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導(dǎo)讀：文章*為介紹橡膠行業(yè)有關(guān)知識，二為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化文章關(guān)鍵詞。
1 用數(shù)學(xué)模型法預(yù)測材料壽命的方法
數(shù)學(xué)模型方法綜合了多種預(yù)測方法的優(yōu)點,便于將老化機(jī)理和宏觀性能變化、環(huán)境試驗和計算機(jī)模擬有效地結(jié)合在*起,所以,它是目前既可靠又可行的橡膠材料壽命和性能變化預(yù)測的研究方法[3]。下面介紹橡膠材料壽命模擬預(yù)測方法研究情況。
111 加速老化試驗
2阿倫尼斯模型
研究橡膠材料在模擬試驗條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化和宏觀性能變化的對應(yīng)關(guān)系是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。動力學(xué)表達(dá)式明確后,通過反應(yīng)速率常數(shù)K與Arrhenius方程結(jié)合起來,得到P=F(t,T)的表達(dá)式(T為老化溫度),然后利用試驗數(shù)據(jù),在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值處理,.*擬合出式中各系數(shù)。
19世紀(jì)60年代人們就開始尋求*種能夠在實驗室里加速研究橡膠材料老化變質(zhì)規(guī)律的方法。正是由于導(dǎo)彈火箭等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,使橡膠構(gòu)件貯存壽命預(yù)測的研究進(jìn)展迅速[4]。
對于橡膠構(gòu)件的壽命預(yù)測,美*己經(jīng)有了.標(biāo)準(zhǔn)方法及.*用標(biāo)準(zhǔn)方法。這些標(biāo)準(zhǔn)方法都是以*個基本假設(shè)作為前提的,即橡膠材料的加速老化反應(yīng)速率服從阿倫尼烏斯公式。
阿倫尼烏斯公式是*個經(jīng)驗公式,實踐證明如果試驗溫度范圍較寬或者對于較復(fù)雜的反應(yīng),此公式并不適用。此外,加速壽命試驗還作了以下假設(shè):在試驗溫度和外推溫度范圍內(nèi),只有*個或幾個具有相同活化能的反應(yīng)起決定作用;反應(yīng)活化能是常數(shù),與溫度無關(guān);反應(yīng)速率只受溫度影響,與其它因索無關(guān)。實際情況要復(fù)雜得多,所以,加速壽命試驗預(yù)測出的橡膠構(gòu)件貯存壽命只是*個近似值,它與實際貯存壽命的接近程度取決于橡膠構(gòu)件在老化過程中是否遵循這些假設(shè)。如果對結(jié)果的準(zhǔn)確程度要求不高,甚*可以使用比標(biāo)準(zhǔn)方法更為簡單的熱重點斜法預(yù)估橡膠材料的貯存壽命[5]。
所有加速壽命試驗都有*個基本前提:加速試驗中試樣的老化與實際老化的機(jī)理是*致的。*般認(rèn)為在130e以下,合成橡膠的老化機(jī)理是*致的。也有文章報道在140e下對硅橡膠采用了這種標(biāo)準(zhǔn)方法。
還有學(xué)者以此標(biāo)準(zhǔn)方法為基礎(chǔ),將阿倫尼烏斯方程中的參數(shù)看作是隨機(jī)變量,采用蒙.卡羅(M2C)隨機(jī)抽樣方法,對導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動機(jī)橡膠構(gòu)件的老化.性進(jìn)行了仿真計算。
