不同填料填充丁苯橡膠復(fù)合材料裂紋尖端擴(kuò)展行為研究.pdf

1、橡膠制品的裂紋尖端應(yīng)變分布及其與準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴(kuò)展、動態(tài)疲勞破壞性能的關(guān)系近年來受到了廣泛的關(guān)注。本文的研究重點(diǎn)在于考察填料種類和用量對丁苯橡膠復(fù)合材料裂紋尖端應(yīng)變分布的影響，進(jìn)而評價材料的抗裂紋萌生和擴(kuò)展性能。研究的填料體系包括純炭黑體系、純碳納米管體系、碳納米管等量替代炭黑體系以及碳納米管非等量替代炭黑體系。
　　首先考察了炭黑粒徑的變化對其填充丁苯橡膠得到復(fù)合材料的抗裂紋性能的影響。采用數(shù)字圖像相關(guān)法對材料裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)變

2、分布情況進(jìn)行測定。結(jié)果表明，裂紋最尖端一點(diǎn)應(yīng)變放大程度最強(qiáng)，距離尖端越遠(yuǎn)應(yīng)變放大效應(yīng)越弱;同一材料裂紋尖端最大應(yīng)變隨整體應(yīng)變呈線性增加;裂紋尖端應(yīng)變放大效應(yīng)的作用區(qū)域均隨炭黑粒徑增加而減小。綜合填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)靜態(tài)裂紋萌生及擴(kuò)展測試的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)炭黑N234填充丁苯橡膠抗裂紋性能最好而炭黑N990最差的規(guī)律并進(jìn)行了解釋。同時采用有限元分析法對與炭黑填充丁苯橡膠有著同樣單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)的試樣表面進(jìn)行了應(yīng)變分布的模擬，由于Ogden方程在

3、計(jì)算時忽略了材料實(shí)際的滯后特性，模擬結(jié)果在試樣整體應(yīng)變大于30％時與數(shù)字圖像相關(guān)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差。
　　然后研究了碳納米管以1∶1的比例部分替代炭黑N234填充丁苯橡膠準(zhǔn)靜態(tài)下的抗裂紋表現(xiàn)。采用1至3份碳納米管分別替換相同份數(shù)的炭黑N234，結(jié)果表明，隨著碳納米管用量增加，過強(qiáng)的填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不利于分擔(dān)裂紋尖端橡膠分子鏈承受的應(yīng)力集中效應(yīng)，反而強(qiáng)化了應(yīng)變放大程度，不利于得到抗裂紋性能較好的復(fù)合材料。
　　為了探討碳納米管

4、作為填料部分替代炭黑的合理比例，對比研究了5份碳納米管、20份及40份炭黑N234填充丁苯橡膠的填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和局部應(yīng)變分布對其抗裂紋萌生及擴(kuò)展性能的影響。雖然5份碳納米管具有和40份炭黑N234相近的形成填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，但受到碳納米管與橡膠基體作用較弱的特性的影響，在力學(xué)性能和抗裂紋性能方面5份碳納米管卻接近20份炭黑填充后的丁苯橡膠。若使碳納米管與炭黑共同形成的填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與純炭黑接近，碳納米管特殊的幾何形貌對阻礙裂紋擴(kuò)展的作用似