硅橡胶动态拉伸行为的测试和表征

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硅橡胶是一种具有优异的高低温稳定性以及较好的机械性能的高分子聚合物,常作为缓冲减震部件应用于车辆和防护结构等工程领域,这类部件在服役过程中可能经历高低温加载环境并受到冲击载荷作用,开展针对硅橡胶动态力学行为及其温度相关性的研究是必要的。目前对于硅橡胶力学行为温度相关性的研究多集中于准静态加载条件,动态力学行为的研究多关注其冲击压缩加载下的响应。拉伸性能是橡胶类材料最重要的力学性能之一,对硅橡胶在高应变率拉伸加载下力学行为进行测试和表征研究是十分必要的。  对邵氏硬度分别为80度和50度的炭黑颗粒填充硅橡胶(MVQ80和MVQ50)在223K、253K、293K和323K四种环境温度下进行了应变率为0.001s-1的准静态单向拉伸测试,通过改进网格点阵制备方法并采用自动网格法非接触式应变测量技术获得了硅橡胶的拉伸应力-伸长比曲线。实验结果表明,自动网格法可以准确地获得拉伸试件在中等变形范围内的全场应变信息;两种硅橡胶的准静态拉伸力学行为均呈现出明显的非线性弹性和温度敏感性特征,MVQ80硅橡胶的拉伸模量和定伸长应力随着测试温度的升高而减小,MVQ50的拉伸模量和定伸长应力随着测试温度的升高而增大;两种硅橡胶在中等变形范围的拉伸加载下均表现出微弱的可压缩性,在实际工程应用中可以近似为不可压缩材料。  针对硅橡胶准静态拉伸力学行为的非线性弹性特征,考察了常用的物理基和唯象超弹性本构模型的表征效果。以Rivlin-Sauders模型为基础提出了一个计及温度相关性的唯象超弹性本构模型,该模型将应变能密度函数表达为变形张量第一不变量与变形张量第二不变量的幂函数之和的形式。模型拟合结果与实验结果的比较显示,该模型能较好地表征硅橡胶在中等变形范围内的准静态拉伸行为及其温度相关性。  基于旋转盘式间接杆杆型高应变率拉伸装置,设计了一种机械连接方式用于硅橡胶动态拉伸试件和入射/透射杆的连接;考察了连接方式对试件应变测量和计算的影响,建立了动态拉伸试件与具有足够长细比的大尺寸拉伸试件之间的应变标定关系;给出了动态拉伸用试件几何参数的设计原则,考察了试件几何尺寸对应力-应变测试结果的影响;采取技术措施提高了透射波信号的信噪比以保证测试结果的可靠性。在此基础上,形成了针对硅橡胶这类低强度、低波阻抗材料的高应变率拉伸测试技术。在四种测试环境温度下(223K、253K、293K和323K)对MVQ80硅橡胶进行了应变率为350s-1和1400s-1的高应变率单向拉伸测试和室温下应变率为15s-1的中应变率单向拉伸测试。实验结果显示,硅橡胶的动态拉伸行为具有明显的非线性弹性特征,中应变率和高应变率加载下材料的模量和定伸长应力均比准静态加载时有显著增大,呈现出显著的应变率正相关性;高应变率加载下MVQ80硅橡胶的温度敏感性特征与准静态加载时一致。  针对硅橡胶在大应变率范围内(从准静态、中应变率至高应变率,0.001s-1~1400s-1)所呈现的非线性力学行为特征,提出了一个计及温度影响的宏观唯象本构模型,该模型假设硅橡胶在拉伸加载下所表现出的非线性的本构行为是超弹性行为和粘弹性行为的组合。该模型的一维流变学形式可简单表述为一个超弹性的弹簧与一个松弛时间率相关的Maxwell体的并联,分别对应于材料的率无关的超弹性响应和率相关的粘弹性响应。模型拟合结果和实验结果的对比显示该本构模型可以有效表征硅橡胶在大应变率跨度和较大温度范围内的非线性的拉伸力学行为。
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