文獻(xiàn)[6]對某型號導(dǎo)彈密封系統(tǒng)所用的橡膠材料進(jìn)行了加速老化試驗,通過分析給出貯存可靠及可靠壽命等性能指標(biāo)隨時間、溫度的變化規(guī)律,并引進(jìn)隨溫度變化的失效率與加速系數(shù)來研究材料對貯存溫度的敏感性,從而為確定.*貯存溫度提*依據(jù)。老化試驗結(jié)果表明,皮碗所用橡膠的老化壽命遵守阿倫尼烏斯公式。計算結(jié)果表明,在250e貯存條件,可靠度為0190時,材料貯存保險期為2612733a。但考慮加速方法本身的誤差和試驗誤差,選取015安全系數(shù),則保險期估計值為1311a。
該文獻(xiàn)針對密封系統(tǒng)皮碗所用橡膠材料,而在導(dǎo)彈上有大量部件利用橡膠材料,因此本方法對其它橡膠材料的評估也有重要的借鑒意義。
表1是美**用標(biāo)準(zhǔn)化手冊推薦的橡膠構(gòu)件貯存壽命,這些壽命值是按照ISO推薦的方法,即以生膠的耐熱老化性劃分等*,這種確定壽命的方法在實用中有很大缺陷,因為硫化橡膠耐老化性除了取決于生膠之外,其它添加劑例如硫化劑、防老化劑、填充劑對其耐熱老化性仍有很大影響,有時甚*超過生膠的作用。
112 用ASTMD412橡膠拉伸性能試驗方法評估彈用密封材料的長貯壽命
硅橡膠作為密封材料在XX小口徑彈中,占有舉足輕重的地位[7,8]。在目前*內(nèi)的小口徑彈中,在彈體與藥筒、藥筒與底火連接處采用硅橡膠密封,增加了全彈的密封性。
硅橡膠件在倉庫貯存條件下,引起性能變化的主要原因是熱、氧化、機(jī)械應(yīng)力等的作用。在*定溫度范圍內(nèi),熱空氣加速老化與倉庫貯存條件下的變質(zhì)機(jī)理是相同的。為了能在短期內(nèi)獲得材料的貯存信息,周坤等采用美**用手冊ASTM(AmericanSocietyforTestingMaterial,美*材料試驗學(xué)會)的方法和數(shù)據(jù),以.少的試驗和費用,快速地預(yù)測硅橡膠貯存壽命。預(yù)測結(jié)果可以作為評估小口徑彈用密封材料自然長貯壽命的依據(jù)[7]。
周坤等的試驗方法避開了耗時的常規(guī)法和低準(zhǔn)確度的加速法,借助于美*MIL2HDBK2695B和ASTMD2000(該標(biāo)準(zhǔn)不只限于車用橡膠,也適用于其它工業(yè)產(chǎn)品所用橡膠)等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、試驗方法和貯存數(shù)據(jù)。對GD3545、GD3537兩種硅橡膠按ASTMD412橡膠拉伸性能的試驗方法,進(jìn)行老化前后性能檢測并計算拉伸強度、扯斷伸長率及硬度的變化率,將ASTMD2000性能變化率與貯存壽命之間關(guān)系進(jìn)行分析對比,對xx小口徑彈用密封材料的貯存壽命進(jìn)行試驗判斷。
按照上述方法GD3537,GD3545硅橡膠試驗的結(jié)果列于下表中。
ASTMD2000中規(guī)定FE型橡膠經(jīng)200e的70h熱老化試驗后,其拉伸強度的變化不超過30%,斷裂伸長率下降不大于50%,硬度變化值不超過15。
將表中的數(shù)據(jù)與要求指標(biāo)比較,可以得到,GD3537、GD3545硅橡膠己達(dá)到了FE型橡膠的指標(biāo)要求。按照美*MIL2HDBK2695B中FE型橡膠預(yù)期貯存壽命為20年的定,GD3537、GD3545硅橡膠的貯存壽命.長可達(dá)20年。
113 應(yīng)力應(yīng)變老化模型美*的Coons等用對S5370硅泡沫的9年老化數(shù)據(jù)開發(fā)壓縮應(yīng)變率和應(yīng)力應(yīng)變老化模型[9]。用**動力學(xué)模型表征壓縮應(yīng)變率,用曾由Rusch用于彈性泡沫的材料模型分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。模型適用于由Bayesian方法研究得到的老化數(shù)據(jù)。Bayesian方法適于實驗條件的不確定性,可以提*可能的模型參數(shù)分布。模型參數(shù)采用MarkovchainMonteCarlo算法,結(jié)合有效預(yù)測,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。從Patel和Skinner短期研究得到的壓縮應(yīng)變率數(shù)據(jù)顯示出較高的壓縮應(yīng)變率,歸因于附加交聯(lián)反應(yīng)和不會支配長期老化行為的其它現(xiàn)象。用9年老化數(shù)據(jù)研究得出,要求在25e下獲得給定壓縮應(yīng)變率的時間段增加到了20年,比Patel和Skinner預(yù)測的時間長。
