温度影响下炭黑增强橡胶复合材料的循环拉伸力学行为

为研究温度变化与炭黑增强对橡胶复合材料循环拉伸力学行为的影响,利用含温度箱的非接触式自动网格法测试系统,对4种不同炭黑含量的填充橡胶开展了不同温度下的阶梯式加卸载拉伸力学实验.实验结果表明,在各个循环段,炭黑填料对橡胶基体的增强效应都随温度升高而减弱,且温度越高,增强效应的减弱趋势越平缓,这是导致填充橡胶循环拉伸力学行...     

填充橡胶温度依赖的非弹性力学行为实验研究

填充橡胶具有复杂的非弹性力学行为,主要包括应变率依赖的粘弹性效应和变形历史依赖的Mullins效应.当前大多数对填充橡胶的实验研究集中于室温条件,针对以上问题,本论文通过单轴压缩实验系统地研究了温度对氟橡胶粘弹性和Mullins效应这两种非弹性行为的影响.首先采用多次循环加载获得了完全消除了Mullins效应的预处理试样.通过对原试样和预处理试样的单轴加卸载实验应力响应进行对比,发现Mullins效应不受变形温度和应变率的影响.通过对消除Mullins效应橡胶材料应力松弛实验结果进行分析,发现粘弹性行为不仅与变形的温度、应变率相关,还受加载应变的影响,表现为较大的加载应变会抑制氟橡胶的应力松弛.     

炭黑填充橡胶材料的修正三链模型和Mullins模型

论文探讨了炭黑颗粒填充橡胶材料的本构模型.考虑到橡胶单个分子链与周围分子网络的约束作用和炭黑颗粒对橡胶的补强作用,提出了一种修正三链模型,用Edwards管模型描述分子链之间的相互作用和约束,采用应变放大因子来考虑炭黑含量的影响.并在修正三链模型的基础上,利用橡胶分子网络重构理论,提出了一种适合表征橡胶Mullins现象的本构模型.通过与实验数据比较分析,修正三链模型可较准确地表征未填充橡胶材料不同变形模式的力学性能和炭黑颗粒填充橡胶材料的单向拉伸力学行为,Mullins模型也可较好地描述橡胶材料的Mullins现象.     

温度对炭黑填充橡胶复合材料力学性能影响的实验研究

采用岛津万能试验机对天然与丁苯共混橡胶(NSBR)试件进行不同温度下多步松弛循环加卸载实验和单向拉伸加卸载循环实验，对比两者的宏观力学响应，并研究温度对炭黑填充复合材料力学性能的影响．结果表明：(1)随着温度的升高，未填充橡胶逐渐变“硬”，而炭黑填充橡胶是“先变软后变硬”．(2)随着温度的升高，橡胶的迟滞损耗呈线性减小．(3)比较单向拉伸和应力松弛平衡点的应力应变曲线，填充橡胶“先变软后变硬”的温度转折点不同，这是由于应力松弛过程基本消除了粘弹性效应．     

炭黑填充天然橡胶Mullins效应的仿真与计算分析

通过有限元分析软件Abaqus、Matlab数据拟合工具及单轴拉伸试验,研究了Yeoh本构模型、Ogden本构模型及伪弹性理论模型对炭黑填充天然橡胶的Mullins效应仿真效果及规律。结果表明,(1)对单轴拉伸主加载曲线的拟合,Ogden模型精度更高,而Yeoh模型随着炭黑含量的增加在小变形处的拟合效果变差;(2)提出了伪弹性参数与伸长比之间的关系,找到了一种快速计算伪弹性参数的方法,且精度良好,极大地提高了计算效率。     

不同变形下的聚氨酯循环压缩力学性能的实验研究

为了获取聚氨酯弹性体的循环压缩力学性能,通过开展聚氨酯弹性体在一系列不同最大压缩应变(10.1%、13.5%、17.5%、21.0%、30.0%)下的准静态循环压缩力学实验,获得了该类材料从小变形到中等变形范围的压缩加卸载应力-应变曲线;并基于实验结果探讨了该类材料的超弹性响应、残余应变、迟滞损耗和Mullins效应。采用经典的八链模型描述其超弹性力学特征,并利用线性模型描述其黏弹性力学特征,结合分子网络重构理论,建立了一个能准确描述聚氨酯循环加卸载力学行为的本构模型。结果表明,该本构模型可以较好地表征聚氨酯弹性体在不同应变和不同应变率下的实验结果,包括加卸载曲线、残余应变以及Mullins效应等。该模型有望为聚氨酯隔振器的力学行为预测提供参考。     

炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘单向拉伸力学行为研究

利用岛津万能试验机对天然橡胶与丁苯橡胶共混的胶料(NSBR)进行常温下多步松弛循环加卸载试验,拟合材料参数.通过电镜实验观察复合材料截面,发现炭黑体积分数较大时,炭黑颗粒存在聚集现象.建立了圆形炭黑颗粒增强橡胶复合材料二维多颗粒随机分布RVE模型,并运用ABAQUS软件对炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘和颗粒聚集行为进行仿真.对比不同体积分数和不同粒径分布形态等情况下单轴拉伸的宏观力学响应,结果表明:炭黑体积分数越大,炭黑增强橡胶界面开始发生脱粘的应变越小,越容易发生脱粘.针对炭黑的不同聚集程度,并考虑颗粒的界面脱粘,发现考虑颗粒聚集的模型应力集中程度更高,更容易发生脱粘.因此,炭黑体积分数越高,越不能忽略颗粒与基体的界面脱粘以及炭黑颗粒团聚.     

不可压缩超弹性止水材料的粘弹性计算方法研究

发展改进了研究不可压缩超弹性材料的Mooney-Rivlin公式,把材料参数假设成是随时间变化的粘弹性函数,并讨论了粘弹性函数的推导方法,通过工程实例进行了实验计算,并将计算结果与应力松弛试验进行了比较.结果表明,用改进Mooney-Rivlin公式可以简便有效地计算该类材料的粘弹性问题,为解决工程实际问题提供了新的途径.     

炭黑增强对橡胶复合材料温度相关力学行为的影响

利用含温度箱的自动网格法测试系统,对不同炭黑含量的橡胶复合材料开展不同温度下的超弹性性能试验,考察了炭黑增强对其温度相关力学行为的影响。结果表明,温升过程中炭黑颗粒对橡胶基体的增强作用在逐渐减弱,与之相关的内能弹性效应也逐渐减小,加上橡胶基体本身的熵弹性效应,这两者共同决定了炭黑增强胶料会随着温度的升高\"先变软后变硬\",而非如纯胶料般随着温度的升高直接变\"硬\"。换言之,温度变化对颗粒与基体间相互作用造成的影响,使得炭黑增强橡胶的温度相关力学行为比不含炭黑的纯橡胶更为复杂。另外,依据试验研究的结果,本文还推导了修正八链模型的温度相关显式表达式,它能较好地表征胶料超弹性力学行为与温度的相关性。     

炭黑增强橡胶复合材料力学行为的三维数值模拟

本文基于炭黑填充橡胶复合材料具有周期性细观结构的假设,采用一种新的、改进的随机序列吸附算法建立了三维多球颗粒随机分布式代表性体积单元,并通过细观力学有限元方法对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的力学行为进行了模拟仿真。研究结果表明：采用改进的随机序列吸附算法所建立的模型更加便于有限元离散化;模拟中周期性边界条件的约束,使其更加符合实际约束的真实情况;炭黑填充橡胶复合材料的有效模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;通过比较发现,本文提出的多球颗粒随机分布式三维数值模型对复合材料的应力-应变行为和有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合良好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析。     

显式模拟类橡胶材料Mullins效应滞回圈

通过显式、直接的方法提出一个多轴可压缩应变能函数,用来模拟类橡胶材料在加载——卸载作用下,由于Mullins效应而产生的应力——应变滞回圈. 本文的创新点在于将表征能量耗散的变量引入到应变能函数.新的弹性势具有以下两个特点：第一,在加载情况下,新引入的变量不会对弹性势产生任何影响,因此,只要给出合适的形函数显式表达,3个基准实验,包括单轴拉伸和压缩,等双轴拉伸和压缩,以及平面应变,都可精确模拟;第二,新引入的变量在卸载情况下将被激活.在不同的卸载应力下,变量将发生改变,从而影响弹性势,使其最终产生不同的应力——应变关系卸载曲线,与对应的加载曲线共同构成应力——应变滞回圈.通过对Mullins效应实验数据进行分析和研究,得出了卸载形函数在不同卸载应力下变化的规律,并预测不同卸载应力下的应力——应变关系.最后,我们将得到精确匹配实验数据的数值模拟结果,从而证明本文方法不仅可以精确匹配至少3个基准实验,还可以模拟和预测类橡胶材料在加载——卸载作用下由于Mullins效应而产生的滞回圈.     

