變應(yīng)變率對(duì)三元乙丙橡膠力學(xué)性能的影響

變應(yīng)變率對(duì)三元乙丙橡膠力學(xué)性能的影響

0橡膠材料的力學(xué)性能三個(gè)乙丙醇膠（epdm）是由丙烯（ch2.ch2）、丙烯（ch2.ch-ch3）和非雙醇引起的三個(gè)聚合物。具有高品質(zhì)、耐老化性、耐醚性、耐候性、耐候性、低溫性、電絕緣性和靈活性。廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電線電纜、密封材料和耐熱產(chǎn)品。EPDM還具有極好的硫化特性,在所有橡膠當(dāng)中,EPDM具有最低的比重,它能吸收大量的填料和油而影響特性不大,因此可以制作成本低廉的橡膠化合物。隨著軍事防護(hù)材料的發(fā)展需要,該材料的力學(xué)性能研究越來(lái)越被人們所重視。眾所周知,橡膠材料的力學(xué)性能會(huì)受到環(huán)境溫度和應(yīng)變率的影響,隨著溫度和應(yīng)變率的變化,橡膠材料還可呈現(xiàn)出粘流態(tài)、橡膠態(tài)和玻璃態(tài)三種不同的力學(xué)形態(tài)。一旦力學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變,其良好的力學(xué)性能就無(wú)法體現(xiàn),其軍事價(jià)值就會(huì)受到很大的影響,甚至失效。EPDM作為軍事防護(hù)材料的組成之一,由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的不同,它對(duì)溫度、應(yīng)變率的要求也就更加嚴(yán)格。近年來(lái),對(duì)EPDM的物理性能研究較多,而對(duì)其在不同溫度、不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能的研究很少。王寶珍等人已經(jīng)采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)技術(shù),測(cè)定了氯丁橡膠(CR)在不同溫度(-20℃～50℃),不同應(yīng)變率(5×10-3/s～3×103/s)條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,得出了CR的力學(xué)性能及特性。本實(shí)驗(yàn)主要設(shè)計(jì)了更為寬泛的溫度和較高應(yīng)變率條件,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)來(lái)研究溫度和應(yīng)變率對(duì)EPDM力學(xué)性能的影響,分析其動(dòng)力學(xué)性能及相關(guān)規(guī)律。1在變溫度條件下高變質(zhì)率的實(shí)驗(yàn)1.1橡膠力學(xué)性能的測(cè)試由于橡膠材料低阻抗、低波速的特點(diǎn),傳統(tǒng)的Hopkinson技術(shù)不能獲得有效可用的結(jié)果。周國(guó)才等研究了用于測(cè)量材料高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的SHPB技術(shù),提出同時(shí)加熱試件和桿再修正溫度影響的方案。本文實(shí)驗(yàn)用單獨(dú)加熱試件的方案研究測(cè)量橡膠在高低溫(233K～323K范圍內(nèi))的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,采用了分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)裝置(圖1、圖2),壓桿選用波阻抗低的LY12鋁桿,其直徑為20mm。入射桿和透射桿的長(zhǎng)度分別為6000mm和3500mm。本實(shí)驗(yàn)主要是在原有裝置的基礎(chǔ)上,在試件端加上了半導(dǎo)體高低溫調(diào)控裝置(圖2(b))。1.2應(yīng)力厚度的確定EPDM試件(圖3)直徑為10mm,厚度為2mm,較薄的厚度是為了保證應(yīng)力能盡快達(dá)到均勻。試件的長(zhǎng)徑比可適當(dāng)調(diào)整,通常應(yīng)在0.5～1.0范圍內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)試件長(zhǎng)徑比為0.2,超出了此范圍,因此摩擦效應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生一些影響。1.3實(shí)驗(yàn)裝置的基本原理由于EPDM材料低阻抗、低波速的特點(diǎn),本次實(shí)驗(yàn)選用波阻抗較低的鋁桿,入射波采用整形技術(shù),使波形上升沿變緩,并針對(duì)不同的應(yīng)變率采用不同的整形方法。入射波的數(shù)據(jù)由貼在入射桿上的電阻應(yīng)變片采集,而微弱的透射波信號(hào)則采用靈敏度系數(shù)高的半導(dǎo)體應(yīng)變片(其靈敏度約為普通應(yīng)變片的50倍)。