发明所述的金属纤维弹性体制造方便、原材料利用率高，且可以根据使用场合的要求方便地加工成各种不同的形状。

本发明的具体结构由以下的实施例及附图给出。

图1显示了金属纤维以螺线管形式螺旋化的示意图。

图2为轴向投影是三角形的金属纤维螺旋的结构示意图。

图3为轴向投影是正方形的金属纤维螺旋的结构示意图。

图4为金属纤维螺旋先盘旋成阿基米德螺旋层再层层相叠构成柱状金属纤维弹性体的结构示意图。

图5为金属纤维螺旋沿阿基米德螺旋面等高往复排列构成管状金属纤维弹性体的结构示意图。

图6为图5的径向剖示图。

图7为金属纤维螺旋排成辐射层，再层层相叠构成柱状金属纤维弹性体的结构示意图。

图8为金属纤维螺旋先排成螺线管状，不同直径螺线管彼此相套构成管状金属纤维弹性体的结构示意图。

图9为金属纤维螺旋平行往复排列再交错层叠构成立方形金属纤维弹性体的结构示意图。

图10为本发明所述金属纤维弹性体应力—应变曲线。

下面结合附图及实施例详细说明依据本发明提出的金属纤维弹性体的结构及性能特点。

金属纤维是制造金属纤维弹性体的基本物质，因此纤维本身的机械性能从两个方面直接影响着金属纤维弹性体的性能：一方面是纤维本身的材料；另一方面是材料的热处理方式。纤维的材料决定纤维本身的弹度，因此材料一般选择黑色金属及合金(包括不锈钢)，有色金属中的铜、铝、镍、钛等及合金，而最常用的是不锈钢和镍合金。材料的淬火、正火和退火三种状态对机械性能影响较大，尤其是黑色金属，一般选择为正火状态。

由金属纤维制成的金属纤维螺旋为构成金属纤维弹性体的基本组成单元，其结构对金属纤维弹性体的物理性能及机械性能有着重要的影响。对本发明所述金属纤维弹性体而言，金属纤维螺旋的螺距对所述弹性体的弹性影响较大。为了使金属纤维螺旋在受到压力时，能够产生起阻尼作用的摩擦力，金属纤维螺旋的螺距应为金属纤维直径的0.5～50倍，而金属纤维螺旋直径为金属纤维直径的5～50倍。选用螺距不同金属纤维螺旋，或相邻螺旋的螺旋方向彼此相反均可以提高金属纤维螺旋簧圈间起阻尼作用的摩擦力。从而使金属纤维弹性体具有不同的弹性模量。金属纤维螺旋轴向投影的面积与金属纤维弹性体的密度有密切关系。在排序方式一定的前提下，轴向投影面积大则金属纤维弹性体的密度小；反之，则金属纤维弹性体的密度就大。一般情况下金属纤维弹性体的密度10^-1～10¹g/mm³的数量级，最常见的数值在0.3～0.7g/mm³之间。

金属纤维螺旋的具体结构有圆形螺旋、三角形螺旋、正方形螺旋以及其他多边形螺旋如棱形、矩形、椭圆形等。一般选择前三种，最常用的是圆形螺旋。圆形螺旋的结构参见图1，其轴向投影为圆形。表征圆形螺旋结构的基本参数有螺旋直径D和螺距T，一般T＝0.1D～1D。三角形螺旋和正方形螺旋的结构参见图2与图3，它们的轴向投影分别为三角形和正方形。

金属纤维弹性体的结构是通过金属纤维螺旋排序并切入而形成的。因此金属纤维螺旋的不同排序方式，从而构成不同的金属绞织体，就使得金属纤维弹性体具有不同的结构。正是由于金属纤维弹性体具有不同的结构，从而使得其表观特性在不同方向上即可以相同，也可以不同。金属绞织体比较常见的构成方式是金属纤维螺旋排列成层状体，所述层状体彼此层层相叠。金属纤维弹性体中虽然螺旋彼此有相互切入，但对每一条具体螺旋来讲，其走向(即排序方式)是固定的，因此可以用金属纤维螺旋的轴线来代表它在金属纤维弹性体中的走向。特别是对由金属纤维螺旋平行排列构成的层状体，相邻两层状体中金属纤维螺旋轴线的夹角在0°～180°之间。针对金属纤维弹性体具体的外观形状，螺旋的走向可以呈现多种不同的形式。下面分别加以具体介绍。参见图4，金属纤维弹性体的外观形状呈圆柱形；在圆柱体的横剖面上金属纤维螺旋轴线(1)按阿基米德螺旋线形式排序并形成阿基米德层(2)；在圆柱体轴向上，阿基米德螺旋层彼此相叠。参见图5，金属纤维弹性体外观呈圆管状；金属纤维螺旋沿从圆管内壁到外壁的阿基米德螺旋面排序；在阿基米德螺旋面内，金属纤维螺旋轴线(1)上下往复平行排列。图6为图5中圆管状金属纤维弹性体的横剖示意图，图中金属纤维螺旋弹性体的横截面呈阿基米德螺旋线形式排列。参见图7，金属纤维弹性体外观呈圆柱体状；在圆柱体中轴的方向上，由金属纤维螺旋构成的辐射层彼此相叠。在与圆柱体中轴垂直的方向上，金属纤维螺旋轴线(1)沿径向依次围成多个小扇形(3)，从而由此构成辐射层。参见图8，金属纤维弹性体呈圆管状，圆管的管壁由金属纤维螺旋构成的柱面相套而成；每个柱面中，金属纤维螺旋沿柱面成螺旋状排序。参见图9，金属纤维弹性体呈立方状，由金属纤维螺旋构成的层状体层层相叠两成；每个层状体均是由金属纤维螺旋平行排列构成。若定义相邻两层状体A与B中金属纤维螺旋的轴线的夹角为β，则β值可以在0°～180°间选择。当β为零则各向异性明显，若β值为90°则几乎呈现各向同性。当然金属纤维弹性体的外形并不局限于上述形状，还可根据不同使用场合的需要呈其他形状。

