孫國華，李斌，李輝

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，山東 濟(jì)南 250031)

橡膠在受到應(yīng)力影響的情況下，會(huì)造成疲勞裂紋的擴(kuò)展，尤其是在填充材料的影響下，更加容易出現(xiàn)剛性變化。炭黑作為主要的填充材料，其對天然橡膠的性能具有直接的影響。在以往的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)炭黑會(huì)對粒子的間距產(chǎn)生影響，繼而影響裂紋的擴(kuò)展速度[1]。還有研究學(xué)者指出，隨著炭黑用量的逐漸增加，其會(huì)出現(xiàn)峰值，在峰值后，其疲勞性能會(huì)逐漸降低[2]。研究人員主要是通過S-N曲線法來探究疲勞性能，但是依然無法全面的反映天然橡膠疲勞裂紋的擴(kuò)展情況。因此，本文主要探究炭黑補(bǔ)強(qiáng)填充體系對天然橡膠疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

天然橡膠：越南生產(chǎn)，相對密度0.93，聚異戊二烯94%含量以及門尼黏度90；炭黑N330：粒徑30 nm，美國卡博特公司生產(chǎn)。

1.2 樣品制作

在開煉機(jī)中塑練生膠，加入硫化體系后薄通8次，停放24 h后采用硫化儀（MD-3000A）測定正硫化時(shí)間，之后在150℃的情況下制作硫化壓片。

1.3 測試

對預(yù)割口式樣進(jìn)行測試，樣品尺寸為2 mm×6.8 mm×40 mm，深度為1 mm，實(shí)驗(yàn)頻率為10 Hz，溫度為23℃。檢測儀器采用DMA裂紋生長模式（法國Metravib生產(chǎn)）進(jìn)行分析，其撕裂能如公式（1）所示。

在公式（1）中，W0和h0分別表示單位體積應(yīng)變能密度以及樣品高度，Ef為傳遞能量，L0為樣品的寬度。

通過公式（1）可以獲得撕裂能數(shù)據(jù)，通過顯微鏡可以觀測裂紋的位移，之后可以獲得裂紋的擴(kuò)展速度，其如公式（2）所示。

在公式（2）中，c為裂紋生長長度，n為載荷的圈數(shù)。

測試中，采用左側(cè)顯微鏡觀察裂紋尖端位移，計(jì)算裂紋的生長速率，采用右側(cè)攝像儀拍攝裂紋圖像。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

掃描電鏡（日本Hitachi公司生產(chǎn)，型號TM-3000），電壓設(shè)計(jì)為20 kV，在切割裂紋尖端后對其進(jìn)行超聲清洗。

2 結(jié)果分析

2.1 擴(kuò)展速率分析

根據(jù)撕裂能的分析，可以將裂紋的擴(kuò)展分為4個(gè)階段，而通過儀器的測試，發(fā)現(xiàn)其撕裂能范圍通常位于第3階段，其具體表示方式如公式（3）所示。

在公式3中，B以及b均為常數(shù)，在填充炭黑后，測定其撕裂能的變化，如圖1所示。

圖1 裂紋擴(kuò)展速度圖

從圖1中的數(shù)據(jù)可以看出，加入炭黑，可以增加產(chǎn)品的撕裂能，同時(shí)在炭黑數(shù)量逐漸增加的情況下，裂紋的撕裂能呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的態(tài)勢。同時(shí)在本次研究中，通過對橡膠的擴(kuò)展速率分析發(fā)現(xiàn)，其會(huì)呈現(xiàn)出2個(gè)階段的拐點(diǎn)，并且隨著炭黑份數(shù)的逐漸增加，其撕裂能會(huì)逐漸增大，且裂紋擴(kuò)展速度逐漸趨于穩(wěn)定。其如表1所示。

表1 橡膠撕裂能和份數(shù)變化情況表

2.2 裂紋形態(tài)分析

采用超高速攝像儀進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其填充30份炭黑樣品時(shí)，其存在與速率對應(yīng)的2種形態(tài)，在裂紋尖端，存在較多的韌帶以及韌窩形狀的裂紋，其多呈現(xiàn)尺度的分配方式，同時(shí)在韌窩中，其存在尺寸相對較小的韌帶，構(gòu)成尺寸范圍相對較小的韌窩。從裂紋的尖端開始觀察，采用500 J/m2的模式，發(fā)現(xiàn)韌帶呈現(xiàn)均勻分布的現(xiàn)象，在800 J/m2的模式下，隨著撕裂能的不斷增加，其會(huì)導(dǎo)致韌帶出現(xiàn)不均勻的分布狀態(tài)。另外，隨著韌帶連接曲率的不斷增加，導(dǎo)致韌帶逐漸被剝離成為片狀，因此，可以將其定義為1階段剝離狀態(tài)。

