橡膠材料研究方法簡(jiǎn)介

1、橡膠材料疲勞性能的初步研究橡膠材料疲勞性能的初步研究橡膠材料疲勞性能的初步研究這次主要針對(duì)影響橡膠材料疲勞的因素以及國(guó)內(nèi)目前的研究方法進(jìn)行了一個(gè)整理和總結(jié)，由于時(shí)間和能力所限，主要是一個(gè)初步的、基本的介紹。橡膠材料及其老化橡膠材料是我們?nèi)粘３Ｒ姷墓こ滩牧?，在減震、防滑等領(lǐng)域起著極為重要的作用。不同種類的橡膠具有不同的特性，但是大部分橡膠都具有粘彈性、大變形、高模量比(可高達(dá)34個(gè)數(shù)量級(jí))等特性。橡膠材料及其老化橡膠的老化主要可以分為兩類：一類是由于臭氧、氧氣氧化和化學(xué)腐蝕而引起的碎裂、粉化等情況，這是由于化學(xué)因素引起的老化失效；一類是由于周期載荷、大過(guò)載等物理因素引起的橡膠撕裂乃至斷裂，這種失

2、效是由于物理加載及過(guò)程中產(chǎn)生的阻尼熱共同引起的。橡膠材料及其老化與金屬材料不同，橡膠材料具有明顯的粘彈滯后特性，這導(dǎo)致橡膠材料疲勞破壞機(jī)理的復(fù)雜性。所謂的粘彈滯后特性是指橡膠材料在受到循環(huán)載荷時(shí)，彈性勢(shì)能并不隨著載荷的變化而立即變化，而是有一個(gè)明顯的滯后表現(xiàn)，也就是彈性勢(shì)能不僅僅與載荷有關(guān)，也和時(shí)間有關(guān)。這一特性是橡膠材料研究復(fù)雜性的主要來(lái)源。橡膠材料的疲勞破壞橡膠材料的動(dòng)態(tài)疲勞過(guò)程一般可以分為三個(gè)階段：第一階段是應(yīng)力劇烈變化，出現(xiàn)橡膠材料在應(yīng)力作用下變軟的現(xiàn)象；第二階段是應(yīng)力緩慢變化，橡膠材料表面或內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，經(jīng)常稱之為破壞核；第三階段是微裂紋發(fā)展成為裂紋并連續(xù)不斷地?cái)U(kuò)展開，直到橡膠材料

3、完全出現(xiàn)斷裂破壞現(xiàn)象，最后這一階段是橡膠材料疲勞破壞的最重要的階段。這個(gè)過(guò)程與金屬材料的疲勞過(guò)程整體上是類似的，但是橡膠材料也有其特殊之處，特別是一些橡膠復(fù)合材料。橡膠材料的疲勞破壞影響橡膠材料疲勞性能的主要因素：彈性體的性質(zhì)；橡膠的阻尼熱；應(yīng)變周期；操作溫度；靜態(tài)應(yīng)力；空氣氛圍。橡膠材料疲勞研究的的理論方法在循環(huán)載荷的作用下，橡膠材料的老化主要表現(xiàn)為疲勞斷裂，但也離不開氧化的因素，目前的理論研究主要集中在利用斷裂力學(xué)研究裂紋增長(zhǎng)機(jī)理和趨勢(shì)，以及一部分的損傷力學(xué)研究，但是損傷力學(xué)的研究仍然處于初步階段。橡膠材料疲勞研究的的理論方法利用斷裂力學(xué)方法研究橡膠材料疲勞這個(gè)方法主要是將以彈性能為基礎(chǔ)的

4、參數(shù)用于研究橡膠疲勞性能，定義裂紋每增長(zhǎng)單位面積所釋放的能量為撕裂能(T)，其數(shù)學(xué)定義式為U單元體的彈性勢(shì)能；A斷裂表面積（無(wú)應(yīng)變狀態(tài)）UTA 橡膠材料疲勞研究的的理論方法在循環(huán)載荷作用下，我們可以得到裂紋增長(zhǎng)速率為：由上式可以反推出裂紋長(zhǎng)度從ci增長(zhǎng)到cj所需的周期數(shù)n：將T與c的關(guān)系式代入上式中，就可得到疲勞壽命與變形幅值、初始裂紋尺寸、裂紋增長(zhǎng)特性之間的定量關(guān)系。maxdcfTdnmax1jiccndcfT橡膠材料疲勞研究的的理論方法研究表明，承受拉伸循環(huán)變形的矩形層合件中心區(qū)域的應(yīng)變能是裂紋增長(zhǎng)的主要原因當(dāng)層間裂紋擴(kuò)展c時(shí)，單位長(zhǎng)度材料的能量損失V為：Wc試件中心區(qū)域的應(yīng)變能密度；t試

5、件厚度。那么可以得到撕裂能的表達(dá)式為CVW t c/cTVcW t 橡膠材料疲勞研究的的理論方法以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的撕裂能法主要困難在于確定撕裂能、裂紋尺寸、載荷或變形間的關(guān)系。該方法假定材料疲勞破壞的主要原因是橡膠相裂紋的增長(zhǎng)，沒有考慮簾線中纖維的斷裂和橡膠簾線界面剝離。因此，撕裂能法基于橡膠相理想裂紋的假設(shè)只能適用于特定的材料模型和載荷范圍。橡膠材料疲勞研究的的理論方法基于損傷力學(xué)的研究方法：根據(jù)損傷力學(xué)和不可逆熱力學(xué)，以循環(huán)蠕變?yōu)閾p傷變量，我們可以建立單向橡膠復(fù)合材料的損傷演化方程：M，B材料常數(shù)；*拉伸應(yīng)力幅值；0平均應(yīng)力；Epi初始循環(huán)模量。這是一非線性損傷累積。損傷率不僅與應(yīng)力幅值、

