白炭黑增强硅橡胶的力学机理初步分析.pdf

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1、1608NCCM一13复合材料——成本、环境与产业化白炭黑增强硅橡胶的力学机理初步分析①黄鹏胡文军史平安莫军(中国工程物理研究院，绵阳，621900)摘要本文基于细观力学和断裂力学理论研究白发黑粒子增强硅橡胶的增强机理，首先简要分析白发黑在硅橡胶中的分布状态，引入白炭黑粒子和硅橡胶基体的界面断裂能，引入了反映白炭黑粒子增强硅橡胶效果的量，推导表明该量和界面断裂能以度粒子体积分数相关，最后导出了三者之间的关系式。关键词细观力学硅橡胶白炭黑界面断裂能1引言硅橡胶是主链上含有硅氧原子的合成橡胶总称，它具有优异的耐寒、耐热、绝缘、耐辐射性能，这

2、种橡胶作为密封件广泛应用于航空航天结构，硅橡胶的分子间引力非常弱，生胶硫化后的抗拉强度较低，这限制了它的应用范围，添加增强填料是调整硅橡胶力学性能的主要手段。白炭黑(Si02)是硅橡胶的理想增强填料，工业用气相白炭黑的颗粒细小(纳米级)，它和硅橡胶基体之间可形成化学界面，能够明显提高硅橡胶的力学性能，为了改善白炭黑粒子与硅橡胶大分子之间的均匀分散性、界面结合强度，一般还要加入表面改性剂对白炭黑粒子进行表面改性。文中首先分析白炭黑在硅橡胶基体中的分散情况，阐述白炭黑的增强作用，分析白炭黑和硅橡胶的界面结合情况，在分析中引入白炭黑粒子和硅橡

3、胶基体的界面断裂能，引入了反映粒子增强效果的无量纲量一／％，推导群／％和界面断裂能、粒子含量之间的关系式，并且通过一些试验数据求出了关系式中的参量。2白炭黑的增强作用为了从细观力学角度分析白炭黑粒子的增强机理，需要了解白炭黑在硅橡胶基体中的分布状态，用原子力显微镜对白炭黑在硅橡胶基体中的分布状态进行观察，如图1和图2所示。比较两个分布状态图，表面改性前白炭黑粒子在硅橡胶基体中分散不均匀，有团聚现象出现；而表面改性后的白炭黑粒子在基体中分散均匀，没有团聚现象。因此，表面改性剂可以改善粒子在硅橡胶基体中的分布状态。①基金硬譬：中国工程物理册

4、究院科学技术资助项且(20030565kM复合材料力学分析与设计1609胡义等[11研究表明，硅橡胶制品中白炭黑的含量对其性能有着不同的影响，随着白炭黑的增加，硅橡胶制品的抗拉和抗撕裂强度增加，加白炭黑初始阶段的增强效果尤为明显，另外白炭黑经硅烷改性剂表面改性后可以显著提高其增强效果。董鸿第“’用改性剂改善白炭黑的聚结状态和表面特征制取了新型的改性白炭黑，他们将这种白炭黑填充到硅橡胶中，取得了较好的增强效果，增强后硅橡胶抗拉强度达到10MPa。关于白炭黑增强硅橡胶机理的论述：I．M．Wardl3J认为刚性粒子增强硅橡胶是因为剐性粒子相对

5、增加了分子链的交联程度，从而有更多的分子链承受外载，这样便减少了产生断裂的机会；欧玉春州根据界面相结构研究刚性粒子对软聚合物基体的增强，发现如果单纯引入非化学键结合的柔性界面，仅能实现材料的增韧，如果要实现材料的增强则要在软基体中引入化学键结合的界面，他认为刚性粒子和基体的结合界面决定了材料的力学性能；孟季茹等”1认为拉伸时聚合物中的裂纹遇到刚性粒子时会产生钉扎一攀越或钉扎一裂纹二次引发效应，使裂纹扩展的阻力变大，消耗变形功，阻止裂纹的扩展，从而实现剐性粒子对聚合物的增强。图l表面改性前的白炭黑粒子分布图2表面改性后的白炭黑粒子分布s．

6、W．Shangf61等在研究EVA／Si02复合材料体系时，认为刚性粒子增强聚合物基体，其抗拉强度与颗粒基体之间的黏结功有关，经不同表面处理的Si02颗粒和EVA基体之间的黏结功不同，研究表明黏结功越大，EVA复合材料的抗拉强度越大，他给出了抗拉强度和黏结功一个近似关系式，即式(1)，但是他没有考虑EVA复合材料的抗拉强度和Si02体积分数之间的关系蝉制式中：9c_—抗拉强度；卜材料常数；K⋯——与材料填料及粒径有关的参数；矾——颗粒与基体的黏结功。综上所述，在用刚性粒子增强聚合物基体时，刚性无机粒子的用量，粒子大小、表面状态、颗粒与基

7、体的黏结性能是影响刚性无机粒子增强聚合物的因素，而要综合以上所有的因素预报粒子增强聚合物的强度是困难的。610NCCM一13复合材料——成本、环境与产业化3白炭黑增强硅橡胶的机理分析按照现代固体物理知识给出的材料理论强度要远高于材料的实际强度，究其原因是材料在制造过程中导致内部出现许多缺陷，如微裂纹、空隙等。从微观看橡胶的断裂有两种，(1)断裂始于材料内部微空隙，单向拉伸状态下材料内部空隙处出现应力集中，当空隙处应力超过一临界值．微空隙开始扩展成裂纹；(2)对加刚性粒子填料的橡胶进行单向拉伸时，位于刚性粒子的正上方、正下方会出现三向应力

8、状态，这种复杂应力作用在填料粒子和基体的界面上，当达到一I临界应力时，界面破坏并且开始出现裂纹。根据Eshelby夹杂理论¨1和断裂力学的Gtimth理论，设硅橡胶内存在半径为4的币形损伤裂纹，记生胶的材料