不同填料-炭黑-丁苯橡膠復(fù)合材料的疲勞破壞性能及機(jī)理.pdf

1、橡膠復(fù)合材料的疲勞破壞性能直接關(guān)系到動(dòng)態(tài)條件下使用的橡膠制品的壽命、可靠性與安全性。本論文研究了在30-100％的拉伸疲勞應(yīng)變范圍內(nèi)，少量粘土、白炭黑、碳納米管等不同類型填料替代炭黑對(duì)炭黑/丁苯橡膠復(fù)合材料疲勞破壞性能的影響和機(jī)理;采用S-N曲線法和裂紋擴(kuò)展法，從應(yīng)變和能量?jī)蓚€(gè)角度對(duì)填料的作用機(jī)理進(jìn)行分析。
　　 首先確定測(cè)定材料撕裂能的方法和條件。比較了純剪切試樣、褲型試樣和拉伸試樣的測(cè)試過程、條件和結(jié)果，確定以后的實(shí)驗(yàn)采用1

2、00*15*2mm拉伸樣條，對(duì)于預(yù)割口1mm的試樣，撕裂能公式中的裂紋長(zhǎng)度C取1.25mm。實(shí)驗(yàn)過程中，拉伸速率取為20mm/min，且在測(cè)定應(yīng)變能密度之前必須先消除Mullins效應(yīng)。
　　 然后比較研究了少量白炭黑、粘土和淀粉等幾種不同性質(zhì)的填料對(duì)炭黑/丁苯橡膠復(fù)合材料疲勞破壞性能的影響。采用5phr白炭黑、粘土和淀粉等量替代炭黑N234后，發(fā)現(xiàn)30％應(yīng)變下，加入粘土的膠料疲勞壽命提高了一倍;100％應(yīng)變下，加入白炭黑的膠料

3、疲勞壽命提高了一倍;加入淀粉的膠料疲勞壽命降低了。原因是:30％應(yīng)變下，加入粘土提高了材料的滯后能，而生熱不大，且片層狀粘土對(duì)裂紋擴(kuò)展有較強(qiáng)的阻礙作用;加入白炭黑的膠料，其滯后能不變，由于白炭黑的粒徑小于炭黑，抗裂紋能力提高;由于淀粉的粒徑是微米級(jí)的，且加入淀粉的材料交聯(lián)密度較高，受到外界能量較大，因此其抗疲勞破壞性能降低。
　　 為了進(jìn)一步明確填料粒徑和結(jié)構(gòu)度對(duì)疲勞破壞性能的影響，我們采用三種不同牌號(hào)的白炭黑等量替代5phr炭

4、黑N234，結(jié)果表明:在30-100％應(yīng)變范圍內(nèi)，相同應(yīng)變下，加入白炭黑后疲勞壽命提高。從能量的角度上看，相同能量下，加入VN3的膠料抗裂紋能力強(qiáng)于純炭黑膠料，因?yàn)閂N3的粒徑小于N234;加入Z142和T383的膠料抗裂紋能力弱于純炭黑膠料，這是因?yàn)榫奂w大易產(chǎn)生缺陷的緣故。此外，交聯(lián)密度越小受到的能量越小，越有利于疲勞破壞性能。
　　 研究了球形填料的作用機(jī)理后，我們著眼于對(duì)纖維狀填料——碳納米管的研究。分別用1、2、3、4

5、份碳納米管等量替代炭黑N234，發(fā)現(xiàn)在相同應(yīng)變下，隨碳納米管用量增加，材料疲勞壽命降低，裂紋擴(kuò)展速率增加。原因是碳納米管長(zhǎng)徑比較大，導(dǎo)致材料的填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，定伸增加的緣故。撕裂能與疲勞裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系表明:撕裂能較高時(shí)，碳納米管的用量對(duì)材料的裂紋增長(zhǎng)速率影響不大。碳納米管等量替代炭黑加入復(fù)合材料后疲勞性能降低的原因主要是材料滯后能高的緣故。
　　 若采用非等量替代在保證定伸和滯后與純炭黑膠料一致的情況下，碳納米管阻斷裂紋增

6、長(zhǎng)的能力可能會(huì)更好的體現(xiàn)，從而提高材料的疲勞性能。分別用1、2、3份碳納米管替代4、8、12份炭黑N234，結(jié)果表明:在30％-70％應(yīng)變下，與純炭黑膠料相比，加入碳納米管的膠料疲勞壽命提高，裂紋增長(zhǎng)速率降低，在70％-100％應(yīng)變下，疲勞壽命降低，裂紋增長(zhǎng)速率提高。原因是碳納米管的加入提高了滯后能，使得小應(yīng)變下分擔(dān)外界能量而在大應(yīng)變下造成生熱提高降解加速。此外，我們還發(fā)現(xiàn)對(duì)于炭黑/丁苯橡膠復(fù)合材料，1份碳納米管和4份炭黑N234對(duì)疲勞