6、平均應(yīng)力有關(guān)，還和當(dāng)時(shí)的損傷值有關(guān)。* 2* 2000.1i0()()(1)BBBBBpMDNED橡膠材料疲勞研究的的理論方法對(duì)該方程積分可得到疲勞壽命：目前有關(guān)損傷力學(xué)的應(yīng)用更多的是基于經(jīng)驗(yàn)所推理得出的公式，沒有很普遍的適用性。以上式為例，M、B都是材料常數(shù)，但是具體表征什么性質(zhì)也沒有具體的說(shuō)明。* 2* 2000()()1(0.11)BBBBfpiMBNE基于實(shí)驗(yàn)方法對(duì)橡膠材料疲勞性能的研究相對(duì)理論方法，實(shí)驗(yàn)方法可以直觀的得到結(jié)論，但是往往只能針對(duì)一種材料，無(wú)法對(duì)不同種類橡膠材料的疲勞性能做一個(gè)整體的表征。目前普遍的做法是針對(duì)一種橡膠材料，建立其SN曲線，以說(shuō)明橡膠的疲勞特性，并進(jìn)而預(yù)測(cè)制

7、品的疲勞壽命?；趯?shí)驗(yàn)方法對(duì)橡膠材料疲勞性能的研究右圖為以采用尼龍?jiān)鰪?qiáng)橡膠來(lái)模擬航空斜交輪胎的胎體材料，用SN曲線評(píng)價(jià)了試樣的尺寸、加載頻率及波形對(duì)疲勞壽命的影響。（L/W=3.33；OL/W=5.33）從圖中可以直接看出加載頻率使疲勞極限降低，對(duì)疲勞壽命影響很大，而試樣L/W的影響不大基于實(shí)驗(yàn)方法對(duì)橡膠材料疲勞性能的研究SN曲線在金屬材料中已得到廣泛應(yīng)用，但在橡膠材料中應(yīng)用較少。這是因?yàn)橄鹉z制品的N一般高達(dá)l05 106，要得到完整的數(shù)據(jù)，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。針對(duì)這一問題，深崛美英等提出了德墨西亞等加速試驗(yàn)方法，能簡(jiǎn)單地求得從高應(yīng)變至低應(yīng)變的寬廣區(qū)域的SN曲線。首先求得具有不同預(yù)加割口C的多個(gè)

8、試樣的lg N曲線，然后使這些曲線沿著N軸平行移動(dòng)，且與沒有割口試樣的SN曲線(C=C0，C0 為未試驗(yàn)試樣的潛在缺陷尺寸)重疊，從而獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線。所得公式如下2n2lgN= - lgf( )+lg(+-3)+1gG-lg( -1)-( -1)lgC - lgE有關(guān)橡膠材料疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中阻尼熱的影響研究橡膠材料，離不開討論阻尼所產(chǎn)生的熱能，這是因?yàn)橄鹉z材料對(duì)溫度是十分敏感的，溫度變化稍大，橡膠材料性能就會(huì)表現(xiàn)出較大的變化。與前面提到的因素類似，在研究橡膠材料疲勞的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力幅值、加載頻率對(duì)橡膠材料試件的破壞影響很大，橡膠材料對(duì)這兩個(gè)因素的影響要比金屬材料要敏感得多，主要就是因?yàn)樽枘釤岬挠绊憽?/p>

9、與金屬材料不同的是，橡膠材料由于其粘彈性和柔性，一定范圍內(nèi)試件尺寸的變化并不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響；同時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)試件性能的影響也比金屬試件要大得多。有關(guān)粘彈性材料的研究粘彈性材料是指具有固體性質(zhì)的同時(shí)又表現(xiàn)出某些流體特征的材料，如高分子聚合物、混凝土、橡膠及高溫下的金屬等等。根據(jù)物質(zhì)的力學(xué)性能，粘彈性材料可分為三類：線性粘彈性物質(zhì)：力學(xué)性能表現(xiàn)為線彈性和理想粘性的組合，不同時(shí)刻應(yīng)力與應(yīng)變各有不同，但在任一時(shí)刻其應(yīng)力與應(yīng)變均呈線性關(guān)系。非線性粘彈性物質(zhì)：物質(zhì)組合的呈現(xiàn)非線性彈性或者非牛頓流體的特征，其力學(xué)行為和本構(gòu)關(guān)系較線性粘彈性體更為復(fù)雜。粘彈塑性物質(zhì)：主要是指粘彈性固體受一定載荷之后出現(xiàn)塑性變形，或在彈性及塑性變形階段均有粘性效應(yīng)，物質(zhì)呈現(xiàn)彈性、塑性和粘性特征的綜合。2021-10-31有關(guān)粘彈性材料的研究物質(zhì)的粘彈性性能與溫度、負(fù)荷時(shí)間、加載頻率、應(yīng)變幅值以及其他環(huán)境因素密切相關(guān)。其中最主要的因素是時(shí)間和溫度。多數(shù)金屬在常溫和小應(yīng)變下表現(xiàn)為彈性，但是在高溫或者振動(dòng)條件下需要考慮其粘彈性行為；而粘彈性材料的應(yīng)變和應(yīng)力相應(yīng)決定于載荷和變形的歷史和過(guò)程，所以有種說(shuō)法是這些材料具有記憶。2021-10-31有關(guān)粘彈性材料的