高阻尼橡胶的动态振动疲劳性能

图１为高阻尼橡胶在２０ ℃ 振 幅 为 ２０μｍ 条 件 下经２０万次正弦波 加 载 得 到 的 振 动 疲 劳 Ｘ－Ｙ 轴 曲线。从图１可以看出，Ｅ′和 Ｅ″在整个试验过程中 基本保持稳 定，ｔａｎδ 除 个 别 点 异 常 外，其 余 也 都 在 一定范围内波动。从图１可以提取试验材料任意周 期 的 动 态 性 能 数 据 ，预 测 材 料 的 有 效 寿 命 ，也 可 从 材 料配方设计阶段就 充 分 考 虑 老 化 问 题，这 对 于 材 料 的性能评估和改进具有重要的指导意义。
关 键 词 ：高 阻 尼 橡 胶 ；动 态 振 动 疲 劳 性 能 ；滞 后 圈 图
中 图 分 类 号 ：Ｏ３７ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００１－４０１２（２０１１）１２－０７６７－０３
Ｄｙｎａｍｉｃ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｄａｍｐｉｎｇ Ｒｕｂｂｅｒ
图 １ 高 阻 尼 橡 胶 材 料 经 ２０ 万 次 循 环 后 的 振动疲劳 Ｘ－Ｙ 轴曲线（２０ ℃，２０μｍ）
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ Ｘ－Ｙ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ａｆｔｅｒ ２×１０５ ｔｉｍｅｓ ｃｙｃｌｉｎｇ
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使用 ＤＭＡ＋４５０ 动 态 机 械 分 析 仪 测 试 高 阻 尼 橡 胶 的 动 态 振 动 疲 劳 性 能 ，试 验 条 件 如 下 ：正 弦 波 加 载，振动疲劳周期２０万次，加载频率３０ Ｈｚ，试验温 度２０，３０，４０，５０ ℃，振幅２０，３０，４０μｍ。
２ 试 验 结 果 与 讨 论
可采用两 种 方 法 表 征 材 料 的 动 态 振 动 疲 劳 性 能，一是力 － 位 移 （振 幅）曲 线称 滞 后 圈 图 ）；二 是 Ｘ －Ｙ 轴 曲 线， Ｘ 轴为疲劳次数（即疲劳周期），Ｙ 轴 为 储 能 模 量Ｅ′ （施力模式为拉伸模式下的储能模量 Ｍ′）、损耗模量 Ｅ″（施力模式为拉伸 模 式 下 的 损 耗 模 量 Ｍ″）和 损 耗 因 子ｔａｎδ。 ２．１ Ｘ－Ｙ 轴曲线表征结果
（ｂ） ４０ ℃
（ｃ） ５０ ℃
图 ３ 高 阻 尼 橡 胶 不 同 温 度 下 的 振 动 疲 劳 滞 后 圈 图
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｌａｇ ｃｉｒｃｌｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
（ａ） ２０μｍ
固定温度为２０ ℃、频 率 为 ３０ Ｈｚ、正 弦 波 激 励 加载次数为 ２０ 万 次，高 阻 尼 橡 胶 在 不 同 振 幅 （２０， ３０，４０μｍ）下 测 得 的 振 动 疲 劳 滞 后 圈 图 见 图４。从
张 晓 玲 等 ：高 阻 尼 橡 胶 的 动 态 振 动 疲 劳 性 能
（ａ） ３０ ℃
图 ２ 高 阻 尼 橡 胶 材 料 经 ２０ 万 次 循 环 后 的 振动疲劳滞后圈图（２０ ℃，２０μｍ）
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｌａｇ ｃｉｒｃｌｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ａｆｔｅｒ ２×１０５ ｔｉｍｅｓ ｃｙｃｌｉｎｇ
２．２．２ 温度对振动疲劳性能的影响 固定频率为３０ Ｈｚ、振幅为 ２０μｍ、正 弦 波 激 励
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张 晓 玲 等 ：高 阻 尼 橡 胶 的 动 态 振 动 疲 劳 性 能
少。因此，笔者介 绍 了 利 用 ＤＭＡ＋４５０ 动 态 机 械 分 析仪测 试 高 阻 尼 橡 胶 材 料 动 态 振 动 疲 劳 性 能 的 方法。
１ 试 样 制 备 与 试 验 方 法
试验用高阻尼 橡 胶 是 以 丁 腈 橡 胶 为 主 体，添 加 阻尼 填 料 及 防 老 剂 和 阻 燃 剂 等 填 料 混 炼，再 经 １５０ ℃×３０ｍｉｎ硫化而成。将制得的高阻尼橡胶加 工成尺寸为２０．５ｍｍ×１２．３ ｍｍ×３．１ ｍｍ 的 疲 劳 试样待用。
加载次数为 ２０ 万 次，高 阻 尼 橡 胶 在 不 同 温 度 （３０， ４０，５０ ℃）下 测 得 的 振 动 疲 劳 滞 后 圈 图 见 图 ３。 从 图３ 可 以 看 出，随 着 试 验 温 度 的 升 高，当 温 度 为 ４０ ℃和５０ ℃时，测 得 的 滞 后 圈 形 状 由 规 则 的 椭 圆 形变为不规则的封闭曲线。可以看出温度变化对高 阻尼橡胶材料的疲劳性能影响较大。经分析认为， 这可能是由于温度升高后高阻尼橡胶材料从线性变 为非线性之故。随 着 材 料 所 处 环 境 温 度 的 变 化，由 高温引起的热降解 使 分 子 链 断 裂、降 解 或 进 一 步 交 联 网 构 化 ，材 料 的 取 向 程 度 会 降 低 ，因 而 材 料 的 阻 尼 性 能 和 机 械 强 度 会 随 之 下 降 ，疲 劳 过 程 会 明 显 加 速 。 ２．２．３ 振幅对振动疲劳性能的影响
（ｂ） ３０μｍ 图 ４ 高 阻 尼 橡 胶 材 料 不 同 振 幅 下 的 滞 后 圈 图
（ｃ） ４０μｍ
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｌａｇ ｃｉｒｃｌｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ
图４可以看出，不同 振 幅 下 测 得 的 滞 后 圈 形 状 并 没 有产生明显的变化。说明高阻尼材料的能量损耗随 周 期 的 变 化 较 小 ，在 振 动 幅 度 不 大 ，即 振 幅 在 微 米 量 级 的 小 应 变 下 ，频 率 一 定 的 振 动 环 境 下 工 作 时 ，由 于 高 阻 尼 材 料 的 初 始 刚 度 较 大 ，主 要 表 现 为 弹 性 性 能 ， 对疲劳性能能影响较小。因而该高阻尼橡胶材料适 用于小振幅、低 频 下 使 用，符 合 粘 弹 性 材 料 使 用 规 律 ，即 粘 弹 性 阻 尼 材 料 一 般 是 在 振 动 幅 度 不 大 、频 率 一定的振动环境下工作。 为了得知长周期振动疲劳对该高阻尼橡胶材料 动态 力 学 性 能 的 影 响，在 ３０ ℃，８０ Ｈｚ，振 幅 为 １ｍｍ 的大振幅条件 下 进 行 了 ２ ６５０ 万 次 振 动 疲 劳 试验。结果表明，该 高 阻 尼 橡 胶 材 料 即 使 经 过 长 周 期大振幅 （远 远 超 过 工 程 条 件 下 的 使 用 振 幅 ）的 振 动 ，其 动 态 力 学 性 能 也 基 本 无 变 化 ，这 初 步 可 以 说 明 该材料具有较长的使用寿命。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ；ｄｙｎａｍｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｌａｇ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ
橡胶的疲劳性能直接决定了在长期静态负荷或 在长时间 周 期 性 变 形 条 件 下 工 作 的 橡 胶 制 品 的 质 量 。 ［１］ 橡胶疲劳性能的测试一般都是在电液伺服 疲 劳试验机或机械式 疲 劳 试 验 机 上 进 行，其 疲 劳 性 能 试验是一项重要的 物 理 性 能 试 验，硫 化 橡 胶 在 周 期 性应力或应变的作 用 下，其 结 构 和 性 能 的 任 何 变 化 都叫做疲劳现象。硫化橡胶疲劳现象的主要表现是 其硬度或弹性模量等逐渐降低。橡胶制品的使用寿 命，是橡胶制品从开 始 使 用 到 丧 失 使 用 功 能 所 经 历 的时间。所以，橡胶 的 疲 劳 断 裂 往 往 决 定 着 这 些 制
试验技术与方法
高阻尼橡胶的动态振动疲劳性能
张 晓 玲 ，王 兵
（洛阳船舶材料研究所，洛阳 ４７１０３９）
摘 要：介绍了利用 ＤＭＡ＋４５０动态机械分析仪测试高阻尼橡胶动态 振 动 疲 劳 性 能 的 方 法。 结 果表明：利用 ＤＭＡ＋４５０动态机械分析仪测试高阻尼橡 胶 材 料 的 振 动 疲 劳 性 能 可 以 采 用 两 种 方 式 表征，即滞后圈图和 Ｘ－Ｙ 轴曲线，其中滞后圈图表 征 方 式 直 观、清 晰，有 利 于 科 研 人 员 的 分 析；本 试验中的高阻尼橡胶受温度影响较大，当温度高于４０ ℃时，其疲劳过程会明显加速；该高阻尼橡胶 的 初 始 刚 度 较 大 ，表 现 为 弹 性 性 能 ，微 米 量 级 的 小 振 幅 对 其 疲 劳 性 影 响 较 小 ，适 用 于 在 振 幅 不 大 、频 率一定的条件下工作。
ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｂｉｎｇ （Ｌｕｏｙａｎｇ Ｓｈｉｐ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ｗｉｔｈ ＤＭＡ＋４５０
ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｚｅｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｗｏ ｗａｙｓ ｕｓｉｎｇ ＤＭＡ＋４５０ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｚｅｒ，ｎａｍｅｌｙ ｌａｇ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｔｈｅ Ｘ－Ｙ ａｘｉｓ ｃｕｒｖｅ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｇ ｃｉｒｃｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｗａｓ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｃｌｅａｒ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ｗａｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ，ａｎｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ４０ ℃，ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｄａｍｐｉｎｇ ｒｕｂｂｅｒ ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｅｄ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｓｍａｌｌ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ．Ｉｔ ｗａｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｔｏ ｓｅｒｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｉｔｔｌｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．