一種橡膠復(fù)合材料疲勞分析試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及輪胎橡膠復(fù)合材料破壞點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理全新研究方法，尤其涉及一種橡膠復(fù)合材料疲勞分析試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]輪胎是汽車的重要部件之一，它直接與路面接觸，和汽車懸架共同來緩和汽車行駛時(shí)所受到的沖擊，保證汽車有良好的乘座舒適性和行駛平順性，保證車輪和路面有良好的附著性提高汽車的牽引性、制動(dòng)性和通過性，承受著汽車的重量。輪胎在汽車上所起的重要作用越來越受到人們的重視?，F(xiàn)在大多數(shù)汽車輪胎材料的主要成份是天然橡膠或者合成橡膠。天然橡膠的綜合性能優(yōu)越過合成橡膠，所以高級(jí)輪胎多用天然橡膠。為了使橡膠具有制造輪胎所要求的性能，必須要在橡膠中滲入各不同的化學(xué)材料，即化學(xué)添加劑。其中添加的一種很重要的添加劑叫碳黑。因?yàn)樘季哂刑貏e的吸附性，碳粒子與橡膠分子的粘結(jié)非常好，使得橡膠增強(qiáng)了硬度、強(qiáng)度和耐磨性。汽車輪胎主要材料實(shí)際上是一種膠料與簾線的復(fù)合材料。
[0003]輪眙的主要橡膠料有胎面膠、胎側(cè)膠、簾布膠、內(nèi)胎膠、墊帶膠等。胎面膠直接與地面接觸摩擦，它具有耐磨損、耐刺扎、緩沖以及防滑等使用性能。要求胎面膠應(yīng)有較高的抗張強(qiáng)度、定伸強(qiáng)度、良好的抗撕裂性、優(yōu)異的耐磨性，同時(shí)還應(yīng)有較好的彈性、較低的摩擦生熱和耐花紋裂口的性能等。胎側(cè)膠必須具有很好的抗屈撓性和耐老化性以及較好的彈性。胎側(cè)膠的主要作用是保護(hù)簾布層不受機(jī)械損傷和不受潮濕。緩沖膠應(yīng)具有高的澤陸、耐疲勞、耐熱老化、抗剪切扯裂、高的定伸強(qiáng)度、摩擦生熱小、散熱性好等性能。簾布膠是各簾線及布層的粘結(jié)物，簾線為簾布層提供了抗壓能力。簾布膠能夠減少?zèng)_擊負(fù)荷對(duì)簾線的作用，防止簾線相互摩擦及局部受潮等。簾布膠應(yīng)具有高的彈性、耐熱性、抗撕裂性、低的摩擦生熱及適當(dāng)?shù)亩ㄉ鞆?qiáng)度等性能。內(nèi)胎在使用過程中受到頻繁的周期性伸張壓縮變形，并在較高的溫度下工作。內(nèi)胎膠應(yīng)具有優(yōu)越的氣密性，高的彈性、耐屈撓良好的耐撕裂、耐高溫、耐疲勞、不易爆破等性能找出輪胎損壞的原因以及損壞機(jī)理，合理地使用和維護(hù)好輪胎是一項(xiàng)十分重要的工作。
[0004]輪胎的正確使用能夠延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，且輪胎狀況的好壞還直接影響汽車行駛安全及燃料經(jīng)濟(jì)性。為延長(zhǎng)輪胎壽命，就需要研究輪胎的損壞規(guī)律，并采取有效措施，避免一切不正常的磨損和損壞。通過建立實(shí)驗(yàn)室模擬研究，可以有效縮短研發(fā)改進(jìn)周期。
[0005]一直以來行業(yè)內(nèi)對(duì)于輪胎材料的損壞形式的研究和分析沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于輪胎的損壞的分析形式一直以裝車試驗(yàn)為主，但由于裝車試驗(yàn)中試驗(yàn)路段的不確定性，車輛的車況不統(tǒng)一性，以及載重情況無法確定等因素，使得輪胎的新材料試驗(yàn)的研究周期會(huì)非常漫長(zhǎng)，本發(fā)明通過試驗(yàn)研究，深入研究輪胎損壞機(jī)理及材料破壞模式，特別是損壞形式與原材料、配方設(shè)計(jì)、工藝、溫度等相關(guān)性(包括新材料、新工藝)以及材料生熱、老化、傳熱、疲勞表觀特性的微觀分子結(jié)構(gòu)(化學(xué)鍵的破壞)機(jī)理，我公司與高校合作展開“輪胎損壞界面的微觀診斷分析”項(xiàng)目研究，利用高校透射電鏡(SEM)、交聯(lián)密度、DMA、紅外、熱失重等先進(jìn)的設(shè)備儀器及高分子理論研究?jī)?yōu)勢(shì)，來分析輪胎產(chǎn)品損壞微觀形貌特征及損壞機(jī)理，以便指導(dǎo)產(chǎn)品改進(jìn)提高產(chǎn)品使用壽命。