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超高溫橡膠在汽車零部件中的應(yīng)用

日期:2024-12-23 11:05
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超高溫橡膠在汽車零部件中的應(yīng)用

 
作者:Benoit LeRossignol    來(lái)源:Rubber World
 
汽車橡膠零部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)架、過(guò)濾擺動(dòng)和吸收震動(dòng)的軸襯。天然橡膠因?yàn)閾碛斜容^均衡的特性,所以在動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中極為廣泛。

抗震應(yīng)用的天然橡膠化合物

◆ 與金屬的粘接

橡膠與金屬之間的連接源自于橡膠化合物和粘接劑在硫化過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)相互作用。在清洗,去脂或者特殊金屬處理(噴砂,磷酸鹽沉積,電鍍鋅沉積等等)后的金屬零件表面上,常使用蘸或者噴霧的辦法制得粘接劑薄膜。

金屬處理 → 粘接劑沉積 → 干燥 → 成型

我們一般使用兩層沉積法,**層與金屬之間產(chǎn)生連接,上面一層與橡膠化合物產(chǎn)生連接。粘接劑的厚度大概在20微米。

粘接劑樣品測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn):剝離測(cè)試ASTM429B;雙搭接剪切測(cè)試ASTM D945。

好的粘接劑有很好的橡膠粘接強(qiáng)度,當(dāng)橡膠斷裂時(shí)標(biāo)記為“R”。差粘接劑的界面會(huì)斷裂,與橡膠這一面斷裂時(shí)標(biāo)記為“RC”,與金屬一面斷裂時(shí)標(biāo)記為“M”。

◆ 動(dòng)力學(xué)性能

動(dòng)力學(xué)性能通常是在壓縮模式下測(cè)量紐扣狀樣品得到的。動(dòng)力學(xué)性能代表的是橡膠化合物的阻尼正弦應(yīng)變的能力。我們測(cè)量的是橡膠的反應(yīng),表征記為與應(yīng)變同相位的彈性E′,和與應(yīng)變不同相位的粘性模量E〃。阻尼系數(shù)由E〃/E′的比例表征,記為tanδ。

動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試為壓縮模式下測(cè)量一個(gè)紐扣狀樣品,直徑高度都為10mm。動(dòng)力學(xué)剛性強(qiáng)度Ks在10%的壓縮比的時(shí)候測(cè)得。我們通常測(cè)量以下兩個(gè)特征點(diǎn):

其一為K15剛性強(qiáng)度,頻率為15HZ,應(yīng)變幅度為2%;K155剛性強(qiáng)度,頻率為155HZ,應(yīng)變幅度0.1%。

其二為K155/K15的比值t,即為動(dòng)力學(xué)剛性強(qiáng)度的系數(shù)。低粘/彈性比值的橡膠化合物具有很好的彈性,提供低的動(dòng)力學(xué)剛性強(qiáng)度,高粘/彈性比值的橡膠化合物在高頻下將提供高阻尼高動(dòng)力學(xué)剛性強(qiáng)度。

◆ 蠕變

蠕變是指在固定的應(yīng)力和溫度下在一定時(shí)間內(nèi)橡膠樣品損失的高度。由于高尺寸穩(wěn)定性的需要,需要低蠕變或者說(shuō)低壓縮比。

壓縮比(ASTMD395-85)是一個(gè)很簡(jiǎn)單的測(cè)試,可以很好地測(cè)試一個(gè)樣品。對(duì)天然橡膠來(lái)說(shuō),測(cè)試在周期為72小時(shí)溫度為70℃~100℃的范圍內(nèi)完成。

◆ 熱空氣老化

熱空氣老化可以用機(jī)械性能(斷裂拉伸強(qiáng)度)對(duì)溫度和時(shí)間的損失程度來(lái)表征(ASTM D573681)。對(duì)天然橡膠來(lái)說(shuō),測(cè)試通常在10℃~100℃下進(jìn)行7天或者14天。

◆ 疲勞壽命阻抗

疲勞壽命阻抗指在固定應(yīng)力下破壞零件需要的時(shí)間或者循環(huán)周期數(shù)。有許多疲勞測(cè)試方法,但*重要的是:FTFT(疲勞斷裂測(cè)試);初始裂紋以及裂紋生長(zhǎng)速度等方法。

為了定義橡膠化合物的疲勞行為,作為一個(gè)規(guī)定,我們必須確立幾個(gè)施加應(yīng)力和斷裂周期數(shù)之間的關(guān)系。

復(fù)合物的開(kāi)發(fā)與溫度的升高

在過(guò)去的20年里,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩下溫度從70℃急劇地升到100℃。溫度上升的主要原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的廣泛使用,發(fā)動(dòng)機(jī)用于噪音減少而采取的縮小化和密封裝置的使用。為了掌控這種溫度的升高,橡膠公司不得不提高橡膠化合物的性能。

對(duì)于操作溫度在70℃的動(dòng)力學(xué)應(yīng)用,天然橡膠化合物通常基于表1所示的配方。這是一個(gè)經(jīng)典的硫化系統(tǒng),叫做CV,加速劑/硫的比例為0.28。這種化合物擁有表2所示的性能水平。

newmaker.com為了提高在更高溫度下的抗老化性能,我們不得不改變硫化體系,從經(jīng)典的硫化體系(加速劑/硫的比例為0.1~0.6,由長(zhǎng)且柔性的聚硫連接),在85℃時(shí)改變?yōu)榘胗行У牧蚧到y(tǒng),標(biāo)記為SEV(加速劑/硫的比例為0.7~2.5),然后在100℃時(shí)改變?yōu)橛行Я蚧到y(tǒng)(加速劑/硫的比例為大于2.5,形成短且剛性的單硫連接)。這些都如圖1所示。