應(yīng)力應(yīng)變老化模型與LANL的老化研究結(jié)果*致,而且與用很多.立研究的加載保持?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了證實。與老化中期結(jié)果相比,應(yīng)力應(yīng)變老化模型更好地代表了老化初期和后期的研究結(jié)果,對中期結(jié)果數(shù)據(jù)差異原因還未可知。通過比較多次.立研究的加載保持預(yù)測數(shù)據(jù)證實了應(yīng)力應(yīng)變老化模型。應(yīng)力應(yīng)變老化模型被用于各種厚度不同時間下的加載保持預(yù)測。
114 壓縮*變形隨老化時間變化的預(yù)測方法
壓縮*變形隨老化時間的變化,可用通用經(jīng)驗公式(1)來描述:
1-E=Ae-ktA(1)
式中:E)))壓縮*變形(%);A)))常數(shù);k)))老化速度常數(shù)(d-1);t)))老化時間(d);A)))常數(shù)。
將(1)式處理為直線關(guān)系式(2):
log(1-E)=a+btA
(2) 式中:a=logA;b=-kloge。
a值用逐次逼近方法嘗試確定。用確定的a值及自然老化周期的時間t和相對應(yīng)的log(1-E)值用.小二乘法計算出方程(2)中的a,b參數(shù)及線性相關(guān)系數(shù)。用確定的a值和計算出的a,b參數(shù)值分別代入方程(2)中,便可得到長期室內(nèi)自然老化時各試樣壓縮*變形隨老化時間變化的具體預(yù)測方程。
張法源等開展了16種實用配方硫化膠長期室內(nèi)自然老化壓縮*變形變化及預(yù)測工作[10]。
用4a*618a自然老化的時間和相對應(yīng)的16種配方硫化膠30個不同壓縮率和介質(zhì)的試驗,相對選用12個*8個老化測試周期實測的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。各配方硫化膠在不同壓縮狀態(tài)下和不同介質(zhì)中的預(yù)測變化方程見表3。
用表3中各配方硫化膠試樣的預(yù)測方程,將相應(yīng)的自然老化各老化周期的時間代 入,可計算出各試樣在不同老化時間時的預(yù)測變化值。己有各試樣自然老化變化的實測值,可以進(jìn)行對照比較。用偏差的*對值?=E實測-E預(yù)測來衡量每*老化周期預(yù)測值與實測值的符合程度。從30個試驗的平均偏差?0值可以看出,用較短時間的室內(nèi)自然老化壓縮*變形變化數(shù)據(jù),通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理,建立預(yù)測方程可以預(yù)測出較長時間的變化結(jié)果。預(yù)測的總平均偏差為2122%,其中.大的平均偏差5115%(油介質(zhì)中),.小平均偏差0138%。*大多數(shù)的偏差皆接近總平均偏差值,說明總的符合程度是相當(dāng)好的。
115 用于彈性體材料疲勞壽命的損.模型
彈性體在循環(huán)應(yīng)變狀態(tài)下的失效比靜態(tài)損.狀態(tài)下的失效幅度低得多,這種情況是由于疲勞加載引起的損.的發(fā)生和累計造成的。當(dāng)對粒子增強彈性體加載時,當(dāng)循環(huán)加載達(dá)到*定次數(shù)時,粒子從基體中發(fā)生分離并在基體中產(chǎn)生裂紋,使得彈性體在不同部位發(fā)生損.,而不同部位的損.相互融合并形成.*導(dǎo)致彈性體斷裂的宏觀裂紋。材料中的損.延伸受到加載循環(huán)次數(shù)和加載幅度的影響。
