不同填料填充丁苯橡膠復合材料裂紋尖端擴展行為研究.pdf

1、橡膠制品的裂紋尖端應變分布及其與準靜態(tài)裂紋擴展、動態(tài)疲勞破壞性能的關系近年來受到了廣泛的關注。本文的研究重點在于考察填料種類和用量對丁苯橡膠復合材料裂紋尖端應變分布的影響，進而評價材料的抗裂紋萌生和擴展性能。研究的填料體系包括純炭黑體系、純碳納米管體系、碳納米管等量替代炭黑體系以及碳納米管非等量替代炭黑體系。
　　首先考察了炭黑粒徑的變化對其填充丁苯橡膠得到復合材料的抗裂紋性能的影響。采用數字圖像相關法對材料裂紋尖端附近區(qū)域的應變

2、分布情況進行測定。結果表明，裂紋最尖端一點應變放大程度最強，距離尖端越遠應變放大效應越弱;同一材料裂紋尖端最大應變隨整體應變呈線性增加;裂紋尖端應變放大效應的作用區(qū)域均隨炭黑粒徑增加而減小。綜合填料網絡結構和準靜態(tài)裂紋萌生及擴展測試的結果，發(fā)現(xiàn)炭黑N234填充丁苯橡膠抗裂紋性能最好而炭黑N990最差的規(guī)律并進行了解釋。同時采用有限元分析法對與炭黑填充丁苯橡膠有著同樣單軸拉伸應力應變性質的試樣表面進行了應變分布的模擬，由于Ogden方程在

3、計算時忽略了材料實際的滯后特性，模擬結果在試樣整體應變大于30％時與數字圖像相關法實驗結果存在較大偏差。
　　然后研究了碳納米管以1∶1的比例部分替代炭黑N234填充丁苯橡膠準靜態(tài)下的抗裂紋表現(xiàn)。采用1至3份碳納米管分別替換相同份數的炭黑N234，結果表明，隨著碳納米管用量增加，過強的填料網絡結構不利于分擔裂紋尖端橡膠分子鏈承受的應力集中效應，反而強化了應變放大程度，不利于得到抗裂紋性能較好的復合材料。
　　為了探討碳納米管

4、作為填料部分替代炭黑的合理比例，對比研究了5份碳納米管、20份及40份炭黑N234填充丁苯橡膠的填料網絡結構和局部應變分布對其抗裂紋萌生及擴展性能的影響。雖然5份碳納米管具有和40份炭黑N234相近的形成填料網絡結構的能力，但受到碳納米管與橡膠基體作用較弱的特性的影響，在力學性能和抗裂紋性能方面5份碳納米管卻接近20份炭黑填充后的丁苯橡膠。若使碳納米管與炭黑共同形成的填料網絡結構與純炭黑接近，碳納米管特殊的幾何形貌對阻礙裂紋擴展的作用似