集成橡胶SIBR动态疲劳过程的多尺度研究与分析

SIBR is a new integrated rubber developed particularly for high-performance tyres. According to the structural features of SIBR vulcanizate, this project takes the dynamic fatigue characteristic as a cut-in research shot. Multi-scale study and analysis are performed systematically on SIBR by tracking its whole performing process, i.e., from un-fatigue state, fatigue state, fatigue damage, to ailure. In the microscale, the study focuses on the determination of network chain-structure and its evolution during fatigue process and, hereby, proposes a chemical model and/or mechanism to demonstrate the evolution of both network chain-structure and crosslinked network-structure. In the mesoscale, the study pays attention to clarifying the interactions between rubber and enhancement fillers, the evolution of interfacial structures, and the origin and development of fatigue micro-damages for filled SIBR vulcanizate. In the macroscale, the study focuses on the morphology and fatigue life of materials in order to give a scientific description of the whole process in which the materials undergo fatigue damage and final failure under the dynamic condition. On the basis of these studies, a response mode between multiscale structures and fatigue property will be established, correlating various structural parameters in the fatigue course with physical properties of SIBR materials. Once successfully completed, this work may provide scientific instruction for molecular design, synthesis, and product processing of SIBR. It will improve significantly the durability and application security of tyres, and afford experimental and scientific basis for R&D of high-technique tyres in China.

SIBR是专为满足高性能轮胎开发的新型集成橡胶。本项目拟针对SIBR硫化胶结构特点，以SIBR动态疲劳特性研究为切入点，通过追踪SIBR 在服役期由完好状态→疲劳→疲劳损伤→失效的全过程，开展系统的多尺度实验研究与分析。微观尺度研究工作重点在于研究材料疲劳过程中分子网链结构和网络结构的变化，提出疲劳过程中分子网链结构和交联网络结构演变的化学模型和机理；细观尺度上则力求得到疲劳过程中SIBR与补强填充剂间的相互作用和界面结构变化以及硫化胶疲劳微损伤的起源和发展规律。宏观尺度上通过材料破坏形貌特征及疲劳寿命的研究，得出动态条件下材料从疲劳损伤到最终失效过程的科学描述。建立多尺度下结构与疲劳特性的响应模式，以揭示疲劳过程中各结构参数与物理性能间的联系。从而实现对SIBR分子设计、制备和成型加工的科学指导，有效提高轮胎材料耐久性和使用安全性，为促进我国高新技术轮胎的研发提供实验依据和科学理论支持。

本工作按照项目申请书和计划书所列任务，严格围绕项目中心内容，以多尺度的微观结构（未填充体系）—介观结构（填充体系）—宏观性能为主干，深入细致地开展了详实的橡胶疲劳特性演变的实验研究与分析，取得了以下研究成果：.一、未填充体系： . 研究发现在室温和高温疲劳过程中，未填充的几种橡胶均有化学结构的变化，其中：1.未填充SIBR、SBR、IR体系中羰基含量均增大。在高温疲劳过程中，SIBR发生了丁二烯链节的顺反异构化，且其异戊二烯顺式双键和3,4-结构含量均减少，而IR体系的3,4-结构含量却增大。. 2.样品的疲劳特性与交联密度、交联键断裂和重排现象密切相关。样品疲劳寿命随多硫键含量的增多而升高； .二、炭黑、白炭黑填充体系： .1、填充胶的疲劳寿命随填料用量的增多而下降；高拉伸比下各填充橡胶的疲劳寿命差别不大，低拉伸比下炭黑填充SIBR疲劳寿命最长；白炭黑填充体系随硫黄用量增多疲劳寿命减少。.2、交联密度相同且交联键类型相同的白炭黑填充NR与SBR，SBR的疲劳寿命较长，这是由两者填料-橡胶相互作用和疲劳过程微观结构变化的不同造成的； .3、AFM分析表明：疲劳后白炭黑试样表面粗糙度加大，分布更宽，并发生于整个疲劳过程中；炭黑体系的变化主要发生于疲劳后期。.4、在疲劳初期炭黑填充SIBR体系中填料-橡胶相互作用的变化主要受异戊二烯单元的影响，后期则主要受苯乙烯和丁二烯的影响。.5、TEM分析表明：疲劳样品中炭黑聚集体趋于平面链状排列，且出现由炭黑脱离造成的孔洞；而白炭黑聚集体则形成了一定程度的团聚；拉伸比越大，团聚现象越明显。.6、白炭黑填充体系中链段运动性随疲劳程度的增大而降低，主要由多硫交联键的短化以及填料与分子链界面处链段在疲劳中形成的“类取向”结构所致。.三、并用胶体系：. 对于未疲劳填充NR/SBR并用胶，炭黑更易偏析到含量较高的橡胶相中，而白炭黑则更易偏析到NR中；疲劳过程中炭黑粒子更易从填料含量较多的相向填料含量较低的相发生偏移，白炭黑粒子则相反。.四、有限元模拟：. 采用ABAQUS和FE-SAFE软件对橡胶试样的单轴拉伸疲劳寿命进行有限元分析。测得疲劳寿命与相同条件下的实验值误差仅为1.98%；用该方法预测橡胶减震器的疲劳寿命及最先出现疲劳破坏的区域均与实际情况相符。