CN105004618A - 一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法，该方法包括试样的选择和设备的选择，所述的试样包括试样A、试样B、试样C和试样D中的一种或多种，试样A、试样B和试样C为单层帘布屈挠疲劳试样，裁取帘布时，控制帘线的排列角度与轮胎中帘线排列角度接近，其中试样A帘布放置长度达到整个试样的中部位置，试样B为裁切帘布对接，试样C帘布的长度可以和整个试样等长或者稍短；试样D为多层帘布复合材料的屈挠疲劳测试试样，压片时模拟轮胎中带束层部位的排列方式；本发明实验室模拟疲劳测试可以用于轮胎制品耐疲劳破坏性能的实验室分析。

Description

一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法

技术领域

本发明涉及轮胎橡胶复合材料破坏点的产生机理全新研究方法，尤其涉及一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法。

背景技术

轮胎是汽车的重要部件之一，它直接与路面接触，和汽车悬架共同来缓和汽车行驶时所受到的冲击，保证汽车有良好的乘座舒适性和行驶平顺性，保证车轮和路面有良好的附着性提高汽车的牵引性、制动性和通过性，承受着汽车的重量。轮胎在汽车上所起的重要作用越来越受到人们的重视。现在大多数汽车轮胎材料的主要成份是天然橡胶或者合成橡胶。天然橡胶的综合性能优越过合成橡胶，所以高级轮胎多用天然橡胶。为了使橡胶具有制造轮胎所要求的性能，必须要在橡胶中渗入各不同的化学材料，即化学添加剂。其中添加的一种很重要的添加剂叫碳黑。因为碳具有特别的吸附性，碳粒子与橡胶分子的粘结非常好，使得橡胶增强了硬度、强度和耐磨性。汽车轮胎主要材料实际上是一种胶料与帘线的复合材料。

轮眙的主要橡胶料有胎面胶、胎侧胶、帘布胶、内胎胶、垫带胶等。 胎面胶直接与地面接触摩擦，它具有耐磨损、耐刺扎、缓冲以及防滑等使用性能。要求胎面胶应有较高的抗张强度、定伸强度、良好的抗撕裂性、优异的耐磨性，同时还应有较好的弹性、较低的摩擦生热和耐花纹裂口的性能等。胎侧胶必须具有很好的抗屈挠性和耐老化性以及较好的弹性。胎侧胶的主要作用是保护帘布层不受机械损伤和不受潮湿。缓冲胶应具有高的泽陆、耐疲劳、耐热老化、抗剪切扯裂、高的定伸强度、摩擦生热小、散热性好等性能。帘布胶是各帘线及布层的粘结物，帘线为帘布层提供了抗压能力。帘布胶能够减少冲击负荷对帘线的作用，防止帘线相互摩擦及局部受潮等。帘布胶应具有高的弹性、耐热性、抗撕裂性、低的摩擦生热及适当的定伸强度等性能。内胎在使用过程中受到频繁的周期性伸张压缩变形，并在较高的温度下工作。内胎胶应具有优越的气密性，高的弹性、耐屈挠良好的耐撕裂、耐高温、耐疲劳、不易爆破等性能

找出轮胎损坏的原因以及损坏机理，合理地使用和维护好轮胎是一项十分重要的工作。

轮胎的正确使用能够延长轮胎的使用寿命，且轮胎状况的好坏还直接影响汽车行驶安全及燃料经济性。为延长轮胎寿命，就需要研究轮胎的损坏规律，并采取有效措施，避免一切不正常的磨损和损坏。通过建立实验室模拟研究，可以有效缩短研发改进周期。

