橡膠化合物在高溫下更柔軟嗎？
橡膠化合物在高溫下更柔軟嗎？
幾十年來，有限元分析（FEA）一直是密封工業(yè)里產(chǎn)品開發(fā)的組成部分。但是，如何利用有限元分析來預(yù)測真實熱量條件下的密封效果仍是個難題。這部分歸因于如何**測量橡膠化合物與溫度相關(guān)的屬性。
在測量過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一個值得思考的問題:橡膠化合物在高溫環(huán)境下更柔軟嗎？這個問題的答案似乎不太重要，而且大多數(shù)人會說當(dāng)然是高溫環(huán)境下的橡膠化合物更柔軟，常識、測量所得數(shù)據(jù)和已經(jīng)公布的數(shù)據(jù)均可以證明這一點。圖1和圖2中的圖形數(shù)據(jù)來自七種不同橡膠化合物的多種溫度和等溫拉伸試驗，該試驗以美國材料與試驗學(xué)會（ASTM）D412標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。這兩個圖分別表明了在50%和100%的應(yīng)變（通常稱作拉伸50%與100%時的模量）下，當(dāng)溫度從室溫到高溫時，應(yīng)力減小，但當(dāng)溫度超過70℃（158。F）時這種減小的趨勢就不明顯了。
圖1、7種橡膠化合物在應(yīng)變50%時的應(yīng)力
然而，在橡膠化合物靜態(tài)有限元分析（FEA）的高溫試驗過程的初始階段，我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力變化的趨勢卻和上述結(jié)果相反。圖3顯示了來自值得信任的測試服務(wù)中心的氟橡膠（FKM）化合物的拉伸應(yīng)力數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明在較大應(yīng)變（大于20%）下，當(dāng)溫度分別從23℃(73。F) 上升到120℃ (248。F) 和150℃(302。F)時應(yīng)力實際上會增加。換言之，橡膠化合物在高溫環(huán)境下更堅硬，而不是更柔軟。
圖2、7種橡膠化合物在應(yīng)變100%時的應(yīng)力
那么，為什么會產(chǎn)生這種相反的趨勢呢？在對試驗過程進(jìn)行仔細(xì)研究之后，我們發(fā)現(xiàn)在不同的試驗速度下趨勢的變化幾乎是一樣的。圖1和圖2提供數(shù)據(jù)的試驗是以美國材料與試驗學(xué)會（ASTM）D412標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的，該試驗的速度相當(dāng)快，達(dá)到0.5米/分鐘（20英寸/分鐘）。至于圖3的數(shù)據(jù)來源試驗，速度被設(shè)置得較低，目的是為獲取和準(zhǔn)靜態(tài)變形相關(guān)的材料響應(yīng)數(shù)據(jù)。
圖3、氟橡膠化合物在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線
好奇心驅(qū)使我們把這個問題弄清楚，我們選取氟橡膠（FKM）化合物并操作一個可控制的比較拉伸應(yīng)力試驗，該試驗仍以美國測試與材料協(xié)會（ASTM）的D412標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，但速度有兩種：50.8厘米/分鐘（20英寸/分鐘）和1厘米/分鐘（0.4英寸/分鐘）。為了使測試數(shù)據(jù)的兼容性*大化，我們使用同一批次材料的樣品，這些材料是經(jīng)過固化處理的，并且處理方式相同。
這個試驗的結(jié)果見圖4。該結(jié)果表明在高速和低速兩種條件下，測出應(yīng)力向不同方向變化。對其它橡膠化合物的類似試驗也證實了這一點。
圖4、一種氟橡膠化合物在兩種溫度和兩種速度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線
**有限元分析（FEA）可以更好地幫助我們理解試驗速度產(chǎn)生的效果。目前北美的密封有限元分析（FEA）工業(yè)的實際操作仍局限于叫做橡膠密封的“超彈性”分析。該分析假設(shè)橡膠具有“**”的彈性，因此它不能模擬與速度或變形速率相關(guān)的橡膠特性。為了能夠預(yù)測和解釋所觀察的試驗速度效果，“熱粘彈性”分析是必需的，并須具有橡膠材料的以下物理性質(zhì)：橡膠是粘性的，即使在室溫和高溫條件下；橡膠彈性（或由橡膠運動理論命名的熵彈性）與一定溫度范圍內(nèi)的確定溫度成比例。
圖5顯示了這一分析的結(jié)果。該分析借助由動力學(xué)分析（DMA）試驗獲得的氟橡膠（FKM）粘彈性，模擬了其在上述兩種速度下的張力試驗。我們可以很明顯地看出試驗速度對橡膠的與溫度相關(guān)屬性的影響。
圖5、兩種溫度和兩種速度下的拉伸試驗有限元分析熱粘彈性預(yù)測
“橡膠化合物是否在高溫下更柔軟”這一問題的答案，現(xiàn)在看來并非無足輕重。實際上，在高溫環(huán)境下，橡膠化合物會更柔軟或者更堅硬，這取決于對其形態(tài)的改變速度。
橡膠是粘彈性的，在發(fā)生快速形變時，其松弛所需時間更少。無論高溫低溫，高速試驗中的應(yīng)力總是更大。但是，由于變形的橡膠在高溫下松弛得更快，高溫下的高速和高溫下的低速試驗的應(yīng)力之差要更小。正是橡膠化合物的這些固有的粘彈性以及熵彈性導(dǎo)致了橡膠奇特的與形變速率相關(guān)的性能。
