一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及轮胎橡胶复合材料破坏点的产生机理全新研究方法，尤其涉及一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法。
【背景技术】
[0002]轮胎是汽车的重要部件之一，它直接与路面接触，和汽车悬架共同来缓和汽车行驶时所受到的冲击，保证汽车有良好的乘座舒适性和行驶平顺性，保证车轮和路面有良好的附着性提高汽车的牵引性、制动性和通过性，承受着汽车的重量。轮胎在汽车上所起的重要作用越来越受到人们的重视。现在大多数汽车轮胎材料的主要成份是天然橡胶或者合成橡胶。天然橡胶的综合性能优越过合成橡胶，所以高级轮胎多用天然橡胶。为了使橡胶具有制造轮胎所要求的性能，必须要在橡胶中渗入各不同的化学材料，即化学添加剂。其中添加的一种很重要的添加剂叫碳黑。因为碳具有特别的吸附性，碳粒子与橡胶分子的粘结非常好，使得橡胶增强了硬度、强度和耐磨性。汽车轮胎主要材料实际上是一种胶料与帘线的复合材料。
[0003]轮眙的主要橡胶料有胎面胶、胎侧胶、帘布胶、内胎胶、垫带胶等。胎面胶直接与地面接触摩擦，它具有耐磨损、耐刺扎、缓冲以及防滑等使用性能。要求胎面胶应有较高的抗张强度、定伸强度、良好的抗撕裂性、优异的耐磨性，同时还应有较好的弹性、较低的摩擦生热和耐花纹裂口的性能等。胎侧胶必须具有很好的抗屈挠性和耐老化性以及较好的弹性。胎侧胶的主要作用是保护帘布层不受机械损伤和不受潮湿。缓冲胶应具有高的泽陆、耐疲劳、耐热老化、抗剪切扯裂、高的定伸强度、摩擦生热小、散热性好等性能。帘布胶是各帘线及布层的粘结物，帘线为帘布层提供了抗压能力。帘布胶能够减少冲击负荷对帘线的作用，防止帘线相互摩擦及局部受潮等。帘布胶应具有高的弹性、耐热性、抗撕裂性、低的摩擦生热及适当的定伸强度等性能。内胎在使用过程中受到频繁的周期性伸张压缩变形，并在较高的温度下工作。内胎胶应具有优越的气密性，高的弹性、耐屈挠良好的耐撕裂、耐高温、耐疲劳、不易爆破等性能找出轮胎损坏的原因以及损坏机理，合理地使用和维护好轮胎是一项十分重要的工作。
[0004]轮胎的正确使用能够延长轮胎的使用寿命，且轮胎状况的好坏还直接影响汽车行驶安全及燃料经济性。为延长轮胎寿命，就需要研究轮胎的损坏规律，并采取有效措施，避免一切不正常的磨损和损坏。通过建立实验室模拟研究，可以有效缩短研发改进周期。
[0005]一直以来行业内对于轮胎材料的损坏形式的研究和分析没有统一的标准，对于轮胎的损坏的分析形式一直以装车试验为主，但由于装车试验中试验路段的不确定性，车辆的车况不统一性，以及载重情况无法确定等因素，使得轮胎的新材料试验的研究周期会非常漫长，本发明通过试验研究，深入研究轮胎损坏机理及材料破坏模式，特别是损坏形式与原材料、配方设计、工艺、温度等相关性(包括新材料、新工艺)以及材料生热、老化、传热、疲劳表观特性的微观分子结构(化学键的破坏)机理，我公司与高校合作展开“轮胎损坏界面的微观诊断分析”项目研究，利用高校透射电镜(SEM)、交联密度、DMA、红外、热失重等先进的设备仪器及高分子理论研究优势，来分析轮胎产品损坏微观形貌特征及损坏机理，以便指导产品改进提高产品使用寿命。轮胎损坏主要发生在骨架材料的端点、层间，占轮胎损坏的80%以上。对市场退赔胎及机床试验后的轮胎损坏点进行了大量分析(包括米其林、普利斯通、公司及上轮的产品)。分析发现:轮胎使用3~5个月后，材料交联密度、老化性能都发生一定的改变，特别是损坏点往往存在微观缺陷，如坑穴、粒子团聚、气孔、杂质等，米其林轮胎微观缺陷明显少于国内公司产品。胶料及胶料/钢丝界面的微观缺陷是诱发微观裂纹产生、扩展导致产品损坏的重要原因之一。
[0006]为了消除材料的这种微观缺陷及提高材料性能保持率，公司对原材料、配方及工艺进行了改进优化，制定了多种方案和技术措施，如低温混炼、胶料过滤、粘合胶料取消白炭黑、3#烟片胶的应用、提高材料硫化平坦期等系列措施。那么如何检验这些措施的有效性呢？轮胎微观缺陷是在使用后才出现的，新胎很难显现。如果多种方案做成成品放到市场上试验，然后再解剖分析不仅周期长，而且会造成巨大浪费，一旦不好直接影响产品信誉和客户销售。如何实现多方案的快速检验评价就成为研究的一大课题。前面提到，轮胎损坏点主要发生在骨架材料端点及层间，占80%，探讨一种胶料/帘线复合材料的试验室模拟方法对能否实现方案的快速优选及项目的实施和完成至关重要，本发明就是基于该种背景产生的。本发明目的是研究出一种在实验室中模拟出实际轮胎行驶过程中的损坏形式，使得实验室研究与实际使用中轮胎损坏形式具有一致性。
