在許多行業(yè)中，橡膠組件在每天的日常活動(dòng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的安全防護(hù)作用。介于此，橡膠組件需要耐用持久。雖然在很多情況下，橡膠組件在使用中有許多失效方式，但機(jī)械疲勞可能是最為常見(jiàn)的失效機(jī)制，影響著幾乎所有橡膠相關(guān)部件。未來(lái)，我們還將針對(duì)其他失效機(jī)制的解決方案進(jìn)行探索，例如磨損和切屑、化學(xué)侵蝕、膨脹和非彈性故障。

提及機(jī)械疲勞，我們關(guān)心的是經(jīng)受重復(fù)機(jī)械裝卸循環(huán)的橡膠組件的長(zhǎng)期性能和使用壽命。輸送機(jī)、同步傳送帶、不同的輪胎部件，AV底座在工作時(shí)都需要反復(fù)的機(jī)械循環(huán)。

橡膠機(jī)械疲勞始于橡膠復(fù)合物中同質(zhì)性的斷裂（斷裂的前兆）。然后，橡膠體的裂縫不斷增大，隨著加載周期的進(jìn)行，導(dǎo)致出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。根據(jù)這一失效機(jī)制，我們需要考慮兩方面，一個(gè)是破裂成核（即復(fù)合物的均勻性）以及固有疲勞裂紋擴(kuò)展阻力。

復(fù)合物開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常要面臨的挑戰(zhàn)是如何在延長(zhǎng)組件疲勞壽命的同時(shí)，不影響其他性能，或者，如何在提高動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)，不影響組件的使用壽命。幸運(yùn)的是，面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，我們擁有豐富和開(kāi)發(fā)良好的科學(xué)框架來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，以及一些基本的材料選擇指南，可以為我們提供幫助。

變形控制方式

首先，我們需要了解組件的循環(huán)運(yùn)行條件。橡膠變形是否受應(yīng)用的循環(huán)荷載或循環(huán)位移控制？這至關(guān)重要，因?yàn)樗梢詭椭覀冋{(diào)整復(fù)合物剛度，確保在可能出現(xiàn)裂紋的偏轉(zhuǎn)時(shí)，將存儲(chǔ)能力最小化。例如，在撓度受控的情況下，我們可以選擇一個(gè)質(zhì)地柔軟的復(fù)合物，將撓度下復(fù)合物中儲(chǔ)存的能量最小化，抑制裂紋擴(kuò)展。相反，針對(duì)負(fù)載控制的情況，我們可以將復(fù)合物硬化，以最小化組件撓度。

橡膠的選擇

選擇適用的橡膠對(duì)機(jī)械疲勞性能最為重要。天然橡膠是抗裂和抗撕裂復(fù)合物的絕佳選擇。它在應(yīng)變作用下結(jié)晶能力導(dǎo)致了裂紋尖端的自動(dòng)強(qiáng)化。這種機(jī)制在循環(huán)放松和非放松變形期間阻止和鈍化裂紋。當(dāng)然，自然橡膠并不是適用于所有應(yīng)用。高溫作業(yè)或者化學(xué)性質(zhì)惡劣的條件下需要使用特定的合成橡膠。相比天然橡膠，大部分合成橡膠的應(yīng)變結(jié)晶性能并不突出。相反，合成橡膠全部依賴(lài)于顆粒強(qiáng)化作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)所需的裂紋擴(kuò)展和抗撕裂性能。

補(bǔ)強(qiáng)劑的選擇

補(bǔ)強(qiáng)劑例如炭黑，在確定橡膠組件的裂紋擴(kuò)展和抗撕裂能力方面起著至關(guān)重要的作用。關(guān)鍵在于選擇正確的負(fù)荷等級(jí)，炭黑的表面區(qū)域和結(jié)構(gòu)層。選擇的炭黑需要在復(fù)合物混合過(guò)程表現(xiàn)出良好的分散性能和最小的物理雜質(zhì)，從而獲得進(jìn)一步的改善。在選擇其他顆粒制劑時(shí)也需要考慮相同因素。填料附聚物和原料雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合物的裂紋預(yù)兆尺寸和數(shù)量的增加，這兩者都會(huì)對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生不良影響。

天然橡膠中的炭黑可以通過(guò)擴(kuò)大橡膠基體中的局部應(yīng)變，減少應(yīng)變結(jié)晶所需的位移等級(jí)。這在本質(zhì)上增強(qiáng)了天然橡膠的自我強(qiáng)化能力。炭黑將多余的能耗機(jī)制融入橡膠復(fù)合物中，這也是對(duì)比沒(méi)有添加炭黑的橡膠，添加炭黑的橡膠的撕裂強(qiáng)度和抗裂性增加的主要原因之一。要使填充橡膠斷裂，需要施加更多的外力，以補(bǔ)償?shù)竭_(dá)裂紋尖端之前粘彈性加工區(qū)域內(nèi)被炭黑消耗的能量。這一點(diǎn)對(duì)非晶化的橡膠尤為重要。

這一點(diǎn)我們需要格外小心，因?yàn)槿绻芰肯倪^(guò)大，會(huì)導(dǎo)致在循環(huán)負(fù)荷情況下復(fù)合物內(nèi)有害熱的積累，影響動(dòng)態(tài)力學(xué)性能（例如滾動(dòng)阻力）。這在橡膠技術(shù)方面也是如此，需要謹(jǐn)慎小心，找到平衡。

機(jī)械疲勞的特點(diǎn)

實(shí)際上，橡膠組件出現(xiàn)失效的方式很少與快速、廉價(jià)和普遍的橡膠實(shí)驗(yàn)測(cè)試一致，這在我們行業(yè)屬于常見(jiàn)現(xiàn)象。相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)試，例如拉伸破壞或撕裂測(cè)試，無(wú)法讓我們完全了解和設(shè)計(jì)橡膠復(fù)合物的疲勞性能。幸運(yùn)的是，在博拉炭黑，我們擁有先進(jìn)的設(shè)備，可以研究和說(shuō)明機(jī)械疲勞機(jī)制，并把這些和實(shí)際的橡膠合成聯(lián)系起來(lái)。這類(lèi)設(shè)備包括高通量斷裂機(jī)械相關(guān)的疲勞裂紋擴(kuò)展設(shè)備或裂紋成核測(cè)試，以及世界級(jí)的縮影設(shè)備。