在檢測過程中，同樣記錄了剝離態(tài)裂紋尖端的側(cè)向形象，出現(xiàn)了次級裂紋，其可以在一定程度上分擔(dān)尖端的應(yīng)力，降低裂紋的擴(kuò)展速度。另外，在測試中發(fā)現(xiàn)，其存在垂直于裂紋生長方向的溝壑狀表現(xiàn)，其主要是由于模型受到橫向韌帶的剝離影響所致。

在檢測過程中，存在30份 N330炭黑第二階段的拍攝畫面，其如圖2所示。

圖2 30份 N330炭黑第二階段尖端形態(tài)演變圖

從圖2中可以看出，在拍攝過程中，白圈中不明顯的韌帶迅速成長為粗韌帶，之后發(fā)生斷裂，逐步形成新的生長周期，其與剝離態(tài)存在明顯的差異，其主要是由于全部韌帶平行于載荷方向，并且不會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)橫向的韌帶以及松弛剝離的現(xiàn)象。同時(shí)，韌帶的斷裂首先會(huì)變粗，其位置存在不可預(yù)測的特點(diǎn)，部分時(shí)間甚至?xí)霈F(xiàn)多根斷裂。

2.3 炭黑份數(shù)對裂紋形態(tài)的影響

通過研究，在600 J/m2的情況下，其在不同炭黑份數(shù)情況時(shí)存在明顯的差異，在5份時(shí)，韌帶相交點(diǎn)相對較少，在10和20份時(shí)，剝離態(tài)的韌帶呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，當(dāng)炭黑的數(shù)量達(dá)到30份時(shí)，裂紋較為均勻的分布在尖端區(qū)域。當(dāng)其達(dá)到50份時(shí)，呈現(xiàn)均勻的分布，且隨著炭黑份數(shù)的不斷增加，其韌帶交點(diǎn)的數(shù)量呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢。

在計(jì)算600 J/m2后，對1 400 J/m2的情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在5份時(shí)，出現(xiàn)幾根相對較粗的韌帶，位于平行載荷的方向。在10份時(shí)，粗韌帶呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，在20份的情況下，粗韌帶呈現(xiàn)明顯的不均勻分布特點(diǎn)。當(dāng)其在30～50份時(shí)，開始逐漸趨于均勻分布。

從整體分析中發(fā)現(xiàn)，隨著炭黑份數(shù)的逐漸增加，韌帶最終會(huì)呈現(xiàn)均勻分布的特點(diǎn)[3]，其可能是由于炭黑具有調(diào)控分子狀態(tài)的能力[4]，在橡膠中，存在一端連接在網(wǎng)絡(luò)上的懸掛鏈，在缺乏填料時(shí)，其會(huì)呈現(xiàn)缺乏承載能力的特點(diǎn)[5]，但是在填充炭黑后，炭黑可以吸附在鏈端，調(diào)節(jié)載荷的功能，在本次研究中，發(fā)現(xiàn)炭黑可以降低裂紋擴(kuò)散的速率，但是整體韌帶的分布并不均勻，其可能是由于部分懸掛鏈在吸附后，造成韌窩生長速率不均勻，影響間距，最終產(chǎn)生該現(xiàn)象。在此情況下，隨著炭黑用量的不斷增加，其粒子的間距逐漸縮小，最終趨于均勻分布的狀態(tài)。

3 結(jié)語

橡膠產(chǎn)品在受到應(yīng)力的影響下，會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂的現(xiàn)象，通過填充炭黑，可以改善內(nèi)部成分，引發(fā)材料內(nèi)部的變化。本次研究中，通過監(jiān)測平臺來進(jìn)行分析，其主要觀點(diǎn)如下。

（1）天然橡膠在填充炭黑后，其裂紋的擴(kuò)展速度以及端粒擴(kuò)展形態(tài)均符合函數(shù)體系，并且通過填充炭黑后，其會(huì)逐漸降低裂紋的擴(kuò)展速度，同時(shí)在斷裂過程中，不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的次級裂紋。

（2）在天然橡膠中加入炭黑的情況下，其可以逐漸降低天然橡膠裂紋的擴(kuò)展速度，且隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，其撕裂能會(huì)呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，并且在炭黑填充到一定數(shù)量后，會(huì)使裂紋呈現(xiàn)分布均勻的變化。

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