橡胶纳米复合材料的多轴疲劳机理及寿命预测研究

In this work, microstructure (filler dispersion, interface and crosslinking network) evolution, multi-axial fatigue failure mechanism and life prediction of rubber composite reinforced by different nanoparticles including graphene oxide, carbon nanotube, carbon black and silica, will be investigated based on a 360 degree multi-axial fatigue system. The criterion of multi-axial fatigue and lifetime prediction factors will be built. The relationship between the composition, microstructure, microstructure evolution and fatigue lifetime will be researched. The above research will give a guideline of designing rubber nanocomposite with long lifetime. This work has high academic and industrial values.

本项目主要基于360度多轴疲劳平台，对不同纳米填料（氧化石墨烯、碳纳米管、炭黑、白炭黑）增强橡胶纳米复合材料，重点开展疲劳过程中微观结构（填料分散、界面及化学交联网络）演变、多轴疲劳破坏机理及疲劳寿命预测的研究。建立多轴平台上疲劳破坏的判据以及疲劳寿命预测因子等，建立橡胶材料组成、微观结构及其演变与疲劳寿命之间的关联。从而为设计长寿命、耐疲劳的橡胶复合材料提供设计准则。该项目的研究成果具有很高的学术和工业价值。

橡胶纳米复合材料疲劳性能关系到橡胶制品在长期使用过程中的安全性问题。因此，研究其疲劳机理和疲劳寿命具有重要的价值。在本项目中，基于NR和SBR两个体系，选择了球状的CB、SiO2，纤维状的CNT和片状的GO，分别制备了不同的橡胶复合材料。研究了不同复合材料的微观结构特点及其在疲劳过程中的演化，进而复合材料的裂纹扩展速率及扩展形貌，疲劳寿命以及寿命预测因子等。在研究的过程中，建立了材料组成、微观结构及其演变以及疲劳寿命之间的关联。研究结果发现，加入各种纳米填料后，有利于增加天然橡胶的拉伸结晶，从而有利于在裂纹尖端处阻碍裂纹扩展，延长疲劳寿命。对于不同的填料体系，相对于球形的CB和SiO2，CNT和GO能以更小的用量实现较为完善的填料网络，实现对橡胶的增强。不同填纳米填料的复配则实现了填料间的协同效应，能够互相促进分散。特别是在CNT和GO等量替代球形填料时，良好的分散和增强的填料网络使裂纹尖端的演变更加复杂，降低了裂纹扩展速率，延长了疲劳寿命。同时，复合填料对橡胶复合材料在高温下的耐疲劳性能的提升非常明显。此外，这些填料在动态疲劳的过程中，填料出现了前期分散变好，后期有聚集的现象，而橡胶复合材料的应力软化效应从始至终一直存在。同时，复合材料的交联网络在疲劳过程中逐渐遭到破坏，表现为交联密度在疲劳过程中出现了逐渐下降的趋势。最终基于单轴或多轴疲劳平台，发现由于GO的独特的片层结构，其与CB或者SiO2复配体系增强的橡胶复合材料的疲劳寿命最长，并优选了最大工程应力作为多轴疲劳平台的预测因子。以上基础研究成果将有助于研究人员从橡胶制品使用环境、橡胶材料组成、微观结构控制等方面进行优化，从而制备出高抗疲劳性能的橡胶制品。