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橡胶/轮胎 |
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橡胶化合物在高温下更柔软吗？ |
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作者：Seal Group Kai Zhang，Parker Hannifin |
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几十年来，有限元分析（FEA）一直是密封工业里产品开发的组成部分。但是，如何利用有限元分析来预测真实热量条件下的密封效果仍是个难题。这部分归因于如何精确测量橡胶化合物与温度相关的属性。
在测量过程中，我们发现了一个值得思考的问题: 橡胶化合物在高温环境下更柔软吗？这个问题的答案似乎不太重要，而且大多数人会说当然是高温环境下的橡胶化合物更柔软，常识、测量所得数据和已经公布的数据均可以证明这一点。图1和图2中的图形数据来自七种不同橡胶化合物的多种温度和等温拉伸试验，该试验以美国材料与试验学会（ASTM）D412标准为基础。这两个图分别表明了在50%和100%的应变（通常称作拉伸50%与100%时的模量）下，当温度从室温到高温时，应力减小，但当温度超过70℃（158。F）时这种减小的趋势就不明显了。 
图1、7种橡胶化合物在应变50%时的应力
然而，在橡胶化合物静态有限元分析（FEA）的高温试验过程的初始阶段，我们发现应力变化的趋势却和上述结果相反。图3显示了来自值得信任的测试服务中心的氟橡胶（FKM）化合物的拉伸应力数据，这些数据表明在较大应变（大于20%）下，当温度分别从23℃ (73。F) 上升到120℃ (248。F) 和150℃ (302。F)时应力实际上会增加。换言之，橡胶化合物在高温环境下更坚硬，而不是更柔软。
图2、7种橡胶化合物在应变100%时的应力
那么，为什么会产生这种相反的趋势呢？在对试验过程进行仔细研究之后，我们发现在不同的试验速度下趋势的变化几乎是一样的。图1和图2提供数据的试验是以美国材料与试验学会（ASTM）D412标准为基础的，该试验的速度相当快，达到0.5米/分钟（20英寸/分钟）。至于图3的数据来源试验，速度被设置得较低，目的是为获取和准静态变形相关的材料响应数据。
图3、氟橡胶化合物在不同温度下的应力应变曲线
好奇心驱使我们把这个问题弄清楚，我们选取氟橡胶（FKM）化合物并操作一个可控制的比较拉伸应力试验，该试验仍以美国测试与材料协会（ASTM）的D412标准为基础，但速度有两种：50.8厘米/分钟（20英寸/分钟）和1厘米/分钟（0.4英寸/分钟）。为了使测试数据的兼容性最大化，我们使用同一批次材料的样品，这些材料是经过固化处理的，并且处理方式相同。
这个试验的结果见图4。该结果表明在高速和低速两种条件下，测出应力向不同方向变化。对其它橡胶化合物的类似试验也证实了这一点。
图4、一种氟橡胶化合物在两种温度和两种速度下的应力应变曲线
高级有限元分析（FEA）可以更好地帮助我们理解试验速度产生的效果。目前北美的密封有限元分析（FEA）工业的实际操作仍局限于叫做橡胶密封的“超弹性”分析。该分析假设橡胶具有“完美”的弹性，因此它不能模拟与速度或变形速率相关的橡胶特性。为了能够预测和解释所观察的试验速度效果，“热粘弹性”分析是必需的，并须具有橡胶材料的以下物理性质：橡胶是粘性的，即使在室温和高温条件下；橡胶弹性（或由橡胶运动理论命名的熵弹性）与一定温度范围内的确定温度成比例。
图5显示了这一分析的结果。该分析借助由动力学分析（DMA）试验获得的氟橡胶（FKM）粘弹性，模拟了其在上述两种速度下的张力试验。我们可以很明显地看出试验速度对橡胶的与温度相关属性的影响。
图5、两种温度和两种速度下的拉伸试验有限元分析热粘弹性预测
“橡胶化合物是否在高温下更柔软”这一问题的答案，现在看来并非无足轻重。实际上，在高温环境下，橡胶化合物会更柔软或者更坚硬，这取决于对其形态的改变速度。
橡胶是粘弹性的，在发生快速形变时，其松弛所需时间更少。无论高温低温，高速试验中的应力总是更大。但是，由于变形的橡胶在高温下松弛得更快，高温下的高速和高温下的低速试验的应力之差要更小。正是橡胶化合物的这些固有的粘弹性以及熵弹性导致了橡胶奇特的与形变速率相关的性能。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/28/2008) |
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