一直以来行业内对于轮胎材料的损坏形式的研究和分析没有统一的标准，对于轮胎的损坏的分析形式一直以装车试验为主，但由于装车试验中试验路段的不确定性，车辆的车况不统一性，以及载重情况无法确定等因素，使得轮胎的新材料试验的研究周期会非常漫长，本发明通过试验研究，深入研究轮胎损坏机理及材料破坏模式，特别是损坏形式与原材料、配方设计、工艺、温度等相关性（包括新材料、新工艺）以及材料生热、老化、传热、疲劳表观特性的微观分子结构（化学键的破坏）机理，我公司与高校合作展开“轮胎损坏界面的微观诊断分析”项目研究，利用高校透射电镜(SEM)、交联密度、DMA、红外、热失重等先进的设备仪器及高分子理论研究优势，来分析轮胎产品损坏微观形貌特征及损坏机理，以便指导产品改进提高产品使用寿命。轮胎损坏主要发生在骨架材料的端点、层间，占轮胎损坏的80%以上。对市场退赔胎及机床试验后的轮胎损坏点进行了大量分析（包括米其林、普利斯通、公司及上轮的产品）。分析发现：轮胎使用3~5个月后，材料交联密度、老化性能都发生一定的改变，特别是损坏点往往存在微观缺陷，如坑穴、粒子团聚、气孔、杂质等，米其林轮胎微观缺陷明显少于国内公司产品。胶料及胶料/钢丝界面的微观缺陷是诱发微观裂纹产生、扩展导致产品损坏的重要原因之一。

 为了消除材料的这种微观缺陷及提高材料性能保持率，公司对原材料、配方及工艺进行了改进优化，制定了多种方案和技术措施，如低温混炼、胶料过滤、粘合胶料取消白炭黑、3#烟片胶的应用、提高材料硫化平坦期等系列措施。那么如何检验这些措施的有效性呢？轮胎微观缺陷是在使用后才出现的，新胎很难显现。如果多种方案做成成品放到市场上试验，然后再解剖分析不仅周期长，而且会造成巨大浪费，一旦不好直接影响产品信誉和客户销售。如何实现多方案的快速检验评价就成为研究的一大课题。前面提到，轮胎损坏点主要发生在骨架材料端点及层间，占80%，探讨一种胶料/帘线复合材料的试验室模拟方法对能否实现方案的快速优选及项目的实施和完成至关重要，本发明就是基于该种背景产生的。本发明目的是研究出一种在实验室中模拟出实际轮胎行驶过程中的损坏形式，使得实验室研究与实际使用中轮胎损坏形式具有一致性。

发明内容

为了有效的缩短轮胎新材料试验的时间及成本，本发明的目的是提供一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法，该方法为揭示轮胎损坏机理提供了一种快捷、有效的试验方法，最终为高性能轮胎的研制提供一种切实有效的实验室研发方法。

为了解决上述的技术问题，本发明采用了以下的技术方案：

一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法，该方法包括试样的选择和设备的选择，所述的试样包括试样A、试样B、试样C和试样D中的一种或多种，试样A、试样B和试样C为单层帘布屈挠疲劳试样，裁取帘布时，控制帘线的排列角度与轮胎中帘线排列角度接近，其中试样A帘布放置长度达到整个试样的中部位置，试样B为裁切帘布对接，试样C帘布的长度可以和整个试样等长或者稍短；试样D为多层帘布复合材料的屈挠疲劳测试试样，压片时模拟轮胎中带束层部位的排列方式；上述的试样A、试样B、试样C和试样D的长、宽、厚度为151mm*60mm*6.3mm；设备选定高低温屈挠疲劳试验机，外加保温箱，试验机主要技术参数:

a）下夹持器往复速度范围：(50～500)r/min±10r/min

b）上下夹持器可调节最大距离：200mm

c）偏心轮可调节最大距离：50mm

d）下夹持器最大往复行程：100mm

e）源电压：AC220V±10% ；

测试条件：

a）温度：100℃

b）夹具行程：25mm；频率300次/min；

c）疲劳时间：≤24h

d）疲劳性能：试样边缘出现裂口。

    本发明实验室模拟疲劳测试可以用于轮胎制品耐疲劳破坏性能的实验室分析。轮胎疲劳损坏原因分析及损坏机理模拟是长期困扰轮胎业界的一个难题，其主要原因是成品轮胎疲劳损坏测试周期长，轮胎真实工作条件复杂，且难以在线观测轮胎损坏的发展历程。本项目拟通过实验室测试与成品胎测试相结合的手段，经过多次验证，建立一套能够模拟轮胎材料损坏过程的实验室测试方法，特别是创建了模拟钢丝/橡胶复合材疲劳破坏的试验方法。为揭示轮胎损坏机理提供了一种快捷、有效的试验方法，最终为高性能轮胎的研制提供一种切实有效的实验室研发方法。