美*的Wang采用連續(xù)損.模型研究彈性體的疲勞損.[11]。采用CDM進(jìn)行彈性體材料的損.評估和疲勞性能研究,用Ogden模型描述了損.材料的彈性應(yīng)變能并構(gòu)造應(yīng)變勢能公式,從連續(xù)損.力學(xué)得到損.應(yīng)變能釋放速率。建立了損.評估方程并用其描述在循環(huán)加載條件下疲勞壽命和應(yīng)變幅度的變化。進(jìn)行了碳黑填充的天然橡膠疲勞試驗以確定疲勞壽命和應(yīng)變幅度的關(guān)系。研究認(rèn)為所開發(fā)的損.模型能夠很好地描述碳黑填充的天然橡膠的試驗數(shù)據(jù)。
作者所用橡膠材料填充碳黑65份(重量份),其中天然橡膠100份(重量份)。厚119mm的碳黑填充天然橡膠片在150e固化18min,樣品的尺寸符合ASTMD412要求,測試段的樣品長度是20mm、寬215mm、厚119mm。
單軸拉伸和疲勞試驗是在室溫下(22e)在Instron4202材料實驗機(jī)上進(jìn)行的。116 橡膠疲勞壽命預(yù)報模型
橡膠的疲勞破壞已引起人們的重視,但以往主要是研究橡膠材料的宏觀疲勞性能、裂紋增長.性和疲勞破壞.征,并沒有從疲勞的本質(zhì)出發(fā)對疲勞現(xiàn)象進(jìn)行恰如其分的描述[12]。深入研究橡膠材料在疲勞過程中的破壞機(jī)理及其與宏觀性能的關(guān)系,對于其結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計及疲勞壽命預(yù)報模型的建立都是.其重要的。
11611 以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)2疲勞壽命與橡膠的裂紋增長的關(guān)系 Rivlin等[13]曾將斷裂力學(xué)應(yīng)用于橡膠疲勞性能的研究,提出將以彈性性能為基礎(chǔ)的參數(shù)用于研究橡膠疲勞性能。能量法使不同幾何形狀和變形樣品的裂紋增長結(jié)果發(fā)生聯(lián)系,裂紋增長和疲勞壽命定量地聯(lián)系起來,奠定了將實驗測試和使用情況相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)。Rivlin等將裂紋每增長單位面積所釋放的能量稱為撕裂能(T),其數(shù)學(xué)定義式為:
T=-9U/9A(3)式中,U為貯存在樣品中的彈性應(yīng)變能,A為裂紋的*個斷裂表面的面積(未應(yīng)變狀態(tài))。
實驗表明,裂紋增長速率與撕裂能之間的關(guān)系與樣品的幾何尺寸無關(guān)[14~16]
。在周期載荷下,樣品的
裂紋增長速率為:
dc/dn=f(T)(4) 式中,c為裂紋長度,n為疲勞周期數(shù)。裂紋從c1增長到c2所需的疲勞周期數(shù)可以通過積分式(3)得到:
n=dc/f(T)(5) 代入T與c的關(guān)系式,就可定量地得到疲勞壽命與橡膠的裂紋增長.性、變形幅值、初始裂紋或缺陷尺寸的關(guān)系。
11612 以疲勞壽命曲線(S2N)為基礎(chǔ)2從高應(yīng)變*低應(yīng)變的S2N曲線 S2N曲線在金屬材料中已得到廣泛應(yīng)用,但在橡膠材料中應(yīng)用較少,因為對橡膠制品而言,疲勞壽命*般高達(dá)106~108次,為得到*點數(shù)據(jù)需要相當(dāng)長的時間。因此,深崛美英等提出了Demattia等加速試驗方法,能簡單地求得從高應(yīng)變*低應(yīng)變的S2N曲線[17]。.先求得具有不同預(yù)加.痕(C)的*連串試樣的K-lgN(K為拉伸比,N為疲勞壽命)曲線,然后使這些曲線沿著疲勞壽命軸平行移動,且與未試試樣的S2N曲線(C等于C0,C0為未試試樣潛在缺陷的尺寸)重疊,從而獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線。應(yīng)用斷裂力學(xué)和前人的研究成果,作者得出了K-lgN的理論關(guān)系式:
