稀土填充硫化天然橡胶热老化多轴疲劳性能及寿命预测研究

Rare earth filled rubber compounds show excellent characteristics, such as thermal stability, aging-resistant and abrade-resistant. Therefore, revealing multiaxial properties and reasonable life prediction are quite important for rare earth filled rubber components designing in industries. The effects of thermal aging on the fatigue of rubber compounds are significant and should be taken into account in designing rubber components. However, the understanding of thermal aging effect on multiaxial fatigue properties of rare earth filled rubber is still not enough. Therefore, this study will focus on fatigue properties and microstructure characterizations of rare earth filled vulcanized natural rubber after thermal aging under multiaxial loading. The relationship between microstructure variation and mechanical properties will be studied and the multiaxial fatigue failure mechanism will be revealed. Moreover, the multiaxila life prediction model including thermal aging damage will be proposed for rare earth filled rubber, which should be a significant theoretical guideline for rubber components designing and safe operation. This study is expected to be an important scientific value, and can also promote the reasonable application of rare earth in Inner Mongolia.

在橡胶材料中添加稀土元素，可以提高橡胶的耐热性、耐老化性和耐磨性等综合性能。因此，全面了解稀土填充橡胶在复杂载荷下的疲劳性能及合理预测其疲劳寿命对于工程中橡胶构件的设计具有重大意义。热老化对橡胶材料的疲劳寿命有很大影响，在设计橡胶构件时不可忽视。但考虑热老化作用的稀土填充橡胶的多轴疲劳性能及失效机理尚缺乏系统研究和深入理解。本项目拟针对热老化后的稀土填充硫化天然橡胶研究应变控制下的拉压-扭转多轴疲劳性能和微观结构表征，探索微观结构演变与宏观性能变化的关系，揭示疲劳失效机理。建立考虑热老化损伤参量的多轴疲劳寿命预测模型，实现对热老化作用下的稀土填充硫化天然橡胶的多轴疲劳寿命的合理预测，为全面描述橡胶疲劳性能及橡胶制品的抗疲劳设计及安全运行提供理论指导。本研究不但具有重要的学术价值，而且对内蒙古稀土资源的高附加值利用具有重要的推动作用。

在橡胶材料中添加稀土元素，可以提高橡胶的耐热性、耐老化性和耐磨性等综合性能。因此，全面了解稀土填充橡胶在复杂载荷下的疲劳性能及合理预测其疲劳寿命对于工程中橡胶构件的设计具有重大意义。热老化对橡胶材料的疲劳寿命有很大影响，在设计橡胶构件时不可忽视。而考虑热老化作用的稀土填充橡胶的疲劳性能及失效机理尚缺乏系统研究和深入理解。本项目对稀土氧化铈填充硫化天然橡胶热老化疲劳性能及寿命预测进行了系统研究。研究采用加速老化方式在60℃、80℃、100℃条件下对氧化铈填充硫化天然橡胶和未填充型硫化天然橡胶试件分别进行了24h、72h的热老化处理，并对其进行疲劳及微观测试。结果显示，填充氧化铈提高了热老化硫化胶的综合机械性能，并起到补强作用。氧化铈填充对热老化橡胶的轴向应力有明显的增强作用， 60℃、80℃老化24h时，氧化铈填充使得材料的疲劳寿命显著提高。进一步探索微观结构演变与宏观性能变化的关系，通过SEM测试发现氧化铈在基体中有较好的分散性，改善了橡胶内部网络结构，橡胶分子链间相互作用力得到增强，疲劳断裂表面均呈鱼鳞状，两种材料均为韧性失效，而氧化铈填充热老化硫化天然橡胶断面的更加平整，填充物的浸润性更好，疲劳寿命更长。通过交联密度的研究表明， 60℃、80℃老化24h的氧化铈填充硫化胶交联密度与未填充型硫化胶相比，交联密度增加趋势更为缓慢，其疲劳寿命在不同应变幅值下均高于未填充型硫化胶，说明氧化铈填充硫化胶具有良好的热稳定性。对已有的寿命损伤模型进行综合了评价，系统分析了各种模型对橡胶材料寿命预测的有效性，根据金属疲劳领域的多轴损伤模型，对橡胶材料多轴疲劳寿命损伤模型开发进行了尝试，并籍此分析了模型的有效性。最后利用ABAQUS软件建立了有限元模型，获得60℃、80℃、100℃老化24h 的NR/CeO2在单轴疲劳下的应力分布，计算结果与试验结果对比显示偏差在10%以内，为将来疲劳模拟分析可提供可靠的数据模型支持。本研究不但具有重要的学术价值，而且对内蒙古稀土资源的高附加值利用具有重要的推动作用。