附图说明

图1单层骨架材料试样图。

图2两层或多层骨架材料。

图3 单层帘布屈挠试样。

图4多层帘布屈挠试样。

图5 试验室疲劳试验机。

图6疲劳试件的制作及取样方式。

图7实际里程试验胎与试验测试分析对比。

图8  试验的四种试样。

图9 三种粘合胶料断裂界面SEM照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

①国内目前有针对橡胶材料及钢丝（或纤维）单质材料的疲劳试验方法，而针对钢丝（或纤维）/胶料组成的复合材料没有疲劳试验测试方法，开发和建立钢丝（或纤维）/胶料复合材料的试验测试方法是一项全新技术，填补了国内空白。

②试件的制作尺寸是经过精心考虑和大量的试验后才定格的。试件尺寸定型的演变过程如下：

1）试件制作的最初想法及否定

最初压缩实验室试样制备方法

采取杭橡公司提供的压延帘布及混炼胶，结合成品胎试样的测试结果，根据轮胎中胶料与帘线的结合、排布及受力方式，实验室制备压缩疲劳测试试样，试样制备如图1和图2所示。图1为单层帘线的测试试样，图2为两层或者多层骨架材料的试样，制样时根据试样的尺寸裁取帘布，帘布的尺寸小于试样的尺寸（帘布包覆于橡胶之内），帘线的排列角度可以由裁样及制样的时候控制，模拟轮胎中帘线实际排列的角度。

最初弯曲试样制备方法

弯曲屈挠疲劳测试采用一定厚度的长方体试样，试样具体制备方法如图3和图4所示。

图3所示为单层帘布屈挠疲劳试样，裁取帘布时，控制帘线的排列角度与轮胎中帘线排列角度接近，左图中帘布放置长度达到整个试样的中部位置，保证屈挠过程中帘线的端部处在发生最大形变处，以观察帘线端部在疲劳过程中的损坏特性；中图为裁切帘布对接试样图，右图帘布的长度可以和整个试样等长或者稍短，考察屈挠过程中帘线与橡胶粘合界面的损坏特性。图4为多层帘布复合材料的屈挠疲劳测试试样，压片时模拟轮胎中带束层部位的排列方式，对试样进行弯曲屈挠疲劳测试，考察帘布层间的疲劳特性。

由于钢丝帘线压延密度40~60根/100mm，单压延厚度2.0~3.0mm，钢丝需加预张力，在制作中发现上述试件制作钢丝全部变为很短的碎断钢丝材料，谈不上骨架材料的方向性，试件的硫化压力也难于施加，存在钢丝的裁断、厚度控制等系列问题试件制作难度很大且难于控制。

一方面试件制作难以控制，另一方面，带钢丝的压缩试样在现有的橡胶材料压缩生热试验设备上难以完成，考虑到需要新加工试验设备加之试件制作精度问题，因此上述试件制作方案被否定。

2）试件的改进

根据最初的试件制作及试验问题，考虑到试验设备能力、产品帘布压延厚度、裁断及硫化压力及材料边缘效应等诸多因素，改进试件仅用于弯曲疲劳，试件尺寸，长、宽、厚度为151mm*80mm*6.3mm。

