橡胶材料动态力学性能及时温等效关系研究

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1、第四届全国爆炸力学实验技术学术会议橡胶材料动态力学性能及时温等效关系研究王宝珍1，胡时胜1，周相荣2(1．中国科学技术大学，中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽合肥23002612．中国船舶重工集团上海船舶设备研究所，上海200031)摘要：利用带温度调控装置的SHPB(SplitHopkinsonpressurebar)试验装置和岛津材料试验机，测定了CR橡胶在不同温度(-20℃～50℃)，不同应变率(5x10．3／S～3000／S)条件下的应力应变曲线。结果表明：C&喙胶的力学性能具有温度敏感性和应变率敏感性，且两者有一定的等效性。从粘弹模量Ev的移位因子嘶和归一化应力应变主

2、曲线两方面讨论了(时)率温等效关系。并对CR橡胶在不同实验环境下的力学状态也进行了分析，应变率提高，温度降低，CRj象胶将逐渐远离橡胶态向玻璃态发生转变，从而呈现出玻璃态的力学特性。而且高应变率下应力应变曲线呈现的所谓“软化现象”也可以解释为橡胶材料进入高速变形引起的热软化效应。关键词：橡胶；SHPB应变率效应；温度效应；时温等效；玻璃化转交温度1引言橡胶属于一种高聚物材料，具有高弹性、低阻抗、粘弹性等力学性能，在汽车、船舶、电子、建筑及机械工业等行业中常用作冲击吸能和抗震材料，具有重要的社会价值和经济价值。但橡胶材料的力学性能会受到环境温度和应变率的影响，且两者还存在一定的等效关系。不

3、仅如此，温度和应变率的变化橡胶材料还可呈现出三种不同的力学形态，即：粘流态，橡胶态和玻璃态。一旦力学状态发生改变，其良好的力学性能也无法体现，使用价值就会受到很大的影响。因此研究橡胶在不同温度、不同应变率下的力学性能及时温等效关系具有十分重要的意义。橡胶材料在变温，低应变率时力学性能已经有了大量的研究。近来，SHPB技术的广泛应用，橡胶材料高应变率下力学性能及本构模型的研究也受到很大的关注，卢芳云【l】、宋博【21等在室温下对橡胶材料做了大量的动态力学试验，解决了橡胶由于低阻抗材料，透射信号弱，应力很难达到均匀性等实验问题。v．P．W．Shim，L．M．Yang等翻提出了一个描述橡胶粘超

4、弹性的本构模型，songbo一等将应变能函数和描述粘弹性的松弛函数相联系提出了一个率相关的材料模型，描述EDPM橡胶受压和受拉时的应力应变行为。．高聚物时温等效关系分析，最早是通过蠕变回复、应力松弛试验，从蠕变柔量和松弛模量的角度进行分析，如著名的WLF方程。而从应力应变曲线研究这种等效性，早期有Smith等人的工作，他将著名的WLF方程应用于橡胶体，朱兆祥在研究环氧树脂高应变率时的时温等效性时还提出了建立无量纲的归一化加载应力一应变曲线【5】，朱国瑞，朱锡雄等【6】采用了两种方法，研究了玻璃态高聚物PMMA低地应变率时的粘弹性力学行为的率温等效性。本文采用改进的带温控箱的SHPB装置对

5、橡胶在不同环境温度下的动态力学性能进行实验研究。通过将应变势能函数和松弛函数相联系，引入温度的影响，得到一个温度和应变率相关的材料模型对试验132橡胶材料动态力学性能及时温等效关系研究数据进行了拟合，并用两种方法证实了高应变率下橡胶材料的时(率)温等效关系的存在，得出了归一化的无量纲应力应变主曲线。而且对橡胶材料的力学形态也进行了分析。2试验方案图1帝有温控装置的SHPB设备衙圈●Fig．1SchematicoftheSI-IFB(014．5)systemwithtemperatureqontroller由于橡胶材料低阻抗、低波速的特点，传统的Hopkinson技术不能获得有效可用的结果

6、。针对这一问题，本次试验选用波阻抗低的铝杆，入射波采用整形技术，使波形上升沿变缓，并针对不同的应变率采用不同的整形方法。入射波的数据由贴在入射杆上的电阻应变片采集，而微弱的透射波信号则采用灵敏度系数高的半导体应变片(其灵敏度约为普通电阻应变片的50倍)采集。CR橡胶试件采用直径为8mm，厚度为lmm，较薄的厚度是为了保证应力能尽快达到均匀。试验中，为了减小摩擦力的影响，试件两端涂上薄薄的一层凡士林以起到润滑作用。温度控制时，考虑到橡胶的热导热系数较低，要使试件达到所需的试验温度，温控箱的温度稳定后需等待数分钟再进行动态冲击。实验中透射杆的应变片贴在离入射端500mm的位置，热源对应变片的

7、信号基本没有影响【7】，且在(．20℃～50℃)温度范围内，铝杆的模量基本没有变化，因此也可以忽略温度梯度场对波传播的影响【8】a为了比较，还对橡胶材料做了应变率为0．0005／S的准静态实验，采用的试验装置是岛津万能试验机，也选用了与动态试验相对应的五种温度：．20℃，．10℃，O℃，．20"C，50℃，采用的试件尺寸直径为10mm，厚度为5mm。3结果与分析3．1试验结果通过试验得出同温不同应变率下的应力应变曲线和同应变率不同温