吳 健，張傳兵，王友善，蔣洪罡，陸 明

[1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）橡膠復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，山東 威海 264209；2.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)北京航空材料研究院，北京 100095]

三元乙丙橡膠（EPDM）及其復(fù)合材料以卓越的耐熱、抗壓、耐輻射、耐化學(xué)介質(zhì)、耐老化、電絕緣、高彈性等性能在汽車輪胎、航空航天裝備的密封元件、礦山開(kāi)采設(shè)備的減震元件等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-3]，特別是在航空航天領(lǐng)域，以EPDM為基礎(chǔ)的密封元件雖然用量不大，但卻是關(guān)系高端設(shè)備性能安全乃至整個(gè)飛行器安全的不可或缺的零部件。近年來(lái)，隨著EPDM的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)EPDM的力學(xué)性能展開(kāi)了一系列研究。J.Davenas等[4]采用光譜分析和拉伸試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了γ光輻射對(duì)用作電纜絕緣材料的EPDM物理性能的影響。S.Akhlaghi等[5]對(duì)比分析了納米氧化鋅和常規(guī)氧化鋅對(duì)EPDM物理性能的影響。T.?arac等[6]研究了由于熱處理和γ光輻射處理等而劣化的EPDM的物理性能。言克斌等[7]采用自行研制的半導(dǎo)體高低溫調(diào)控裝置進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明，EPDM的力學(xué)性能受溫度和應(yīng)變率影響明顯，其剛度隨著應(yīng)變率的增大而提高，柔性隨著溫度的提高而增強(qiáng)。王振華等[8]試驗(yàn)研究了納米氧化鋅/EPDM復(fù)合材料的物理性能和導(dǎo)熱性能，結(jié)果表明，改性納米氧化鋅/EPDM復(fù)合材料的物理性能和導(dǎo)熱性能均優(yōu)于炭黑和白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的EPDM膠料。

航空航天裝備工作環(huán)境極為惡劣、復(fù)雜，以航空液壓動(dòng)力為例，寬溫和高壓是其主要工作特點(diǎn)，其溫度范圍為－54～135 ℃，壓力高達(dá)到34.5 MPa[9]。航空航天裝備寬溫化、高壓化是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，但由此引發(fā)的泄漏問(wèn)題極為嚴(yán)重，由密封橡膠材料失效導(dǎo)致的維修成本可能高達(dá)百千倍密封件的價(jià)格[10]，甚至導(dǎo)致航空航天裝備的毀滅性災(zāi)難。橡膠材料的力學(xué)性能受溫度影響較大，而對(duì)高溫環(huán)境下EPDM的力學(xué)性能研究鮮有涉及，因此，深入研究溫度對(duì)EPDM力學(xué)性能的影響是極其必要的。

本工作以航空用EPDM為研究對(duì)象，采用試驗(yàn)研究和仿真分析相結(jié)合的方法，分析20～140 ℃溫度范圍內(nèi)其力學(xué)行為的變化，以揭示溫度對(duì)EPDM力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試樣制備

EPDM由北京航空材料研究院提供。啞鈴型拉伸試樣采用I型裁刀由CP-25-Ⅱ型氣動(dòng)沖壓機(jī)提供動(dòng)力源并按照GB/T 2491—2003規(guī)定的相應(yīng)方法制備，其標(biāo)距長(zhǎng)度l1＝30 mm，試驗(yàn)寬度b1＝5.8 mm，厚度h1＝2.35 mm。EPDM壓縮試樣則為北京航空材料研究院提供的圓柱體試樣，其直徑d1＝9.75 mm，高度h2＝10 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及條件

采用UH4204GD型高低溫拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸壓縮試驗(yàn)。

為進(jìn)行高低溫條件下的壓縮試驗(yàn)，自行研制了拉伸轉(zhuǎn)壓縮的專用夾具，如圖1所示。試驗(yàn)條件：溫度分別為20，50，80，110和140 ℃；拉伸速度為 500 mm·min-1；壓縮速度為10 mm·min-1。拉伸和壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能均根據(jù)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

圖1 高低溫壓縮專用夾具

2 有限元仿真模型

2.1 材料本構(gòu)模型

以EPDM為代表的超彈性材料的非線性行為應(yīng)采用應(yīng)變能函數(shù)進(jìn)行描述[11]，Mooney-Rivlin模型簡(jiǎn)單且能夠很好地描述超彈性材料的非線性變形行為，故采用該模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。假設(shè)EPDM為不可壓縮材料，其單軸拉伸壓縮時(shí)的應(yīng)變能函數(shù)式為

式中，W為應(yīng)變能函數(shù)，C10和C01為Rivilin系數(shù)，I1和I2分別為第一和第二應(yīng)變不變量[12]。

采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同溫度下模型參數(shù)C10和C01的值，如表1所示。

表1 不同溫度下本構(gòu)的模型參數(shù) MPa

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

EPDM單軸拉伸二維有限元模型如圖2所示，共包含610個(gè)單元、682個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格單元類型為CPS4R。固定拉伸試樣，約束底邊3個(gè)自由度。采用位移加載方式，僅在試樣上端面施加Y向正位移，約束其X向和UR1向自由度。