【发明内容】
[0007]为了有效的缩短轮胎新材料试验的时间及成本，本发明的目的是提供一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法，该方法为揭示轮胎损坏机理提供了一种快捷、有效的试验方法，最终为尚性能轮胎的研制提供一种切实有效的实验室研发方法。
[0008]为了解决上述的技术问题，本发明采用了以下的技术方案:
一种橡胶复合材料疲劳分析试验方法，该方法包括试样的选择和设备的选择，所述的试样包括试样A、试样B、试样C和试样D中的一种或多种，试样A、试样B和试样C为单层帘布屈挠疲劳试样，裁取帘布时，控制帘线的排列角度与轮胎中帘线排列角度接近，其中试样A帘布放置长度达到整个试样的中部位置，试样B为裁切帘布对接，试样C帘布的长度可以和整个试样等长或者稍短；试样D为多层帘布复合材料的屈挠疲劳测试试样，压片时模拟轮胎中带束层部位的排列方式；上述的试样A、试样B、试样C和试样D的长、宽、厚度为3mm ;设备选定高低温屈挠疲劳试验机，外加保温箱，试验机主要技术参数:
a)下夹持器往复速度范围:(50?500)r/min±10r/min
b)上下夹持器可调节最大距离:200mm
c)偏心轮可调节最大距离:50mm
d)下夹持器最大往复行程:100_
e)源电压:AC220V±10%；
测试条件:
a)温度:100°C
b)夹具行程:25mm;频率300次/min ； C)疲劳时间S 24h
d)疲劳性能:试样边缘出现裂口。
[0009]本发明实验室模拟疲劳测试可以用于轮胎制品耐疲劳破坏性能的实验室分析。轮胎疲劳损坏原因分析及损坏机理模拟是长期困扰轮胎业界的一个难题，其主要原因是成品轮胎疲劳损坏测试周期长，轮胎真实工作条件复杂，且难以在线观测轮胎损坏的发展历程。本项目拟通过实验室测试与成品胎测试相结合的手段，经过多次验证，建立一套能够模拟轮胎材料损坏过程的实验室测试方法，特别是创建了模拟钢丝/橡胶复合材疲劳破坏的试验方法。为揭示轮胎损坏机理提供了一种快捷、有效的试验方法，最终为高性能轮胎的研制提供一种切实有效的实验室研发方法。
【附图说明】
[0010]图1单层骨架材料试样图。
[0011]图2两层或多层骨架材料。
[0012]图3单层帘布屈挠试样。
[0013]图4多层帘布屈挠试样。
[0014]图5试验室疲劳试验机。
[0015]图6疲劳试件的制作及取样方式。
[0016]图7实际里程试验胎与试验测试分析对比。
[0017]图8试验的四种试样。
[0018]图9三种粘合胶料断裂界面SEM照片。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做一个详细的说明。
[0020]①国内目前有针对橡胶材料及钢丝(或纤维)单质材料的疲劳试验方法，而针对钢丝(或纤维)/胶料组成的复合材料没有疲劳试验测试方法，开发和建立钢丝(或纤维)/胶料复合材料的试验测试方法是一项全新技术，填补了国内空白。
[0021]②试件的制作尺寸是经过精心考虑和大量的试验后才定格的。试件尺寸定型的演变过程如下:
O试件制作的最初想法及否定最初压缩实验室试样制备方法
采取杭橡公司提供的压延帘布及混炼胶，结合成品胎试样的测试结果，根据轮胎中胶料与帘线的结合、排布及受力方式，实验室制备压缩疲劳测试试样，试样制备如图1和图2所示。图1为单层帘线的测试试样，图2为两层或者多层骨架材料的试样，制样时根据试样的尺寸裁取帘布，帘布的尺寸小于试样的尺寸(帘布包覆于橡胶之内)，帘线的排列角度可以由裁样及制样的时候控制，模拟轮胎中帘线实际排列的角度。
[0022]最初弯曲试样制备方法
弯曲屈挠疲劳测试采用一定厚度的长方体试样，试样具体制备方法如图3和图4所示。
[0023]图3所示为单层帘布屈挠疲劳试样，裁取帘布时，控制帘线的排列角度与轮胎中帘线排列角度接近，左图中帘布放置长度达到整个试样的中部位置，保证屈挠过程中帘线的端部处在发生最大形变处，以观察帘线端部在疲劳过程中的损坏特性；中图为裁切帘布对接试样图，右图帘布的长度可以和整个试样等长或者稍短，考察屈挠过程中帘线与橡胶粘合界面的损坏特性。图4为多层帘布复合材料的屈挠疲劳测试试样，压片时模拟轮胎中带束层部位的排列方式，对试样进行弯曲屈挠疲劳测试，考察帘布层间的疲劳特性。
[0024]由于钢丝帘线压延密度40~60根/100mm，单压延厚度2.0~3.0mm,钢丝需加预张力，在制作中发现上述试件制作钢丝全部变为