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超高溫橡膠在汽車零部件中的應用

日期:2025-04-25 18:37
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摘要:

超高溫橡膠在汽車零部件中的應用

 
作者:Benoit LeRossignol    來源:Rubber World
 
汽車橡膠零部件包括發動機環架、過濾擺動和吸收震動的軸襯。天然橡膠因為擁有比較均衡的特性,所以在動力學應用中極為廣泛。

抗震應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程中產生的強相互作用。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,**層與金屬之間產生連接,上面一層與橡膠化合物產生連接。粘接劑的厚度大概在20微米。

粘接劑樣品測試采用標準:剝離測試ASTM429B;雙搭接剪切測試ASTM D945。

好的粘接劑有很好的橡膠粘接強度,當橡膠斷裂時標記為“R”。差粘接劑的界面會斷裂,與橡膠這一面斷裂時標記為“RC”,與金屬一面斷裂時標記為“M”。

◆ 動力學性能

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

動力學性能測試為壓縮模式下測量一個紐扣狀樣品,直徑高度都為10mm。動力學剛性強度Ks在10%的壓縮比的時候測得。我們通常測量以下兩個特征點:

其一為K15剛性強度,頻率為15HZ,應變幅度為2%;K155剛性強度,頻率為155HZ,應變幅度0.1%。

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

◆ 蠕變

蠕變是指在固定的應力和溫度下在一定時間內橡膠樣品損失的高度。由于高尺寸穩定性的需要,需要低蠕變或者說低壓縮比。

壓縮比(ASTMD395-85)是一個很簡單的測試,可以很好地測試一個樣品。對天然橡膠來說,測試在周期為72小時溫度為70℃~100℃的范圍內完成。

◆ 熱空氣老化

熱空氣老化可以用機械性能(斷裂拉伸強度)對溫度和時間的損失程度來表征(ASTM D573681)。對天然橡膠來說,測試通常在10℃~100℃下進行7天或者14天。

◆ 疲勞壽命阻抗

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

為了定義橡膠化合物的疲勞行為,作為一個規定,我們必須確立幾個施加應力和斷裂周期數之間的關系。

復合物的開發與溫度的升高

在過去的20年里,汽車發動機罩下溫度從70℃急劇地升到100℃。溫度上升的主要原因為發動機功率的提高,柴油發動機渦輪的廣泛使用,發動機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。

對于操作溫度在70℃的動力學應用,天然橡膠化合物通常基于表1所示的配方。這是一個經典的硫化系統,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,從經典的硫化體系(加速劑/硫的比例為0.1~0.6,由長且柔性的聚硫連接),在85℃時改變為半有效的硫化系統,標記為SEV(加速劑/硫的比例為0.7~2.5),然后在100℃時改變為有效硫化系統(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、不同年代開發的硫化體系適應溫度能力這些硫化體系的開發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力學性能。

圖2所示為不同硫化體系對性能的相對位置。我們注意到雖然硫化系統從經典改變到有效系統時,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照當化合物中含有較少的硫使用的是EV硫化系統時,注意到與金屬的粘接劑更關鍵也是很重要的。

直到2008年,Hutchinson使用這三個硫化系統來滿足汽車工業技術的需要。為了帶來新的更好的解決方案,為了**,為了搶先滿足在超過100℃高溫時的抗老化要求,Hutchinson開發了一種全新概念的天然橡膠配方。

新概念SHTC(超高溫化合物)

這個研究的主要思想就是提供一種具有動力學行為和可與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。這里的挑戰是獲得EV化合物在100℃時的壓縮比,使用這種新型材料,需要在115℃。

這項研發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。老化測試是使用2毫米的平板樣品在115℃完成的。老化時間需要達到拉伸斷裂時間的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定。

作為**步,將55硬度的化合物用于發動機固定裝置。然后優化了硫化和保護步驟,以提高天然橡膠的老化性能。

◆ 力學性能

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

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圖3、EV與SHTC的抗氧老化對照我們注意到一個很明顯的改善,就是達到50%斷裂伸長率的時間提高了。耐用度是SHTC化合物的兩倍。

◆ 動力學性能

表4所示為老化前后的動力學性能。這些結果清楚的顯示SHTC化合物抗老化性能和穩定性的顯著提高。

◆ 抗疲勞性能

老化前后都進行了抗疲勞測試,老化在115℃時間周期為28天內完成。測試樣品是橡膠與金屬相連接的樣品,測量模式是壓縮模式。結果如表5所示。我們注意到SHTC化合物有很好的穩定性,疲勞壽命很長。即使是抗疲勞性能比EV化合物稍微下降,但老化后SHTC化合物的循環數還是很穩定,而同時EV化合物的抗疲勞性能大幅下降。這個結果確證了SHTC化合物的行為在115℃老化后得到了提高。

◆ 與金屬的粘接

粘接測試的樣品是鋼材樣品,在熱乙二醇(95度24小時)中老化前后都進行了測試。粘接測試結果顯示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。

◆ 工業有效性

在工藝所有步驟中都進行了工業有效性測試,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動機蓋,目前工業上用的都是EV化合物。

客戶需要在115℃的連續老化溫度,而在130℃出現峰值。

newmaker.com我們測試SHTC復合物對比目前用的EV化合物的條件分別是:110℃500小時;120℃500小時;130℃500小時。

然后我們對零部件進行疲勞測試。結果再一次證明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)結論

開發這種新型的化合物,是為了進一步提高天然橡膠的抗老化性能,而取代現有天然橡膠的位置。我們開發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用于對硬度有更大要求的范圍,可以應用于小汽車、卡車、巴士和航空航天的工業應用。

SHTC化合物的工業應用,目前已正在幾個汽車生產商進行,用于發動機前蓋,也用于飛機發動機前蓋,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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