橡膠材料測試方法及設備指南

橡膠材料力學性能的核心特點

在介紹測試之前，必須理解橡膠測試的出發點：

1. 超彈性：可發生高達數百百分比的可恢復大變形，應力-應變曲線呈非線性（通常為S形）。

2. 粘彈性：力學行為依賴于時間（蠕變、應力松弛）和速率（應變率敏感性）。

3. 穆林斯效應：加載-卸載循環與后續循環的應力響應不同，存在軟化現象。

4. 高彈性模量：模量遠低于金屬，通常在MPa量級。

5. 對溫度和環境的敏感性：性能隨溫度、臭氧、光照、介質等變化顯著。

第二部分：核心力學測試項目介紹

1. 靜態（準靜態）測試

拉伸測試：

目的：測定拉伸強度、斷裂伸長率、定伸應力（如100%、200%、300%伸長率下的應力）、彈性模量（通常取較小應變區間的割線模量）。

標準：ASTM D412， ISO 37， GB/T 528。

試樣：啞鈴型試樣、環狀試樣。

壓縮測試：

目的：測定壓縮變形、壓縮應力松弛、壓縮模量。對密封件、減震墊至關重要。

標準：ASTM D395， ISO 815。

要點：常在一定溫度和時間下進行，以評估長期性能。

撕裂測試：

目的：評估材料抵抗裂紋擴展的能力。

標準：ASTM D624（直角形、新月形、褲形試樣）。

硬度測試：

目的：快速評估材料抗局部壓入的能力，與彈性模量相關。

標準：邵氏硬度（Shore A ， Shore D 用于較硬橡膠）， IRHD。

設備：手持式硬度計或臺架式硬度計。

2. 動態力學測試

這是評估橡膠粘彈性和疲勞性能的關鍵。

動態熱機械分析：

目的：在交變載荷下，測量材料的儲能模量（E‘， 彈性）、損耗模量（E’‘， 粘性） 和損耗因子（tanδ = E’‘/E‘）。這些參數對減震、輪胎滾動阻力/抓地力至關重要。

模式：拉伸、壓縮、剪切、彎曲。

條件：通常在頻率掃描、溫度掃描（玻璃化轉變溫度Tg）或應變掃描下進行。

疲勞測試：

目的：評估在反復載荷下裂紋萌生和擴展的性能（如德墨西亞裂紋增長試驗）。

設備：專用疲勞試驗機或動態試驗機。

3. 長期性能/環境測試

應力松弛與蠕變測試：

目的：量化材料在恒定應變下應力隨時間衰減（松弛），或在恒定應力下變形隨時間增加（蠕變）的特性。

設備：長期測試機或配備環境箱的試驗機。

老化測試：

目的：評估熱、氧、臭氧、紫外線等環境因素對性能的影響。

設備：老化箱（熱空氣、臭氧）結合力學測試機。

第三部分：試驗機詳細介紹

用于橡膠測試的試驗機主要有兩類：材料試驗機 和 動態力學分析儀。

1. 材料試驗機

這是進行大多數靜態測試的核心設備。

結構組成：

機架：提供加載框架。單柱式（桌面型，力值較小<5kN）或雙柱式（落地型，力值范圍廣）。

作動器：伺服電機驅動滾珠絲杠，提供精確的位移控制。

力傳感器：測量施加的力值。針對橡膠低模量，需配備高精度、小量程傳感器（如50N， 100N）。

位移測量：外置引伸計是必須的！ 內置十字頭位移不能準確測量試樣標距內的真實應變，尤其是在大變形下。非接觸式視頻引伸計是理想選擇。

夾具：

拉伸：氣動平推夾具（防止試樣打滑）、用于環形試樣的滑輪夾具。

壓縮：平行壓板。

剪切/撕裂：專用夾具。

控制系統與軟件：控制測試過程，并依據標準自動計算各項力學參數。

關鍵特性要求：

低速度范圍：需要極低的恒速（如0.5 mm/min）以進行準靜態測試。

寬速度范圍：也能進行較高速度測試。

高位移分辨率：適應大變形測量。

2. 動態試驗機/動態熱機械分析儀

用于動態力學性能測試。

類型：

電液伺服動態試驗機：頻率較高（可達數百Hz），力值大，常用于零部件（如發動機支座）的疲勞和動態測試。

電動式動態試驗機：頻率范圍中等（通常<100Hz），控制精確，適用于材料和小型部件。

專用DMA：頻率范圍寬（0.01-200Hz），溫控精確（-150°C ~ 600°C），試樣尺寸小，是研究粘彈性的黃金標準設備。

核心功能：

對試樣施加正弦波、三角波、方波等動態載荷。

精確測量載荷與位移的相位差，從而計算出儲能模量、損耗模量和tanδ。

進行頻率譜、溫度譜和應變幅值譜掃描。

第四部分：測試系統關鍵附件

1. 環境箱：模擬高低溫（如-70°C至+300°C），測試溫度對性能的影響。

2. 視頻引伸計/非接觸式應變測量系統：橡膠大變形的解決方案，避免接觸式引伸計的打滑、刺入試樣等問題。

3. 自動測厚儀：試樣厚度對結果影響大，需精確測量。

4. 試樣裁刀：確保啞鈴狀等試樣尺寸精確、邊緣光滑。

總結與選型建議

進行橡膠測試時，必須嚴格遵循相關測試標準，因為試樣形狀、預處理、測試速度、環境等都會極大影響結果。選擇設備時，應優先考慮對大變形精確測量和低載荷高精度的支持能力。