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圖1、不同年代開(kāi)發(fā)的硫化體系適應(yīng)溫度能力這些硫化體系的開(kāi)發(fā)不僅改變了抗老化性能,還影響了其它性能之間的平衡,比如壓縮比,抗疲勞性能和阻尼或者動(dòng)力學(xué)性能。

圖2所示為不同硫化體系對(duì)性能的相對(duì)位置。我們注意到雖然硫化系統(tǒng)從經(jīng)典改變到有效系統(tǒng)時(shí),壓縮比和抗老化性能得到了提高,但相反地,抗疲勞性能下降了。這清楚地顯示平衡被改變了。

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圖2、硫化體系與性能的對(duì)照當(dāng)化合物中含有較少的硫使用的是EV硫化系統(tǒng)時(shí),注意到與金屬的粘接劑更關(guān)鍵也是很重要的。

直到2008年,Hutchinson使用這三個(gè)硫化系統(tǒng)來(lái)滿足汽車工業(yè)技術(shù)的需要。為了帶來(lái)新的更好的解決方案,為了**,為了搶先滿足在超過(guò)100℃高溫時(shí)的抗老化要求,Hutchinson開(kāi)發(fā)了一種全新概念的天然橡膠配方。

新概念SHTC(超高溫化合物)

這個(gè)研究的主要思想就是提供一種具有動(dòng)力學(xué)行為和可與EV化合物抗疲勞性能相媲美的天然橡膠化合物,而且具有改善的熱空氣老化性能和壓縮比。這里的挑戰(zhàn)是獲得EV化合物在100℃時(shí)的壓縮比,使用這種新型材料,需要在115℃。

這項(xiàng)研發(fā)的目的就是提供一種天然橡膠混合物,并擁有以下特性:

1、SHTC化合物在115℃測(cè)得的壓縮比,要與EV化合物在100℃的壓縮比相同;

2、比EV材料更好的抗老化性能。老化測(cè)試是使用2毫米的平板樣品在115℃完成的。老化時(shí)間需要達(dá)到拉伸斷裂時(shí)間的50%;

3、與EV化合物相同的抗疲勞特性,而且在115℃下老化后還能保持穩(wěn)定。

作為**步,將55硬度的化合物用于發(fā)動(dòng)機(jī)固定裝置。然后優(yōu)化了硫化和保護(hù)步驟,以提高天然橡膠的老化性能。

◆ 力學(xué)性能

表3所示為EV和SHTC化合物的比較。斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試在21天周期里完成(圖3)。

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圖3、EV與SHTC的抗氧老化對(duì)照我們注意到一個(gè)很明顯的改善,就是達(dá)到50%斷裂伸長(zhǎng)率的時(shí)間提高了。耐用度是SHTC化合物的兩倍。

◆ 動(dòng)力學(xué)性能

表4所示為老化前后的動(dòng)力學(xué)性能。這些結(jié)果清楚的顯示SHTC化合物抗老化性能和穩(wěn)定性的顯著提高。

◆ 抗疲勞性能

老化前后都進(jìn)行了抗疲勞測(cè)試,老化在115℃時(shí)間周期為28天內(nèi)完成。測(cè)試樣品是橡膠與金屬相連接的樣品,測(cè)量模式是壓縮模式。結(jié)果如表5所示。我們注意到SHTC化合物有很好的穩(wěn)定性,疲勞壽命很長(zhǎng)。即使是抗疲勞性能比EV化合物稍微下降,但老化后SHTC化合物的循環(huán)數(shù)還是很穩(wěn)定,而同時(shí)EV化合物的抗疲勞性能大幅下降。這個(gè)結(jié)果確證了SHTC化合物的行為在115℃老化后得到了提高。

◆ 與金屬的粘接

粘接測(cè)試的樣品是鋼材樣品,在熱乙二醇(95度24小時(shí))中老化前后都進(jìn)行了測(cè)試。粘接測(cè)試結(jié)果顯示SHTC化合物粘接性具有一定程度的提高,特別是在乙二醇中老化后,如表6所示。

◆ 工業(yè)有效性

在工藝所有步驟中都進(jìn)行了工業(yè)有效性測(cè)試,從材料混合到零件成型。在本研究中選擇的零部件是液壓發(fā)動(dòng)機(jī)蓋,目前工業(yè)上用的都是EV化合物。

客戶需要在115℃的連續(xù)老化溫度,而在130℃出現(xiàn)峰值。

newmaker.com我們測(cè)試SHTC復(fù)合物對(duì)比目前用的EV化合物的條件分別是:110℃500小時(shí);120℃500小時(shí);130℃500小時(shí)。

然后我們對(duì)零部件進(jìn)行疲勞測(cè)試。結(jié)果再一次證明SHTC化合物的抗老化性能比較好(圖4)。

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圖4、零部件分別在110℃,120℃和130℃下老化耐力(千周)結(jié)論

開(kāi)發(fā)這種新型的化合物,是為了進(jìn)一步提高天然橡膠的抗老化性能,而取代現(xiàn)有天然橡膠的位置。我們開(kāi)發(fā)的這種新型橡膠能夠在115℃不損失任何抗疲勞特性。這種新型的概念也許可以應(yīng)用于對(duì)硬度有更大要求的范圍,可以應(yīng)用于小汽車、卡車、巴士和航空航天的工業(yè)應(yīng)用。

SHTC化合物的工業(yè)應(yīng)用,目前已正在幾個(gè)汽車生產(chǎn)商進(jìn)行,用于發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋,也用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋,這些地方需要在老化、疲勞性能和壓縮比之間有著很好的平衡。

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