超高温橡胶在汽车零部件中的应用挡圈

超高温橡胶在汽车零部件中的应用

超高温橡胶在汽车零部件中的应用 2011年12月03日 来源： 汽车橡胶零部件包括发动机环架、过滤摆动和吸收震动的轴衬。天然橡胶因为拥有比较均衡的特性，所以在动力学应用中极为广泛。 抗震应用的天然橡胶化合物 ◆ 与金属的粘接 橡胶与金属之间的连接源自于橡胶化合物和粘接剂在硫化过程中产生的强相互作用。在清洗，去脂或者特殊金属处理（喷砂，磷酸盐沉积，电镀锌沉积等等）后的金属零件表面上，常使用蘸或者喷雾的办法制得粘接剂薄膜。 金属处理 → 粘接剂沉积 → 干燥 → 成型 我们一般使用两层沉积法，第一层与金属之间产生连接，上面一层与橡胶化合物产生连接。粘接剂的厚度大概在20微米。 粘接剂样品测试采用标准：剥离测试ASTM429B；双搭接剪切测试ASTM D945。 好的粘接剂有很好的橡胶粘接强度，当橡胶断裂时标记为“R”。差粘接剂的界面会断裂，与橡胶这一面断裂时标记为“RC”，与金属一面断裂时标记为“M”。 ◆ 动力学性能 动力学性能通常是在压缩模式下测量纽扣状样品得到的。动力学性能代表的是橡胶化合物的阻尼正弦应变的能力。我们测量的是橡胶的反应，表征记为与应变同相位的弹性E′，和与应变不同相位的粘性模量E〃。阻尼系数由E〃/ E′的比例表征，记为tanδ。 动力学性能测试为压缩模式下测量一个纽扣状样品，直径高度都为10mm。动力学刚性强度Ks在10%的压缩比的时候测得。我们通常测量以下两个特征点: 其一为K15刚性强度，频率为15HZ，应变幅度为2%；K155刚性强度，频率为155HZ，应变幅度0.1%。 其二为K155/K15的比值t，即为动力学刚性强度的系数。低粘/弹性比值的橡胶化合物具有很好的弹性，提供低的动力学刚性强度，高粘/弹性比值的橡胶化合物在高频下将提供高阻尼高动力学刚性强度。 ◆ 蠕变 蠕变是指在固定的应力和温度下在一定时间内橡胶样品损失的高度。由于高尺寸稳定性的需要，需要低蠕变或者说低压缩比。 压缩比（ASTM D395-85）是一个很简单的测试，可以很好地测试一个样品。对天然橡胶来说，测试在周期为72小时温度为70℃～100℃的范围内完成。 ◆ 热空气老化 热空气老化可以用机械性能（断裂拉伸强度）对温度和时间的损失程度来表征（ASTM D 573681）。对天然橡胶来说，测试通常在10℃～100℃下进行7天或者14天。 ◆ 疲劳寿命阻抗 疲劳寿命阻抗指在固定应力下破坏零件需要的时间或者循环周期数。有许多疲劳测试方法，但最重要的是：FTFT（疲劳断裂测试）；初始裂纹以及裂纹生长速度等方法。 为了定义橡胶化合物的疲劳行为，作为一个规定，我们必须确立几个施加应力和断裂周期数之间的关系。 复合物的开发与温度的升高 在过去的20年里，汽车发动机罩下温度从70℃急剧地升到100℃。温度上升的主要原因为发动机功率的提高，柴油发动机涡轮的广泛使用，发动机用于噪音减少而采取的缩小化和密封装置的使用。为了掌控这种温度的升高，橡胶公司不得不提高橡胶化合物的性能。 对于操作温度在70℃的动力学应用，天然橡胶化合物通常基于表1所示的配方。这是一个经典的硫化系统，叫做CV，加速剂/硫的比例为0.28。这种化合物拥有表2所示的性能水平。

为了提高在更高温度下的抗老化性能，我们不得不改变硫化体系，从经典的硫化体系（加速剂/硫的比例为0.1～0.6，由长且柔性的聚硫连接），在85℃时改变为半有效的硫化系统，标记为SEV（加速剂/硫的比例为0.7～2.5），然后在100℃时改变为有效硫化系统（加速剂/硫的比例为大于2.5，形成短且刚性的单硫连接）。这些都如图1所示。

