配方因素对硅橡胶疲劳性能的影响

陆 明,冯林兆,黄艳华,苏正涛

(中国航发北京航空材料研究院 橡胶密封研究所,北京 100095)

橡胶材料是在各种动态工况下广泛应用的一种工程材料。在橡胶的动态应用中，通常主要关注的是橡胶材料的动态性能和使用寿命，而疲劳和老化是其中的首要影响因素[1]。

天然橡胶具有优异的抗疲劳性能，因此在很多动态工况下广泛使用，关于天然橡胶疲劳性能的研究工作很多[2-4]。天然橡胶最大的问题在于其不饱和主链结构带来的老化问题[5-6]。在实际应用中，当老化成为首要考虑因素时，会使用硅橡胶来代替天然橡胶以满足特定动态工况的使用要求，但关于硅橡胶疲劳性能的研究报道很少[7-9]。

本文通过控制配方因素中的填料和交联剂用量，制备了一系列不同填充用量和交联水平的硅橡胶材料；并通过周期性应力下的疲劳实验，研究了不同配方因素对于硅橡胶材料疲劳裂纹扩展过程的影响。

1 实验部分

1.1 原料

苯基硅橡胶：120-1，上海树脂厂；白炭黑：A380，德固萨公司；铬绿：分析纯，天津风船化学试剂公司；羟基硅油：GY209，中昊晨光化工研究院；硫化剂BIPB：化学纯，上海方锐达公司。

1.2 仪器及设备

开放式炼胶机：XK-160型，广东省湛江机械厂；平板硫化机：YX-25型，上海西玛伟力橡塑机械有限公司；高温试验箱：WG4501型，重庆银河试验仪器有限公司；电子拉力机：U60型，高铁检测仪器(东莞)有限公司；橡胶硬度计：LX-A型，上海六菱仪器厂；疲劳动态力学试验机：LM1型，美国TA公司。

1.3 试样制备

室温下，各组分在双辊开炼机上混炼均匀。混炼胶通过模压硫化方式制备1 mm厚的片材用于疲劳性能测试、2 mm厚的片材用于常规力学性能测试。在平板硫化机上进行一段硫化，硫化条件为170 ℃、10 min；二段硫化在鼓风高温实验箱中进行，硫化条件为200 ℃、4 h。

1.4 性能测试

邵尔A型硬度按照ASTM D2240—05(2010)进行测试；拉伸力学性能按照ASTM D412—06a(2013)进行测试；撕裂强度按照ASTM D624—00(2012)进行测试；疲劳实验在美国TA公司LM1型实验机上进行。

2 结果与讨论

本工作控制配方中的填料和交联剂用量，制备了一系列不同填充用量和交联水平的硅橡胶材料；详细配方如表1和表2所示。

表1 实验配方设计

表2 硅橡胶实验配方表

本文按相关标准要求进行了硅橡胶基础力学性能测试，动态疲劳性能测试按如下方式进行：从1 mm厚试片上裁切25.4 mm宽、30 mm长的试样，保持实验机夹具初始间距在5 mm，分别设置1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm、2.00 mm的正弦周期性形变幅度，进行疲劳性能实验。

为了消除Mullins效应的影响，在初始2 000个循环后，记录试样的应力-位移曲线作为初始状态。通过对应力-位移曲线从零到最大位移的积分得到该试样的应变能释放率。在此之后，在试样的中间位置，从两侧各人为施加一个2 mm左右深度的切口。对试样进行疲劳实验，研究在特定应变能释放率下，硅橡胶疲劳过程中的裂纹扩展速率。假定试样承受的最大力值与试样宽度成正比，则通过实验中最大应力与实验初始应力的比值，计算得到实验过程中的裂纹长度。

通过对不同应变幅度下的裂纹长度-循环周期图线进行线性拟合，确定硅橡胶在特定实验条件下的裂纹扩展速率。用幂指数方程对裂纹扩展速率-应变能释放率关系进行拟合，获得幂指数参数，进而评价应变能释放率对于硅橡胶动态裂纹扩展速率的影响。

2.1 配方因素对于基础力学性能的影响

由表3可知，填充水平和交联水平都显著改变了硅橡胶的基础力学性能，硬度、模量(定伸应力)增加，拉断伸长率下降。拉伸强度没有明确的变化规律；撕裂强度随着填充用量的变化不明显，但随着交联程度增加明显下降。这些实验结果表明，填充水平和交联水平都可以影响硅橡胶的基础力学行为，但与撕裂强度表现相同，在静态测量过程中，与填料网络相比，硅橡胶体系内的应力集中现象对于交联网络更为敏感。

表3 硅橡胶基础力学性能

2.2 配方因素对于动态性能的影响

图1和图2为初始2 000个循环后，记录的试样初始状态应力-位移曲线图，从中可以看出填充水平和交联水平对硅橡胶材料动态力学性能的影响。由图1可知，在实验的交联水平下，硅橡胶的刚度随着填料用量的增加而增加；与图2相比，尽管交联程度也提高了硅橡胶的刚度，但变化幅度并不如填料水平的影响显著。相关实验结果表明，在ASTM相关标准的静态实验中，填充水平与交联水平对于材料模量的影响差异并不显著，但在动态疲劳实验中，填充水平对硅橡胶模量的影响显著大于交联水平的影响。

位移/mm(a)

位移/mm(a)

2.3 配方因素对疲劳裂纹扩展的影响

图3和图4为填充水平和交联水平对硅橡胶材料裂纹扩展速率的影响。实验结果表明，硅橡胶的裂纹扩展速率与应变能释放率之间符合幂指数关系。在各交联水平下，随着填料用量增加，裂纹扩散速率增加，拟合线的斜率更高(如图3所示)。相比而言，随着交联程度增高，裂纹扩展速率的变化较小，拟合线之间几乎平行(如图4所示)。相关实验结果表明，在动态应力下，与填充水平相比，硅橡胶对于交联水平的敏感度更低；这与静态应力作用下，材料撕裂强度实验所获得的结果不同。

应变能释放率/(J·m-2)(a)

应变能释放率/(J·m-2)(a)

这表明，只通过静态撕裂强度等实验评价硅橡胶材料对于应力集中的敏感性是不够的；硅橡胶在动态应力作用下的行为与静态应力作用下的行为可能完全不同。

3 结 论

配方因素中的填充水平和交联水平对硅橡胶在静态和动态性能产生了显著影响。与填充水平相比，交联水平对硅橡胶静态下的撕裂强度影响更显著；但在动态应力作用下，填充水平对疲劳裂纹扩展速率的影响比交联水平更明显。因此，仅通过静态应力的实验结果很难准确预测材料的动态行为。

致谢

感谢中国航发北京航空材料研究院-美国西北大学先进材料与制造联合研究中心对本项目研究工作的帮助，感谢国家留学基金委对于陆明(201705345011)的访学资助，感谢美国西北大学材料科学与工程系Kenneth R Shull教授对本项研究的指导。