金属纤维弹性体中金属纤维螺旋的相互切入是通过压制实现的。由于金属纤维螺旋的相互切入，从而在螺旋之间产生静摩擦力，该摩擦力使得金属纤维螺旋紧密地结合在一起。由于多根金属纤维螺旋彼此切入，与某一段金属纤维相切的金属纤维螺旋数量大于一条。根据金属纤维螺旋相互切入程度的不同，相邻金属纤维螺旋轴线的位置关系也有不同。具体有两种情况：一种是金属纤维的轴线进入相邻金属螺旋内；另一种是金属纤维的轴线位于相邻金属螺旋外。总的来讲，彼此相切的金属纤维螺旋两轴之间的距离小于与之相邻金属纤维螺旋半径之和而大于零。从细微结构分析，由于螺旋的相互切入，螺旋中的某一小段纤维与邻近纤维搭接。各搭接点间的距离越近，该段纤维的刚性就越大，抗力亦就随之增强。另一方面，在搭接点处，金属纤维间存在着静摩擦力和动摩擦力。静摩擦力使金属纤维螺旋相互紧密结合，动摩擦力则为金属纤维弹性体提供有效的阻尼力。当金属纤维弹性体所承受的外力增至一定程度，金属纤维上所承受的力足以克服动静摩擦力，从而使切入程度加深。亦即相邻金属纤维间的搭接点发生变化，并在新的搭接点处产生足够的动静摩擦力维持力的平衡。因此金属纤维弹性体的弹性模量能够随着外力的增加而变大。从而使得金属纤维弹性体在抵御难以预料的破坏性外力方面有特别的长处。而且由于金属纤维弹性体中螺旋的相互切入和搭接，及金属纤维螺旋走向对各向同性的有效顾及，使其受外力冲击时向周向扩展能力得到控制和提高。因此金属纤维弹性体的能量散射系数数值较高、选择范围大，一般在10^-1～1⁰¹的数量级，特别需要指出的是，金属纤维弹性体中的螺旋切入时受力过快或过大，金属纤维在搭接点处相互产生嵌入。这现象的产生对金属纤维的相互固定，防止搭接点在受到较小外力时就产生移动具有极其重要的意义。此时金属纤维弹性体有很大的弹性模量。如图10所示，在一般情况下，金属纤维弹性体受到应力E_o′时产生应变ε_o′当金属纤维在搭接点处相互产生嵌入时，应力——应变曲线的顶部有一比较平缓的非线性段。这种情况下金属纤维弹性体受到应力E_o，应变增大到较大值ε_o，则区服区间Δε＝ε_o-ε_o′较大。所以金属纤维弹性体的弹性模量可以具有10°～10⁴ MN/M²(百万牛顿/米²)的数量级。

Claims (7)

1.一种金属纤维弹性体，包含有金属纤维螺旋，其特征是以有序排列的金属纤维螺旋为基本组成单元形成金属交织体，压制后的金属交织体中金属纤维螺旋彼此间相互切入形成具有固定外观形状的金属纤维弹性体，同时相邻金属纤维螺旋的簧圈处于可动的接触状态。

2.如权利要求1所述金属纤维弹性体，其特征是金属纤维螺旋排列成层状体，所述层状体彼此层层相叠构成金属交织体。

3.如权利要求1所述金属纤维弹性体，其特征是各层状体中金属纤维螺旋平行排列，相邻两层状体中金属纤维螺旋轴线的夹角在0°～180。之间。

4.如权利要求1所述金属纤维弹性体，其特征是与某一段金属纤维螺旋相切的金属纤维螺旋数量大于一条。

5.如权利要求1所述金属纤维弹性体，其特征是彼此相切的金属纤维螺旋两轴之间的距离小于与之相邻金属纤维螺旋半径之和而大于零。

6.如权利要求1所述金属纤维弹性体，其特征是金属纤维螺旋的螺距为金属纤维直径的0.5～50倍。

7.如权利要求1所述金属纤维弹性体，其特征是金属纤维螺旋直径为金属纤维直径的5～50倍。

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