圖2 EPDM拉伸試樣有限元模型

3 結(jié)果與討論

3.1 Mullins效應(yīng)

橡膠類材料在首次拉伸和卸載后會(huì)發(fā)生顯著軟化，即發(fā)生Mullins效應(yīng)[13]。影響Mullins效應(yīng)的因素較多，主要包括膠料配方[14]、拉伸速度[15]、應(yīng)變率和溫度[16]等。試樣經(jīng)3次拉伸的Mullins效應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 Mullins效應(yīng)曲線

從圖3可以看出，隨加載次數(shù)的增加，EPDM最大應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯下降趨勢(shì)，即出現(xiàn)了Mullins效應(yīng)。首次加載時(shí)橡膠高分子鏈分布紊亂，內(nèi)摩擦力較大，故滯后環(huán)較大，表現(xiàn)為殘留變形較大，而在后續(xù)加載過(guò)程中，EPDM分子鏈的分布較規(guī)則，滯后環(huán)逐漸減小，直至滯后環(huán)包圍面積趨于定值。另外，隨著溫度的提高，加載過(guò)程中最大應(yīng)力逐漸減小，滯后環(huán)包圍面積也隨之減小。主要原因是隨著溫度的提高，EPDM試樣內(nèi)部積累的熱能和熵值使橡膠高分子鏈易進(jìn)行劇烈的熱運(yùn)動(dòng)，甚至發(fā)生降解，在宏觀上表現(xiàn)為試樣表面發(fā)粘，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。除此之外，溫度也會(huì)影響橡膠高分子由于發(fā)生相對(duì)滑移而積累的應(yīng)力釋放，溫度越高，應(yīng)力釋放越多，即出現(xiàn)隨著測(cè)試溫度升高M(jìn)ullins效應(yīng)減弱的現(xiàn)象。

在對(duì)試樣進(jìn)行單軸拉伸時(shí)，外力所做的功由兩部分組成，即移動(dòng)項(xiàng)和粘附項(xiàng)。移動(dòng)項(xiàng)用以改變?cè)嚇拥南鄬?duì)位置，而粘附項(xiàng)則用以克服橡膠分子鏈間的摩擦。顯然，粘附項(xiàng)（損耗能量）在數(shù)值上等效于應(yīng)力-應(yīng)變所包圍的面積。由此計(jì)算出在20，50，80，110和140 ℃下首次加載時(shí)的損耗能量分別為5.76，5.48，4.49，3.91和3.62 J。

由此可見(jiàn)，隨著測(cè)試溫度的升高，試樣的損耗能量逐漸減小，即出現(xiàn)Mullins效應(yīng)減弱的現(xiàn)象。

3.2 拉斷伸長(zhǎng)率

EPDM試樣的拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率隨溫度的變化曲線如圖4所示。

圖4 拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率隨溫度的變化曲線

從圖4可以看出，試樣的拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率均隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低。而在溫度高于80 ℃后，拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率下降明顯加快。從EPDM高分子鏈的角度考慮，測(cè)試溫度升高改變了分子鏈的排列順序并加劇分子運(yùn)動(dòng)。在拉伸力的作用下，橡膠分子鏈更容易沿應(yīng)力變化方向運(yùn)動(dòng)，使其拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率均隨著環(huán)境溫度升高而降低。

不同溫度下EPDM試樣的斷裂位置如圖5所示，溫度為140 ℃時(shí)拉伸過(guò)程仿真的Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 EPDM試樣斷裂面位置

圖6 溫度為140 °C時(shí)的Mises應(yīng)力云圖

從圖5和6可以看出，裂紋初始位置及斷裂面均處于試樣對(duì)稱面之上，斷裂位置與有限元分析中Mises應(yīng)力最大點(diǎn)位置一致。隨著測(cè)試溫度的升高，試樣的斷裂面沿Y軸方向先上升然后下降。此外，裂紋的曲率半徑也隨著溫度的升高先增大后減小。

在拉伸應(yīng)力作用下，當(dāng)應(yīng)力大于材料的臨界應(yīng)力值時(shí)，試樣表面將產(chǎn)生垂直于拉伸方向的局部裂紋。溫度對(duì)這種裂紋影響很大，嚴(yán)重影響橡膠制品的使用壽命。這進(jìn)一步證明當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，EPDM的性能也隨之發(fā)生規(guī)律性變化[17]。

4 結(jié)論

環(huán)境溫度對(duì)EPDM的力學(xué)行為影響較大。以航空用EPDM材料為研究對(duì)象，基于單軸拉伸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合有限元仿真方法對(duì)20～140 ℃溫度范圍內(nèi)橡膠力學(xué)性能的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到如下主要結(jié)論。

（1）EPDM的Mullins效應(yīng)顯著，隨著溫度升高，試樣能量損耗逐漸減小，即Mullins效應(yīng)減弱。

（2）EPDM的拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率均隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低。當(dāng)溫度高于80 ℃后，拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率下降明顯加快。