輪胎損壞主要發(fā)生在骨架材料的端點(diǎn)、層間，占輪胎損壞的80%以上。對(duì)市場(chǎng)退賠胎及機(jī)床試驗(yàn)后的輪胎損壞點(diǎn)進(jìn)行了大量分析(包括米其林、普利斯通、公司及上輪的產(chǎn)品)。分析發(fā)現(xiàn):輪胎使用3~5個(gè)月后，材料交聯(lián)密度、老化性能都發(fā)生一定的改變，特別是損壞點(diǎn)往往存在微觀缺陷，如坑穴、粒子團(tuán)聚、氣孔、雜質(zhì)等，米其林輪胎微觀缺陷明顯少于國(guó)內(nèi)公司產(chǎn)品。膠料及膠料/鋼絲界面的微觀缺陷是誘發(fā)微觀裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展導(dǎo)致產(chǎn)品損壞的重要原因之一。
[0006]為了消除材料的這種微觀缺陷及提高材料性能保持率，公司對(duì)原材料、配方及工藝進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，制定了多種方案和技術(shù)措施，如低溫混煉、膠料過濾、粘合膠料取消白炭黑、3#煙片膠的應(yīng)用、提高材料硫化平坦期等系列措施。那么如何檢驗(yàn)這些措施的有效性呢？輪胎微觀缺陷是在使用后才出現(xiàn)的，新胎很難顯現(xiàn)。如果多種方案做成成品放到市場(chǎng)上試驗(yàn)，然后再解剖分析不僅周期長(zhǎng)，而且會(huì)造成巨大浪費(fèi)，一旦不好直接影響產(chǎn)品信譽(yù)和客戶銷售。如何實(shí)現(xiàn)多方案的快速檢驗(yàn)評(píng)價(jià)就成為研究的一大課題。前面提到，輪胎損壞點(diǎn)主要發(fā)生在骨架材料端點(diǎn)及層間，占80%，探討一種膠料/簾線復(fù)合材料的試驗(yàn)室模擬方法對(duì)能否實(shí)現(xiàn)方案的快速優(yōu)選及項(xiàng)目的實(shí)施和完成至關(guān)重要，本發(fā)明就是基于該種背景產(chǎn)生的。本發(fā)明目的是研究出一種在實(shí)驗(yàn)室中模擬出實(shí)際輪胎行駛過程中的損壞形式，使得實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)際使用中輪胎損壞形式具有一致性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了有效的縮短輪胎新材料試驗(yàn)的時(shí)間及成本，本發(fā)明的目的是提供一種橡膠復(fù)合材料疲勞分析試驗(yàn)方法，該方法為揭示輪胎損壞機(jī)理提供了一種快捷、有效的試驗(yàn)方法，最終為尚性能輪胎的研制提供一種切實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)方法。
[0008]為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案:
一種橡膠復(fù)合材料疲勞分析試驗(yàn)方法，該方法包括試樣的選擇和設(shè)備的選擇，所述的試樣包括試樣A、試樣B、試樣C和試樣D中的一種或多種，試樣A、試樣B和試樣C為單層簾布屈撓疲勞試樣，裁取簾布時(shí)，控制簾線的排列角度與輪胎中簾線排列角度接近，其中試樣A簾布放置長(zhǎng)度達(dá)到整個(gè)試樣的中部位置，試樣B為裁切簾布對(duì)接，試樣C簾布的長(zhǎng)度可以和整個(gè)試樣等長(zhǎng)或者稍短；試樣D為多層簾布復(fù)合材料的屈撓疲勞測(cè)試試樣，壓片時(shí)模擬輪胎中帶束層部位的排列方式；上述的試樣A、試樣B、試樣C和試樣D的長(zhǎng)、寬、厚度為3mm ;設(shè)備選定高低溫屈撓疲勞試驗(yàn)機(jī)，外加保溫箱，試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù):
a)下夾持器往復(fù)速度范圍:(50?500)r/min±10r/min
b)上下夾持器可調(diào)節(jié)最大距離:200mm
c)偏心輪可調(diào)節(jié)最大距離:50mm
d)下夾持器最大往復(fù)行程:100_
e)源電壓:AC220V±10%；
測(cè)試條件:
a)溫度:100°C