碳黑填充超高分子量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能研究

采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了载荷及偶件表面粗糙度对碳黑填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料摩擦磨损性能的影响;利用扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌并分析了其磨损机理．结果表明：同UHMWPE相比,碳黑填充UHMWPE的磨损质量损失随载荷增加而增大的幅度较小;偶件表面粗糙度对碳黑填充UHMWPE复合材料的摩擦磨损性能影响较大,随着偶件表面粗糙度的增大,摩擦系数和复合材料的磨损质量损失均显著增大．UHMWPE及其碳黑填充复合材料在干摩擦条件下同45“钢及SiC喷涂层涂覆45“钢对摩时主要呈现犁削和塑性变形特征,犁削和塑性变形程度随载荷和偶件表面粗糙度增加而加剧。     

金属橡胶材料阻尼测试的一个新方法

金属橡胶材料是一种新型减振缓冲材料。本文提出了一个金属橡胶材料阻尼性能的测试方法。基于粘弹性阻尼耗能的基本原理,在给定应变激励函数的条件下,构造了一个等效应力响应函数,由滞环面积相等建立了一组包含实测应力响应和等效应力响应的等效耗能方程,将应变激励函数离散得到了损耗因子的计算表达式,由此可以通过实测应力方便地计算出损耗因子。该方法不仅便于对大阻尼材料的阻尼进行测试,而且具有精度高的优点。依据这一方法对金属橡胶材料进行了测试,测试结果表明我们开发的金属橡胶材料有很好的阻尼减振性能。     

Stress relaxation,creep, and internal stresses in high density polyethylene filled with calcium carbonate

The effect of filling high density polyethylene (HDPE) with calcium carbonate (up to 50% by weight) on the stress relaxation and the creep in uniaxial extension at room temperature was investigated. The addition of CaCO₃ was found to have a strong influence on the flow behaviour of HDPE. In particular, it was observed that the internal stress level, calculated from relaxation data, increased markedly with the filler content. The reduction in creep rate of the filled samples suggested that the CaCO₃-particles induce a change in the structure of the HDPE-interphase close to the filler surface. This was supported by dynamic mechanical measurements performed at low temperatures on swollen HDPE-CaCO₃ samples.     

Modelling of stress softening in elastomeric materials: foundations of simple theories

This work is concerned with formulation of constitutive relations for materials exhibiting the stress softening phenomenon (known as the Mullins effect) typical observed in elastomeric and other amorphous materials during loading–reloading cycles. It is assumed that microstructural changes in such materials during the deformation process can be represented by a single scalar-valued softening variable whose evolution is accompanied by microforces satisfying their own law of balance, besides the classical laws of mechanics underlying macroscopic deformation of a material. The constitutive equations are then derived in consistency with thermodynamics of irreversible processes with the restriction to purely mechanical theory. The general form of the derived constitutive equations is subsequently simplified through introduction of additional assumptions leading to various models of the stress softening phenomenon. As an illustration of the general theory, it is shown that the so-called pseudo-elastic model proposed in the literature may be derived without an ad hoc postulate of the variational principle.     

高弹态未硫化橡胶在不同变形模式下的循环加卸载力学行为

对高弹态未硫化橡胶实施了不同变形模式(单轴拉伸和压缩)的循环力学实验,以考察其黏超弹性响应以及应变率对力学行为的影响。结果表明,材料的拉伸、压缩性能与加载速率和变形历史均有着显著的相关性。对于循环拉伸变形,应力-应变曲线的非线性特征较为明显,材料表现出类似于屈服的性质,且随着循环次数和变形量增加,迟滞损耗的积累趋势逐渐减弱;而对于循环压缩变形,应力-应变关系接近线弹性,且随着循环次数和变形量增加,材料刚度和迟滞损耗积累的趋势都逐渐增强。针对上述实验结果,在经典的Bergstrom-Boyce模型中引入损伤变量,对未硫化橡胶的应变率相关性和Mullins效应进行表征。理论计算结果表明,这种非线性黏超弹模型能够较好地描述未硫化橡胶在不同载荷条件下的变形响应与应力软化特征。     

Rheological properties of carbon black-filled blends of liquid-crystalline copolyester with thermoplastic polysulfone

Rheological properties of a two-phase polymeric blend containing LCCPE of poly(ethylene terephthalate) and p-hydroxybenzoic acid and thermoplastic polysulfone with varying concentrations of polymeric components and particulate filler have been studied. The theological behavior of such blends at different temperatures is governed by variation of the degree of ordering of LC-CPE macromolecules associated with the phase transition in the CPE at 260°C. Experimental results are discussed on the basis of concepts of compatibility of polymeric components in the melt or, if the system is incompatible, of the degree of interphase interaction between the components, as well as the impact of the filler and of the shear straining conditions on structurization in the system and compatibility. The filler exerts a compatibilizing effect on blend components, while the shear stress encourages the phase separation in the system. An extremal variation of viscosity of the LC-CPE/carbon black, silica and talk blends with the filler concentration on both at the flow in a uniform shear stress field and at the capillary flow has been found. Normalization of the filler concentration with respect to its specific surface yields a unified concentration dependence of the relative viscosity of LC-CPE filled with solid particles of various natures and specific surfaces.