配方因素對硅橡膠疲勞性能的影響

陸 明,馮林兆,黃艷華,蘇正濤

(中國航發(fā)北京航空材料研究院 橡膠密封研究所,北京 100095)

橡膠材料是在各種動態(tài)工況下廣泛應用的一種工程材料。在橡膠的動態(tài)應用中，通常主要關(guān)注的是橡膠材料的動態(tài)性能和使用壽命，而疲勞和老化是其中的首要影響因素[1]。

天然橡膠具有優(yōu)異的抗疲勞性能，因此在很多動態(tài)工況下廣泛使用，關(guān)于天然橡膠疲勞性能的研究工作很多[2-4]。天然橡膠最大的問題在于其不飽和主鏈結(jié)構(gòu)帶來的老化問題[5-6]。在實際應用中，當老化成為首要考慮因素時，會使用硅橡膠來代替天然橡膠以滿足特定動態(tài)工況的使用要求，但關(guān)于硅橡膠疲勞性能的研究報道很少[7-9]。

本文通過控制配方因素中的填料和交聯(lián)劑用量，制備了一系列不同填充用量和交聯(lián)水平的硅橡膠材料；并通過周期性應力下的疲勞實驗，研究了不同配方因素對于硅橡膠材料疲勞裂紋擴展過程的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

苯基硅橡膠：120-1，上海樹脂廠；白炭黑：A380，德固薩公司；鉻綠：分析純，天津風船化學試劑公司；羥基硅油：GY209，中昊晨光化工研究院；硫化劑BIPB：化學純，上海方銳達公司。

1.2 儀器及設(shè)備

開放式煉膠機：XK-160型，廣東省湛江機械廠；平板硫化機：YX-25型，上海西瑪偉力橡塑機械有限公司；高溫試驗箱：WG4501型，重慶銀河試驗儀器有限公司；電子拉力機：U60型，高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；橡膠硬度計：LX-A型，上海六菱儀器廠；疲勞動態(tài)力學試驗機：LM1型，美國TA公司。

1.3 試樣制備

室溫下，各組分在雙輥開煉機上混煉均勻。混煉膠通過模壓硫化方式制備1 mm厚的片材用于疲勞性能測試、2 mm厚的片材用于常規(guī)力學性能測試。在平板硫化機上進行一段硫化，硫化條件為170 ℃、10 min；二段硫化在鼓風高溫實驗箱中進行，硫化條件為200 ℃、4 h。

1.4 性能測試

邵爾A型硬度按照ASTM D2240—05(2010)進行測試；拉伸力學性能按照ASTM D412—06a(2013)進行測試；撕裂強度按照ASTM D624—00(2012)進行測試；疲勞實驗在美國TA公司LM1型實驗機上進行。

2 結(jié)果與討論

本工作控制配方中的填料和交聯(lián)劑用量，制備了一系列不同填充用量和交聯(lián)水平的硅橡膠材料；詳細配方如表1和表2所示。

表1 實驗配方設(shè)計

表2 硅橡膠實驗配方表

本文按相關(guān)標準要求進行了硅橡膠基礎(chǔ)力學性能測試，動態(tài)疲勞性能測試按如下方式進行：從1 mm厚試片上裁切25.4 mm寬、30 mm長的試樣，保持實驗機夾具初始間距在5 mm，分別設(shè)置1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm、2.00 mm的正弦周期性形變幅度，進行疲勞性能實驗。

為了消除Mullins效應的影響，在初始2 000個循環(huán)后，記錄試樣的應力-位移曲線作為初始狀態(tài)。通過對應力-位移曲線從零到最大位移的積分得到該試樣的應變能釋放率。在此之后，在試樣的中間位置，從兩側(cè)各人為施加一個2 mm左右深度的切口。對試樣進行疲勞實驗，研究在特定應變能釋放率下，硅橡膠疲勞過程中的裂紋擴展速率。假定試樣承受的最大力值與試樣寬度成正比，則通過實驗中最大應力與實驗初始應力的比值，計算得到實驗過程中的裂紋長度。