b)夾具行程:25mm;頻率300次/min ； C)疲勞時(shí)間S 24h
d)疲勞性能:試樣邊緣出現(xiàn)裂口。
[0009]本發(fā)明實(shí)驗(yàn)室模擬疲勞測(cè)試可以用于輪胎制品耐疲勞破壞性能的實(shí)驗(yàn)室分析。輪胎疲勞損壞原因分析及損壞機(jī)理模擬是長(zhǎng)期困擾輪胎業(yè)界的一個(gè)難題，其主要原因是成品輪胎疲勞損壞測(cè)試周期長(zhǎng)，輪胎真實(shí)工作條件復(fù)雜，且難以在線觀測(cè)輪胎損壞的發(fā)展歷程。本項(xiàng)目擬通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與成品胎測(cè)試相結(jié)合的手段，經(jīng)過多次驗(yàn)證，建立一套能夠模擬輪胎材料損壞過程的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法，特別是創(chuàng)建了模擬鋼絲/橡膠復(fù)合材疲勞破壞的試驗(yàn)方法。為揭示輪胎損壞機(jī)理提供了一種快捷、有效的試驗(yàn)方法，最終為高性能輪胎的研制提供一種切實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)方法。
【附圖說明】
[0010]圖1單層骨架材料試樣圖。
[0011]圖2兩層或多層骨架材料。
[0012]圖3單層簾布屈撓試樣。
[0013]圖4多層簾布屈撓試樣。
[0014]圖5試驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)機(jī)。
[0015]圖6疲勞試件的制作及取樣方式。
[0016]圖7實(shí)際里程試驗(yàn)胎與試驗(yàn)測(cè)試分析對(duì)比。
[0017]圖8試驗(yàn)的四種試樣。
[0018]圖9三種粘合膠料斷裂界面SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做一個(gè)詳細(xì)的說明。
[0020]①國(guó)內(nèi)目前有針對(duì)橡膠材料及鋼絲(或纖維)單質(zhì)材料的疲勞試驗(yàn)方法，而針對(duì)鋼絲(或纖維)/膠料組成的復(fù)合材料沒有疲勞試驗(yàn)測(cè)試方法，開發(fā)和建立鋼絲(或纖維)/膠料復(fù)合材料的試驗(yàn)測(cè)試方法是一項(xiàng)全新技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
[0021]②試件的制作尺寸是經(jīng)過精心考慮和大量的試驗(yàn)后才定格的。試件尺寸定型的演變過程如下:
O試件制作的最初想法及否定最初壓縮實(shí)驗(yàn)室試樣制備方法
采取杭橡公司提供的壓延簾布及混煉膠，結(jié)合成品胎試樣的測(cè)試結(jié)果，根據(jù)輪胎中膠料與簾線的結(jié)合、排布及受力方式，實(shí)驗(yàn)室制備壓縮疲勞測(cè)試試樣，試樣制備如圖1和圖2所示。圖1為單層簾線的測(cè)試試樣，圖2為兩層或者多層骨架材料的試樣，制樣時(shí)根據(jù)試樣的尺寸裁取簾布，簾布的尺寸小于試樣的尺寸(簾布包覆于橡膠之內(nèi))，簾線的排列角度可以由裁樣及制樣的時(shí)候控制，模擬輪胎中簾線實(shí)際排列的角度。
[0022]最初彎曲試樣制備方法
彎曲屈撓疲勞測(cè)試采用一定厚度的長(zhǎng)方體試樣，試樣具體制備方法如圖3和圖4所示。
[0023]圖3所示為單層簾布屈撓疲勞試樣，裁取簾布時(shí)，控制簾線的排列角度與輪胎中簾線排列角度接近，左圖中簾布放置長(zhǎng)度達(dá)到整個(gè)試樣的中部位置，保證屈撓過程中簾線的端部處在發(fā)生最大形變處，以觀察簾線端部在疲勞過程中的損壞特性；中圖為裁切簾布對(duì)接試樣圖，右圖簾布的長(zhǎng)度可以和整個(gè)試樣等長(zhǎng)或者稍短，考察屈撓過程中簾線與橡膠粘合界面的損壞特性。圖4為多層簾布復(fù)合材料的屈撓疲勞測(cè)試試樣，壓片時(shí)模擬輪胎中帶束層部位的排列方式，對(duì)試樣進(jìn)行彎曲屈撓疲勞測(cè)試，考察簾布層間的疲勞特性。
[0024]由于鋼絲簾線壓延密度40~60根/100mm，單壓延厚度2.0~3.0mm,鋼絲需加預(yù)張力，在制作中發(fā)現(xiàn)上述試件制作鋼絲全部變?yōu)?