长度主要依据弯曲疲劳试验机夹具及量程来设计，宽度依据夹具宽度来设计，厚度主要考虑单层帘布厚度2.0~3.0mm，适合轮胎产品主要帘布尺寸而设计的。

3）试件尺寸的定型

试件尺寸，长、宽、厚度为151mm*60mm*6.3mm。因80mm帘布宽度略大于夹具宽度，因帘布弯曲刚性高，试验过程中发现容易造成边缘皱褶现象，特别是人为误差试片上偏时会造成较大的试验数据偏差。因此试件宽度由80mm减小为60mm。

由此可见，试件的尺寸设计定型是经过多次试验总结的结果，是经过精心考虑的。

③测试设备和测试方法的选择

设备选定高低温屈挠疲劳试验机，并且需要力值量程较大，能够满足钢丝帘布制件产生必要形变的要求。本工作选用江苏明珠的MZ-4003C立式橡胶疲劳龟裂试验机，外加保温箱，可调节测试所需温度，设备外形如图5所示。

试验机主要技术参数:

1）下夹持器往复速度范围：(50～500)r/min±10r/min

2）上下夹持器可调节最大距离：200mm

3）偏心轮可调节最大距离：50mm

4）下夹持器最大往复行程：100mm

5）源电压：AC220V±10%

测试条件的设定

疲劳测试模式：屈挠弯曲疲劳

测试条件：

温度：100℃

夹具行程：25mm；频率300次/min

疲劳时间：≤24h

疲劳性能：试样边缘出现裂口

经过多次试验测试选定试验参数：A.温度选择100℃原因在于轮胎关键损坏点基本为应力集中点,同时也是高温集中区域，如带束端点、胎体反包端点、垫胶等；

选择夹具行程25mm，较大则损坏过快导致数据偏差较大，较小则试验周期过长，尝试过42mm及12mm等多组数据；频率300次/min，与轮胎60km/h速度相当；疲劳时间24h内通常会出现损伤，可观察到内在缺陷。

对实验室疲劳损坏试样进行微观测试，比较实验室疲劳破坏与成品轮胎疲劳损坏微观原因的差异，分析实验室疲劳试验对模拟轮胎疲劳损坏的可行性。试样类型及取样方式如图6所示。

图7是图6的单层半试样的试验结果与实际市场肩空胎带束层端部区域SEM分析的结果对比。

图7以是以图6的单层半为例，与复杂的市场肩空胎（带束层端点损坏）从微观形貌上对所损坏原因进行了对比分析。

单层帘线半铺设的样品，剥离界面的疲劳破坏形貌复杂。两部分钢丝帘线之间的胶样，其疲劳破坏属于强剪切作用下橡胶材料的破坏，界面中疲劳破坏点较多，但尺寸略小；钢丝端点处橡胶材料，受力及变形复杂，疲劳破坏点尺寸略大；钢丝表面剥离胶料的疲劳破坏较严重，微破坏点的尺寸分布较宽。不同部位微破坏点的尺寸略有差异，但引发原因相似，主要是填料粒子团聚和ZnO颗粒。

同样我们对上述（图6、图8）4种试样进行了对比。试样1适于轮胎实际使用中的层间破坏，损坏症状中等；试样2适于胶料与钢丝的脱离，损坏症状较轻；试样3适于端点损坏，损坏症状严重，也最为复杂，两部分钢丝帘线端点之间的胶样，其疲劳破坏属于强剪切作用下橡胶材料的破坏，界面中疲劳破坏点较多，但尺寸略小；钢丝端点处橡胶材料，受力及变形复杂，疲劳破坏点尺寸略大；钢丝表面剥离胶料的疲劳破坏较严重，微破坏点的尺寸分布较宽。试样4模仿了纯胶的试验方法，损伤及微观缺陷很小。（纯胶已有疲劳试验方法，但试验设计与本试验不同，本试验基于钢丝/橡胶试验条件，并入了纯胶试验）。

综上，实验结果表明：实验室试样疲劳损坏的微观引发原因与成品轮胎的分析结果相似，所设定的试样模式及测试条件可以用于轮胎胶料耐疲劳性能的实验室模拟测试。（备注：纯胶本身就有类似疲劳试验方法和标准，用试验来评价成品性能的可行性应该不存在问题。目前，针对钢丝/橡胶复合材料没有疲劳损坏的试验方法，该试验为新设计。试样尺寸、测试条件与纯胶差别较大，另外考虑到温度的重要性，试验设计上增加了温度的影响）。