图1、不同年代开发的硫化体系适应温度能力

这些硫化体系的开发不仅改变了抗老化性能，还影响了其它性能之间的平衡，比如压缩比，抗疲劳性能和阻尼或者动力学性能。 图2所示为不同硫化体系对性能的相对位置。我们注意到虽然硫化系统从经典改变到有效系统时，压缩比和抗老化性能得到了提高，但相反地，抗疲劳性能下降了。这清楚地显示平衡被改变了。

图2、硫化体系与性能的对照

当化合物中含有较少的硫使用的是EV硫化系统时，注意到与金属的粘接剂更关键也是很重要的。 直到2008年，Hutchinson使用这三个硫化系统来满足汽车工业技术的需要。为了带来新的更好的解决方案，为了创新，为了抢先满足在超过100℃高温时的抗老化要求，Hutchinson开发了一种全新概念的天然橡胶配方。 新概念SHTC（超高温化合物） 这个研究的主要思想就是提供一种具有动力学行为和可与EV化合物抗疲劳性能相媲美的天然橡胶化合物，而且具有改善的热空气老化性能和压缩比。这里的挑战是获得EV化合物在100℃时的压缩比，使用这种新型材料，需要在115℃。 这项研发的目的就是提供一种天然橡胶混合物，并拥有以下特性： 1、SHTC化合物在115℃测得的压缩比，要与EV化合物在100℃的压缩比相同； 2、比EV材料更好的抗老化性能。老化测试是使用2毫米的平板样品在115℃完成的。老化时间需要达到拉伸断裂时间的50%; 3、与EV化合物相同的抗疲劳特性，而且在115℃下老化后还能保持稳定。 作为第一步，将55硬度的化合物用于发动机固定装置。然后优化了硫化和保护步骤，以提高天然橡胶的老化性能。 ◆ 力学性能 表3所示为EV和SHTC化合物的比较。断裂伸长率测试在21天周期里完成（图3）。

图3、EV与SHTC的抗氧老化对照

我们注意到一个很明显的改善，就是达到50%断裂伸长率的时间提高了。耐用度是SHTC化合物的两倍。 ◆ 动力学性能 表4所示为老化前后的动力学性能。这些结果清楚的显示SHTC化合物抗老化性能和稳定性的显著提高。 ◆ 抗疲劳性能 老化前后都进行了抗疲劳测试，老化在115℃时间周期为28天内完成。测试样品是橡胶与金属相连接的样品，测量模式是压缩模式。结果如表5所示。我们注意到SHTC化合物有很好的稳定性，疲劳寿命很长。即使是抗疲劳性能比EV化合物稍微下降，但老化后SHTC化合物的循环数还是很稳定，而同时EV化合物的抗疲劳性能大幅下降。这个结果确证了SHTC化合物的行为在115℃老化后得到了提高。 ◆ 与金属的粘接 粘接测试的样品是钢材样品，在热乙二醇（95度24小时）中老化前后都进行了测试。粘接测试结果显示SHTC化合物粘接性具有一定程度的提高，特别是在乙二醇中老化后，如表6所示。 ◆ 工业有效性 在工艺所有步骤中都进行了工业有效性测试，从材料混合到零件成型。在本研究中选择的零部件是液压发动机盖，目前工业上用的都是EV化合物。 客户需要在115℃的连续老化温度，而在130℃出现峰值。

我们测试SHTC复合物对比目前用的EV化合物的条件分别是：110℃500小时；120℃500小时；130℃500小时。 然后我们对零部件进行疲劳测试。结果再一次证明SHTC化合物的抗老化性能比较好（图4）。

图4、零部件分别在110℃,120℃和130℃下老化耐力(千周)

结论 开发这种新型的化合物，是为了进一步提高天然橡胶的抗老化性能，而取代现有天然橡胶的位置。我们开发的这种新型橡胶能够在115℃不损失任何抗疲劳特性。这种新型的概念也许可以应用于对硬度有更大要求的范围，可以应用于小汽车、卡车、巴士和航空航天的工业应用。 SHTC化合物的工业应用，目前已正在几个汽车生产商进行，用于发动机前盖，也用于飞机发动机前盖，这些地方需要在老化、疲劳性能和压缩比之间有着很好的平衡。(end)

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