通過對不同應變幅度下的裂紋長度-循環(huán)周期圖線進行線性擬合，確定硅橡膠在特定實驗條件下的裂紋擴展速率。用冪指數(shù)方程對裂紋擴展速率-應變能釋放率關(guān)系進行擬合，獲得冪指數(shù)參數(shù)，進而評價應變能釋放率對于硅橡膠動態(tài)裂紋擴展速率的影響。

2.1 配方因素對于基礎(chǔ)力學性能的影響

由表3可知，填充水平和交聯(lián)水平都顯著改變了硅橡膠的基礎(chǔ)力學性能，硬度、模量(定伸應力)增加，拉斷伸長率下降。拉伸強度沒有明確的變化規(guī)律；撕裂強度隨著填充用量的變化不明顯，但隨著交聯(lián)程度增加明顯下降。這些實驗結(jié)果表明，填充水平和交聯(lián)水平都可以影響硅橡膠的基礎(chǔ)力學行為，但與撕裂強度表現(xiàn)相同，在靜態(tài)測量過程中，與填料網(wǎng)絡(luò)相比，硅橡膠體系內(nèi)的應力集中現(xiàn)象對于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為敏感。

表3 硅橡膠基礎(chǔ)力學性能

2.2 配方因素對于動態(tài)性能的影響

圖1和圖2為初始2 000個循環(huán)后，記錄的試樣初始狀態(tài)應力-位移曲線圖，從中可以看出填充水平和交聯(lián)水平對硅橡膠材料動態(tài)力學性能的影響。由圖1可知，在實驗的交聯(lián)水平下，硅橡膠的剛度隨著填料用量的增加而增加；與圖2相比，盡管交聯(lián)程度也提高了硅橡膠的剛度，但變化幅度并不如填料水平的影響顯著。相關(guān)實驗結(jié)果表明，在ASTM相關(guān)標準的靜態(tài)實驗中，填充水平與交聯(lián)水平對于材料模量的影響差異并不顯著，但在動態(tài)疲勞實驗中，填充水平對硅橡膠模量的影響顯著大于交聯(lián)水平的影響。

位移/mm(a)

位移/mm(a)

2.3 配方因素對疲勞裂紋擴展的影響

圖3和圖4為填充水平和交聯(lián)水平對硅橡膠材料裂紋擴展速率的影響。實驗結(jié)果表明，硅橡膠的裂紋擴展速率與應變能釋放率之間符合冪指數(shù)關(guān)系。在各交聯(lián)水平下，隨著填料用量增加，裂紋擴散速率增加，擬合線的斜率更高(如圖3所示)。相比而言，隨著交聯(lián)程度增高，裂紋擴展速率的變化較小，擬合線之間幾乎平行(如圖4所示)。相關(guān)實驗結(jié)果表明，在動態(tài)應力下，與填充水平相比，硅橡膠對于交聯(lián)水平的敏感度更低；這與靜態(tài)應力作用下，材料撕裂強度實驗所獲得的結(jié)果不同。

應變能釋放率/(J·m-2)(a)

應變能釋放率/(J·m-2)(a)

這表明，只通過靜態(tài)撕裂強度等實驗評價硅橡膠材料對于應力集中的敏感性是不夠的；硅橡膠在動態(tài)應力作用下的行為與靜態(tài)應力作用下的行為可能完全不同。

3 結(jié) 論

配方因素中的填充水平和交聯(lián)水平對硅橡膠在靜態(tài)和動態(tài)性能產(chǎn)生了顯著影響。與填充水平相比，交聯(lián)水平對硅橡膠靜態(tài)下的撕裂強度影響更顯著；但在動態(tài)應力作用下，填充水平對疲勞裂紋擴展速率的影響比交聯(lián)水平更明顯。因此，僅通過靜態(tài)應力的實驗結(jié)果很難準確預測材料的動態(tài)行為。

致謝

感謝中國航發(fā)北京航空材料研究院-美國西北大學先進材料與制造聯(lián)合研究中心對本項目研究工作的幫助，感謝國家留學基金委對于陸明(201705345011)的訪學資助，感謝美國西北大學材料科學與工程系Kenneth R Shull教授對本項研究的指導。