劉 瓊，劉曉丹，尹文華

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

硫化橡膠材料具有優(yōu)異的彈性、易加工性和化學(xué)穩(wěn)定性，在一定的應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大的變形，能夠補(bǔ)償設(shè)備金屬件之間的公差，蠕變作用小，能夠保證在較低的接觸應(yīng)力作用下仍有較好的密封效果，因此硫化橡膠材料廣泛應(yīng)用于各種密封場(chǎng)景。但相對(duì)于其它材料，橡膠材料易受到熱、氧、介質(zhì)等因素的影響而發(fā)生老化，其密封性能和使用壽命關(guān)乎整個(gè)裝備系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)有技術(shù)常依照GB/T 20028-2005[1]這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，采用壓縮永久變形[2]或壓縮應(yīng)力松弛作為特性指標(biāo)來(lái)評(píng)估硫化橡膠密封材料和制品的壽命。然而如何判定失效？如何選擇合適的臨界值是擺在廣大科研及試驗(yàn)人員面前的一個(gè)難題。GB/T 20028-2005建議一般選用以原始性能值變化到 50%作為臨界值，同時(shí)提到被選取的臨界值應(yīng)適用于使用條件。鑒于此，本研究加入了氣密性（漏率）這個(gè)橡膠密封件功能性指標(biāo)，試圖通過(guò)監(jiān)測(cè)橡膠密封件老化前后漏率的變化為臨界值的選取做出指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

某牌號(hào)氟橡膠。

1.2 試驗(yàn)儀器

高溫試驗(yàn)箱（型號(hào)為PH101 ，廣州愛(ài)思佩克環(huán)境儀器有限公司），橡膠塑料特規(guī)測(cè)厚儀（型號(hào)為CH-20-AT，上海六菱儀器廠），壓縮永久變形工裝（自制，滿足GB/T 7759.1-2015要求），高溫應(yīng)力松馳試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為SS-3384，松恕檢測(cè)儀器有限公司），氦質(zhì)譜檢漏儀（型號(hào)為SFJ-231，安徽皖儀科技股份有限公司）。

1.3 樣品制備及性能測(cè)試

壓縮永久變形：按照GB/T 7759.1-2015[3]進(jìn)行樣品制備和測(cè)試，A型，壓縮率25%，方法A。

壓縮應(yīng)力松弛：按照GB/T 1685-2008[4]進(jìn)行樣品制備和測(cè)試，I型圓柱形試樣，壓縮率25%，方法A。

氣密性：O型圈試樣，參考GB/T 36176-2018[5]進(jìn)行測(cè)試，噴吹法。

數(shù)據(jù)處理及壽命評(píng)估參照GB/T 20028-2005。

1.4 試驗(yàn)終點(diǎn)及臨界值的選擇

根據(jù)GB/T 20028-2005推薦，臨界值選擇初始性能保持率的50%作為試驗(yàn)終點(diǎn)。

壓縮永久變形保持率=（1-壓縮永久變形）×100%。

按照GB/T 1685-2008結(jié)果表述建議，采用壓縮應(yīng)力比值來(lái)進(jìn)行壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理更合適，壓縮應(yīng)力比值=×100% 。

2 結(jié)果與討論

2.1 壽命評(píng)估試驗(yàn)

2.1.1 基于壓縮永久變形的壽命評(píng)估

選擇160℃、170℃、180℃和190℃作為壓縮永久變形的熱老化溫度。不同老化溫度下壓縮永久變形隨老化時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，壓縮永久變形保持率隨老化時(shí)間增加而逐漸降低，同時(shí)溫度對(duì)氟橡膠的壓縮永久變形影響顯著，老化溫度越高，壓縮永久變形保持率下降越快。

圖1 壓縮永久變形保持率熱老化曲線Fig.1 The relation curves of compression setretention rate and aging time

將壓縮永久變形保持率數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同老化溫度下壓縮永久變形保持率的二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果Table 1 Quadratic polynomial fitting results of compression set retention rate at different aging temperatures

由圖1中的曲線及表1中的相關(guān)系數(shù)可知，用二次多項(xiàng)式擬合得到的曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合程度良好，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上[6]。通過(guò)插值法可計(jì)算出不同老化試驗(yàn)溫度下壓縮永久變形保持率達(dá)到50%時(shí)的臨界時(shí)間，見(jiàn)表2。

