硅橡膠材料在不同壓縮位移下的疲勞壽命研究

王文博，黃艷華，蘇正濤，王景鶴

（中航工業(yè)北京航空材料研究院減振降噪材料及應(yīng)用技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 前 言

眾所周知，橡膠材料做為減振材料已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、電子工業(yè)以及船舶等方面[1-3]。其中硅橡膠是典型的半無(wú)機(jī)半有機(jī)聚合物，既有無(wú)機(jī)高分子的耐熱性，又具有有機(jī)高分子的柔順性，并且具有優(yōu)異的耐高低溫性能、耐老化以及動(dòng)態(tài)特性等綜合性能，在行業(yè)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。硅橡膠主要應(yīng)用于動(dòng)態(tài)形變下使用的制件上，比如減振器、按鍵、膠帶以及阻尼制件上，所以對(duì)硅橡膠疲勞壽命的研究逐漸成為重要的研究方向。

國(guó)內(nèi)外對(duì)硅橡膠的疲勞壽命的研究非常少：右田哲言[4]等人發(fā)現(xiàn)，由于橡膠在接受外來(lái)能量時(shí)可以集中應(yīng)力松弛，以這種形式不斷吸收，所以橡膠減振材料的疲勞破壞與疲勞的條件有關(guān)；Legorju K等人[5]發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞依賴于三個(gè)基本因素，即化學(xué)（組成、結(jié)晶）、環(huán)境（氧氣）和力學(xué)（拉伸、三軸應(yīng)力）因素，F(xiàn)ukahori從疲勞裂紋增長(zhǎng)可以推測(cè)出“理論”S-N曲線，從而估算彈性體的壽命。

根據(jù)裂紋增長(zhǎng)特性，得出：在最初瑕疵尺寸臨界值Cc和最終Cc之間積分可得：

式中：U為應(yīng)變能密度，k和B為常數(shù)。

根據(jù)周期裂紋增長(zhǎng)速率與往復(fù)最大撕裂能的關(guān)系：

假設(shè)硅橡膠的β值為2，將（3）代入（2）中，

得到：

由（4）可知，硅橡膠的疲勞壽命與其應(yīng)變能密度近似成反比。

本文主要進(jìn)行了硅橡膠在不同壓縮位移下的疲勞試驗(yàn)。對(duì)于試件來(lái)說(shuō)，不同的壓縮位移有不同的應(yīng)變能密度，在試驗(yàn)范圍內(nèi)壓縮應(yīng)變與應(yīng)變能密度成正比。本文的試驗(yàn)結(jié)果證明了試驗(yàn)范圍內(nèi)壓縮位移與疲勞壽命近似成反比；同時(shí)，研究了在疲勞過(guò)程中硅橡膠的非線性黏彈行為。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

硅橡膠SE1055，北京航空材料研究院產(chǎn)品。

1.2 試樣制備

稱(chēng)取SE1055硅橡膠適量，放入XK-160開(kāi)煉機(jī)上返煉5～8遍，制成5 mm的試片待用。膠料在20 ℃環(huán)境下停放24 h后，在YJ-500平板硫化機(jī)上硫化標(biāo)準(zhǔn)試片和三板試樣。標(biāo)準(zhǔn)試片硫化條件為170 ℃×10 min×10 MPa；三板試樣的硫化條件為170 ℃×20 min×10 MPa，三板試樣的示意圖如圖1所示。

圖1 三板試樣示意圖

1.3 儀器與設(shè)備

開(kāi)煉機(jī)，XK-160，廣東省湛江機(jī)械廠；平板硫化機(jī)，YJ-500，余姚市華城液壓機(jī)電有限公司；Instron動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，8803，英斯特朗試驗(yàn)機(jī)公司；電子拉力試驗(yàn)機(jī)，T2000E，北京友深公司。

1.4 材料力學(xué)性能測(cè)試

將試片制成啞鈴形狀，使用電子拉力機(jī)按GB/T 528—2009、GB/T 531—2008測(cè)試硅橡膠試片的力學(xué)性能。

1.5 試驗(yàn)方法

采用Instron 8803型動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)對(duì)三板試樣施加不同壓縮靜位移后，施加動(dòng)態(tài)位移，試驗(yàn)條件為5 Hz，首先研究沒(méi)有壓縮的空白試樣的疲勞性能，試驗(yàn)條件為0 mm±2.8 mm；然后分別進(jìn)行試驗(yàn)，條件分別為壓縮位移2 mm、4 mm、6 mm和8 mm，動(dòng)態(tài)形變?yōu)椤?.8 mm，記錄試驗(yàn)過(guò)程中試件剛度的變化情況，同時(shí)記錄試件的失效時(shí)間，繪制不同條件下應(yīng)力-應(yīng)變圖以及剛度隨時(shí)間的變化曲線圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