④应用实例

对公司的粘合胶料:A031、A041、A041-1进行对比分析，总结如下。

典型的粘合胶料主要特征：A031带束层料含白炭黑；A041胎体料；A041-1胎体料，混炼胶过滤。采用试样3疲劳后的疲劳界面SEM分析如图9所示。

由图9看出：A031胶料中存在着大量的填料聚集体（白炭黑）、颗粒及高S/ZnZnO含量的颗粒聚集体等潜在缺陷，填料分散不均匀现象较严重。

与未过滤的A041胶料相比，经过过滤处理的A041-1胶料的拉断界面相对较平整，从基体中脱离的填料聚集体形貌较少，且尺寸也小的多，A041-1拉断界面中虽然也存在分散不均匀的填料聚集体，但并未发生明显的脱离基体的现象，破坏程度相对较轻，另外也存在未反应完全的配合剂颗粒。

疲劳寿命测试结果：

老化前A041≈A041-01＞A031

100℃×24h老化A041-01＞A041＞A031

除耐疲劳性能测试外，我们结合交联密度、热失重、拉伸性能等性能的分析，可以得出如下结论：

1、胶料过滤虽然能够减少胶料中潜在微观缺陷的数量及尺寸，但会影响到

胶料的交联密度及基本性能；

2、胶料中的潜在缺陷会作为应力集中点引发材料发生疲劳损坏，但胶料的

疲劳寿命还依赖于胶料的交联密度及力学性能高低；

3、常温下胶料的疲劳寿命显著依赖于胶料的力学强度，高温下则更依赖于

潜在缺陷的尺寸及数量；

4、实验室模拟疲劳测试的样品制备方式及测试模式、条件与轮胎胶料的实

际使用状态具有较好的符合度。

实验室模拟疲劳测试可以用于轮胎制品耐疲劳破坏性能的实验室分析。轮胎疲劳损坏原因分析及损坏机理模拟是长期困扰轮胎业界的一个难题，其主要原因是成品轮胎疲劳损坏测试周期长，轮胎真实工作条件复杂，且难以在线观测轮胎损坏的发展历程。本项目拟通过实验室测试与成品胎测试相结合的手段，经过多次验证，建立一套能够模拟轮胎材料损坏过程的实验室测试方法，特别是创建了模拟钢丝/橡胶复合材疲劳破坏的试验方法。为揭示轮胎损坏机理提供了一种快捷、有效的试验方法，最终为高性能轮胎的研制提供一种切实有效的实验室研发方法。

Claims (1)

1.一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法，该方法包括试样的选择和设备的选择，其特征在于：试样包括试样A、试样B、试样C和试样D中的一种或多种，试样A、试样B和试样C为单层帘布屈挠疲劳试样，裁取帘布时，控制帘线的排列角度与轮胎中帘线排列角度接近，其中试样A帘布放置长度达到整个试样的中部位置，试样B为裁切帘布对接，试样C帘布的长度可以和整个试样等长或者稍短；试样D为多层帘布复合材料的屈挠疲劳测试试样，压片时模拟轮胎中带束层部位的排列方式；上述的试样A、试样B、试样C和试样D的长、宽、厚度为151mm*60mm*6.3mm；设备选定高低温屈挠疲劳试验机，外加保温箱，试验机主要技术参数:

a）下夹持器往复速度范围：(50～500)r/min±10r/min

b）上下夹持器可调节最大距离：200mm

c）偏心轮可调节最大距离：50mm

d）下夹持器最大往复行程：100mm

e）源电压：AC220V±10% ；

测试条件：

a）温度：100℃

b）夹具行程：25mm；频率300次/min；

c）疲劳时间：≤24h

d）疲劳性能：试样边缘出现裂口。