lgN=-B[lgkK+lg(K2+2/K-3)]+[lgG-lg(B-1)-(B-1)lgC0-BlgE]
(6) 式中,G和B為有關(guān)裂紋增長的材料常數(shù),E為彈性模量。比較未增強天然橡膠和炭黑增強天然橡膠的合成S2N曲線與理論S2N曲線可以看出,兩條曲線大體上是*致的,只是合成S2N曲線在低應(yīng)變區(qū)域比理論S2N曲線更具有向下偏移的傾向。
試驗認(rèn)為,疲勞實驗數(shù)據(jù)的離散性、構(gòu)件加工尺寸的偏差、橡膠中分布的原始缺陷以及受載時危險部位應(yīng)力響應(yīng)的分布.性等都說明應(yīng)力和強度,以及影響它們的因素都是隨機(jī)變量,具有各自的分布形式。只有運用概率統(tǒng)計理論和方法來處理才能正確預(yù)測橡膠的疲勞.性和可靠壽命。
117 用有限元法考核橡膠的裂紋長度與抗裂能之間的關(guān)系
在扁平金屬片之間粘結(jié)橡膠片的試樣常被ASTMD4291999,MethodA等方法用作測試粘結(jié)強度的樣品[18,19]。為了探討粘結(jié)失效機(jī)理,美*的Leicht和Douglas用有限元方法考核各種尺寸(形狀因素)樣品的裂紋長度與抗裂能之間的關(guān)系。
Leicht考慮到的裂紋是分布在橡膠2金屬的粘結(jié)劑的中心的內(nèi)部圓形裂紋。假定橡膠是線性彈性的,并且?guī)缀?壓縮。發(fā)現(xiàn)所有施加恒定壓力的粘結(jié)試片的抗裂能與裂紋長度都是非線性關(guān)系。對于小裂紋,其抗裂能與裂紋長度有線性關(guān)系。抗裂能隨著裂紋增長,直到達(dá)到*個.大值。對于大裂紋,抗裂能隨著裂紋增長而降低。他們開發(fā)了分析模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?試驗證明上述兩種模型對不同尺寸試片中的小裂紋和大裂紋應(yīng)用中達(dá)到了很好的統(tǒng)*。
Douglas考慮到的裂紋是擴(kuò)展環(huán)形裂紋,分布在橡膠2金屬的粘結(jié)劑的外部。分析了填充橡膠試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展性能(FCP)。發(fā)現(xiàn)抗裂能與裂紋長度是非線性關(guān)系。對于小裂紋,抗裂能較小。隨著裂紋長度減小,其抗裂能接近于零?？沽涯茈S著裂紋增長加速增大,直到達(dá)到*個.大值。他們發(fā)現(xiàn)抗裂能峰值依賴于試片高度。對于大裂紋,抗裂能隨著裂紋增長而降低,或者保持不變。試驗測試了形狀因素不同的橡膠試片的疲勞壽命。利用*個經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃推诹鸭y擴(kuò)展性能來預(yù)測材料的疲勞壽命。在形狀因素較低或中等大小的情況下,疲勞壽命的試驗測試結(jié)果和預(yù)測結(jié)果符合得很好。然而在形狀因素較高時,不能很好地預(yù)測疲勞壽命。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在形狀因素較高時,由于空穴的產(chǎn)生造成*系列/凹痕0,從而導(dǎo)致了內(nèi)部圓形裂紋,使得擴(kuò)展環(huán)形裂紋的假設(shè)模型產(chǎn)生了偏差。
118 基于疊加原理的壽命預(yù)測模型11811 采用時溫疊加方法預(yù)測彈性體的長期應(yīng)力淞弛 應(yīng)力淞弛試驗與橡膠性能測試的關(guān)系愈來愈密切了。先前采用的標(biāo)準(zhǔn)程序*般采用半量化方法,考慮材料在較高溫度下的行為。Ronan[9,15]采用時溫疊加原理、Williams2Landel2Ferry(WLF)方程和阿倫尼烏斯方程開發(fā)精確的應(yīng)力淞弛預(yù)測程序[20]。