表2 不同老化溫度下壓縮永久變形保持率達(dá)到臨界值的時(shí)間Table 2 The time when the compression set retention reaches the critical value at different aging test temperatures

以臨界時(shí)間的對(duì)數(shù)lgt對(duì)絕對(duì)溫度的倒數(shù)10000/T作圖，并進(jìn)行線性擬合，見(jiàn)圖2，可得擬合方程：

圖2 壓縮永久變形保持率阿累尼烏斯圖(時(shí)間-溫度)Fig.2 Arrhenius diagram of compression set retention rate

利用外推法可計(jì)算出不同溫度下該氟橡膠的壽命，見(jiàn)表3。

表3 不同貯存或使用溫度下壓縮永久變形保持率達(dá)到臨界值的壽命Table 3 The life of the compression set retention rate reaching a critical value at different storage or use temperatures

2.1.2 基于壓縮應(yīng)力松弛的壽命評(píng)估

選擇160℃、170℃和180℃作為壓縮應(yīng)力松弛的熱老化溫度。不同老化溫度下壓縮應(yīng)力比值隨老化時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，壓縮應(yīng)力比值隨老化時(shí)間增加而逐漸降低，且老化溫度越高，壓縮應(yīng)力比值下降越快。

圖3 壓縮應(yīng)力比值熱老化曲線Fig.3 The relation curves of compressive stress ratio and aging time

將壓縮應(yīng)力比值數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同老化溫度下壓縮應(yīng)力比值的二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果Table 4 Quadratic polynomial fitting results of compressive stress ratio at different aging temperatures

由圖3中的曲線及表4中的相關(guān)系數(shù)可知，用二次多項(xiàng)式擬合得到的曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合程度良好，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。通過(guò)插值法可計(jì)算出不同老化試驗(yàn)溫度下壓縮應(yīng)力比值達(dá)到50%時(shí)的臨界時(shí)間，見(jiàn)表5。

表5 不同老化溫度下壓縮應(yīng)力比值達(dá)到臨界值的時(shí)間Table 5 The time when the compressive stress ratio reaches the critical value at different aging test temperatures

以臨界時(shí)間的對(duì)數(shù)lgt對(duì)絕對(duì)溫度的倒數(shù)10000/T作圖，并行線性擬合，見(jiàn)圖4，可得擬合方程：

圖4 壓縮應(yīng)力比值阿累尼烏斯圖(時(shí)間-溫度)Fig.4 Arrhenius diagram of compressive stress ratio

利用外推法可計(jì)算出不同溫度下該氟橡膠的壽命，見(jiàn)表6。

表6 不同貯存或使用溫度下壓縮應(yīng)力比值達(dá)到臨界值的壽命Table 6 The life of the compressive stress ratio reaching a critical value at different storage or use temperatures

2.1.3 氣密性試驗(yàn)

將O型圈試樣置于耐壓的密封工裝中，壓縮率為25%，O型圈試樣與工裝作為一個(gè)整體試樣（以下稱之為被檢件），在不同的溫度下進(jìn)行熱老化處理，定期取出，用氦質(zhì)譜檢漏儀測(cè)試被檢件的漏率。

考慮到壓縮永久變形和壓縮應(yīng)力松弛的熱老化溫度并未完全重疊，選擇170℃、190℃和210℃作為氣密性的熱老化溫度。不同溫度下被檢件漏率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可知，O型圈試樣在長(zhǎng)時(shí)間的高溫老化下密封性良好，且在170℃和190℃下壓縮永久變形保持率臨界值以及190℃和210℃下壓縮應(yīng)力比值臨界值時(shí)漏率未明顯增大。

表7 不同老化溫度下漏率隨老化時(shí)間的結(jié)果Table 7 The result of leakage rate with aging time at different aging temperatures

3 結(jié)論

（1）對(duì)于該氟橡膠密封材料，壓縮永久變形和壓縮應(yīng)力松弛隨老化時(shí)間的變化規(guī)律相近，采用壓縮應(yīng)力松弛作為評(píng)價(jià)指標(biāo)推算得到的壽命略微高于壓縮永久變形。

（2）相對(duì)于壓縮永久變形和壓縮應(yīng)力松弛，氣密性指標(biāo)為非敏感性指標(biāo)，即使前兩項(xiàng)指標(biāo)已降到50%臨界值，氣密性仍未有明顯改變。