從硅橡膠力學(xué)性能數(shù)據(jù)（表1）可以看出，本文所采用的硅橡膠材料具有比較好的力學(xué)性能。

表1 硅橡膠力學(xué)性能

2.2 周期載荷下硅橡膠的黏彈特性

本文采用正弦波加載方式對(duì)沒(méi)有壓縮位移的三板試樣疲勞試驗(yàn)前后測(cè)試0 mm±2.8 mm正弦波加載的動(dòng)態(tài)性能。繪制了應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖2 三板試樣疲勞試驗(yàn)前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

材料若表現(xiàn)出完全彈性，應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)該是一條直線，如圖2中虛線所示。從圖2可以看出，試樣在疲勞前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是一個(gè)不規(guī)則的橢圓型曲線（簡(jiǎn)稱(chēng)滯后環(huán)）[6-7]。經(jīng)過(guò)200 h疲勞后，滯后環(huán)與疲勞前試樣的滯后環(huán)不重合，滯后環(huán)的方向沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，說(shuō)明隨著疲勞的深入，硅橡膠材料不斷破壞導(dǎo)致材料的模量降低。硅橡膠材料在動(dòng)態(tài)疲勞過(guò)程中表現(xiàn)出了很強(qiáng)的非線性黏彈行為，且在疲勞過(guò)程中模量不斷降低。

2.3 硅橡膠的應(yīng)變能密度

不同應(yīng)變的應(yīng)變能密度是通過(guò)對(duì)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變積分得到的。如圖3所示，隨著壓縮位移的增加，應(yīng)變能密度也在不斷增大；在不同壓縮位移下， 三板試樣都表現(xiàn)出非完全黏彈性，積分得到的應(yīng)變能密度見(jiàn)表2。由數(shù)據(jù)可知，三板試樣在不同應(yīng)變下的應(yīng)變能密度與壓縮位移近似成正比。隨著壓縮應(yīng)力的增大，滯后環(huán)變得越來(lái)越不規(guī)則，說(shuō)明壓縮應(yīng)變?cè)龃髮?dǎo)致硅橡膠的模量逐漸減小。

圖3 不同應(yīng)變下硅橡膠的滯后環(huán)曲線

表2 不同壓縮應(yīng)變下三板試樣的應(yīng)變能密度

2.4 硅橡膠的疲勞壽命

由表3可知，三板試樣在0 mm、2 mm、4 mm、6 mm和8 mm，動(dòng)態(tài)形變?yōu)椤?.8 mm的正弦波加載方式下，疲勞壽命分別為200 h、181 h、93 h、61 h和43 h（剛度下降20%時(shí)為三板試樣的疲勞壽命，由圖4可知三板試樣的疲勞壽命）。可見(jiàn)，在不同壓縮位移下，三板試樣的壓縮位移與疲勞壽命近似成反比，已知三板試樣的應(yīng)變能密度與壓縮位移近似成正比，代入式（4）中，符合疲勞壽命計(jì)算公式。

表3 不同壓縮應(yīng)變下硅橡膠的疲勞壽命

圖4 五種試驗(yàn)條件下三板試樣的剛度變化

3 結(jié) 論

硅橡膠材料在不同壓縮位移下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明，硅橡膠的疲勞壽命與其應(yīng)變能密度近似成反比，也就是疲勞壽命與其壓縮位移近似成反比。試驗(yàn)結(jié)果表明，硅橡膠的疲勞壽命符合通過(guò)裂紋增長(zhǎng)計(jì)算得出的疲勞壽命估算法則。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以考慮采用增加壓縮位移進(jìn)行硅橡膠加速疲勞試驗(yàn)。

[1]蘇正濤.金屬氧化物對(duì)硅橡膠和氟硅橡膠耐熱性能的影響[J].有機(jī)硅材料, 2000,14(5):4.

[2]戶原春彥著,牟傳文譯.防振橡膠及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1982:19-26.

[3]吳石山.阻尼橡膠的改性研究[J].高分子材料科學(xué)與工程,2001,17(1):156.

[4]右田哲言.橡膠的疲勞與破壞——關(guān)于機(jī)理與配方設(shè)計(jì)[J].橡膠譯叢，1981（2）：1-9.

[5]Legorju K, Bathias C. Fatigue Initiation and Propagation in Natural and Synthetic Rubber [J]. Int J Fatigue,2002(24): 85-92.

[6]米志安,黃艷華,蘇正濤,等. 周期載荷下的硅橡膠動(dòng)態(tài)黏彈性研究[J]．特種橡膠制品，2011,32(1):33-35.

[7]米志安,張連鴻,蘇正濤,等. 硅橡膠加速疲勞研究[J]．航空材料學(xué)報(bào)，2011, 31(S1):216-218.