應(yīng)變片采集到的應(yīng)變信號(hào),通過(guò)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀放大后傳入波形儲(chǔ)存器,波形儲(chǔ)存器記錄下入射桿及透射桿處應(yīng)變片傳入的應(yīng)變大小(電壓信號(hào)),如圖4所示。分離式霍普金森桿入射桿和透射桿直徑均為20mm。實(shí)驗(yàn)中為了減少摩擦力的影響,在試件材料兩端涂上薄薄的一層凡士林起到潤(rùn)滑作用。溫度控制時(shí),考慮到橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)較低,要使試件內(nèi)部達(dá)到所需的實(shí)驗(yàn)溫度,將試件在半導(dǎo)體溫控箱內(nèi)加熱或降溫達(dá)到試件所需實(shí)驗(yàn)溫度后再保溫2h以上,然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中透射桿的應(yīng)變片貼在距離桿-試件交界面750mm的位置,熱源對(duì)應(yīng)變片的信號(hào)基本沒(méi)有影響。在233K～323K范圍內(nèi),鋁桿的彈性模量基本沒(méi)有變化,因此也可以忽略溫度梯度對(duì)波傳播的影響。三元乙丙橡膠作為裝甲防護(hù)材料,要適應(yīng)裝甲裝備-40℃～50℃的實(shí)際工作環(huán)境,因此實(shí)驗(yàn)溫度分別選擇在233K、243K、253K、283K、298K、303K、323K下對(duì)EPDM進(jìn)行應(yīng)變率為1.8×103/s、2.5×103/s和3×103/s的實(shí)驗(yàn)。1.4應(yīng)變率對(duì)epda件剛度的影響通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出相同應(yīng)變率、不同溫度情況下EPDM的應(yīng)力應(yīng)變曲線和相同溫度、變應(yīng)變率情況下EPDM的應(yīng)力應(yīng)變曲線分別如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可以看出:1)在1800/s和2500/s應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)壓縮條件下,應(yīng)力應(yīng)變曲線變化顯著,在溫度從243K下降到233K時(shí),表現(xiàn)出向“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變的特性。2)當(dāng)3000/s應(yīng)變率條件下動(dòng)態(tài)沖擊時(shí),溫度從253K下降到243K時(shí),就表現(xiàn)出向“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變的特性。對(duì)比不同應(yīng)變率情況下,EPDM試件在相同溫度時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可知,隨著應(yīng)變率的提高,在相同應(yīng)變情況下,EPDM試件獲得相同的應(yīng)變需要的應(yīng)力隨之增加,可以認(rèn)為EPDM試件的剛度隨著應(yīng)變率的增加而增加。在相同應(yīng)變率情況下,隨著溫度的增加,EPDM試件獲得相同的應(yīng)變需要的應(yīng)力隨之減小,可以認(rèn)為隨著溫度的增加EPDM試件的柔性增強(qiáng)。當(dāng)溫度降低到某一臨界值EPDM試件的剛性急劇增加,且隨著應(yīng)變率的增加,臨界溫度隨之升高。根據(jù)高聚物的力學(xué)特性,可以認(rèn)為此時(shí)橡膠試件的分子運(yùn)動(dòng)情況發(fā)生轉(zhuǎn)變,從而EPDM試件的狀態(tài)由橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài),導(dǎo)致試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能發(fā)生變化。2應(yīng)變率與溫度1)在同一應(yīng)變率條件下,溫度對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出了一定的溫度效應(yīng)。EPDM在應(yīng)變率為1800/s和2500/s條件下,233K接近其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度;在應(yīng)變率為3000/s條件下,243K接近其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。2)在同一溫度下,動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線也表現(xiàn)出了應(yīng)變率效應(yīng),