對兩種天然橡膠進(jìn)行了連續(xù)加壓的應(yīng)力淞弛試驗(CSR)。CSR試驗采用直徑13mm、高613mm的圓柱形樣品,在23e、45e、70e和100e四種溫度下試驗。樣品被壓縮25%,記錄試驗全過程的連續(xù)加壓情況,畫出每種溫度下的壓力2時間曲線,主要曲線采用時溫疊加原理繪制。實驗結(jié)果需要與動態(tài)力學(xué)數(shù)據(jù)對比。與從應(yīng)力淞弛獲得的數(shù)據(jù)相比,從阿倫尼烏斯曲線得到的數(shù)據(jù)明顯具有傳統(tǒng)性。
11812 預(yù)測輻射環(huán)境中的老化結(jié)果2時溫劑量率疊加方法 大量電纜用于核動力裝置,在相對低劑量輻射和較高的溫度環(huán)境中會發(fā)生老化而脆變[21]。電纜脆變嚴(yán)重將導(dǎo)致失效。所以用于預(yù)測電纜在輻射和熱環(huán)境下的老化脆變的工具就顯得很重要。
先前使用阿侖尼烏斯公式預(yù)測電纜在熱環(huán)境下的性能,假設(shè)在輻射下具有相等的劑量和相等的損.。而要把熱和輻射環(huán)境結(jié)合起來時,傳統(tǒng)使用的壽命預(yù)測方法是熱和輻射暴露試驗。
但是歷史文獻(xiàn)采用的方法沒有考慮可能的劑量率和協(xié)同效應(yīng)。文獻(xiàn)指出,許多聚合物存在重要的劑量率效應(yīng)。這些效應(yīng)使得通過高劑量率加速模擬預(yù)測材料壽命變得很難?，F(xiàn)在已有證據(jù)證明時間、溫度、劑量率疊加法,給長期暴露在低劑量率環(huán)境中的聚合物材料提*了*個有效的壽命預(yù)測方法。時溫劑量率疊加方法允許我們選擇加速復(fù)合環(huán)境條件,也就相當(dāng)于選擇室溫老化條件。所以有必要開發(fā)*種用于/復(fù)合環(huán)境下的0預(yù)測工具。
ENNETH等采用的試驗條件有三種:104Gy/h加室溫;102Gy/h加45e;011Gy/h加45e。電纜加速老化條件的選擇是在活化能為21kcal/mol的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。
他們將開發(fā)的時溫劑量率疊加方法通過與劑量率、時間和溫度的關(guān)系,將其用于預(yù)測聚合物降解。該方法適用于長時間的低劑量率環(huán)境,例如室溫核動力裝置環(huán)境。該方法已被成功用于幾種聚合物電纜材料,并將上述材料在核動力裝置環(huán)境中的12年長時間的低劑量率老化數(shù)據(jù)與模型預(yù)測結(jié)果對比。結(jié)果認(rèn)為,對所用材料的低劑量率預(yù)測結(jié)果與同種材料在核動力裝置實際環(huán)境中的長期(7~9年)的低劑量率老化結(jié)果符合得非常好。將模型預(yù)測結(jié)果與長期老化結(jié)果相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)了包括硅橡膠在內(nèi)的幾種不同的配方材料的相似的降解響應(yīng)。11813 核動力工業(yè)用彈性密封橡膠壽命預(yù)測模型2基于疊加原理的壽命預(yù)測模型 彈性密封材料在核動力工業(yè)(NPPs)、再加工工業(yè)、放射性材料運輸工業(yè)中得到廣泛法應(yīng)用。在使用中對每種密封材料的要求不同[22]
。
在NPPs中,燃油機(jī)械的密封材料可以暴露在高壓CO2中(約40bar),而且還可以同時處于該機(jī)械中的某些部件的高溫和高輻射水平條件下。高壓可壓縮氣體可以引起密封材料發(fā)泡或開裂,因為密封材料在遇到溫度或壓力瞬變時,氣體在彈性體中的溶解度發(fā)生了變化。高溫和輻射影響也要求用預(yù)測模型來描述發(fā)生在這個環(huán)境中的老化降解。已證明基于疊加原理的壽命預(yù)測模型是*個可用于上述彈性密封材料的有價值的壽命評估方法。
