弹性体发泡材料的往复压缩性能及其寿命预测

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本文主要研究的是弹性体发泡材料的往复压缩性能及其寿命预测。弹性体发泡材料的往复压缩性能决定其多种情况下的使用寿命,因此本实验的研究对于材料的应用具有重要的意义。目前,国内外很少发现有弹性体发泡材料往复压缩性能及其疲劳寿命预测相关的研究,往复压缩疲劳测试也没有统一的实验方法和疲劳评价标准,所以研究弹性体发泡材料的往复压缩性能及构建其疲劳寿命预测模型极具科研意义和实用价值。通过查阅国内外往复压缩疲劳测试相关资料,制定测试弹性体发泡材料在恒定载荷下的10万循环往复压缩实验方法。结合实验研究、模型预测和理论分析三个方面去探究弹性体发泡材料的往复压缩性能,选取合适的物理量作为往复压缩疲劳的评价变量,推导并构建弹性体发泡材料往复压缩疲劳的寿命预测模型。文献调研和先期试验发现,凝胶含量、发泡密度和材料种类是影响弹性体发泡材料往复压缩性能的主要因素,所以分别将其作为实验的自变量做往复压缩疲劳测试。本文首先制备不同凝胶含量的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)发泡材料,探索研究凝胶含量对其往复压缩性能的影响,推导构建其疲劳寿命预测模型;然后制备不同发泡密度的EVA发泡材料,探究发泡密度对其往复压缩性能的影响,采用该方法进行模型推导并验证其准确性;最后制备不同种类的弹性体发泡材料,包括单一发泡材料烯烃嵌段共聚物(Infuse)、聚酰胺-聚醚嵌段共聚物(Pebax)、热塑性聚酯弹性体(TPEE)和共混发泡材料乙烯-醋酸乙烯共聚物/聚烯烃弹性体(EVA/POE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物/苯乙烯嵌段共聚物(EVA/SEBS),验证模型的普适性。往复压缩疲劳测试的结果表明:在一定范围内,弹性体发泡材料的平均模量随着凝胶含量的增加而增大;塑性变形和滞后因子随循环次数的增大而增大;应力与应变为非线性关系;弹性体发泡材料往复压缩的最大应变随着发泡密度的增大而减小,平均模量随着发泡密度的增大而增大,能量效率随发泡密度的增大而减小;不同种类弹性体发泡材料本身的弹性越好,往复压缩疲劳后的平均模量与疲劳前相比变化程度越小,表明耐疲劳性能越好。结合往复压缩疲劳测试的应力-应变实验数据,以平均模量作为反映弹性体发泡材料耐疲劳性能力学响应规律的评价变量,成功推导构建了预测弹性体发泡材料疲劳寿命的平均模量-循环次数(M_A-N)模型,模型的相关参数由实验数据拟合确定。模型验证的结果表明:模型预测值与实验结果的比值都在误差允许范围内,证明了模型的准确性和普适性。以上研究和探索能够为弹性体发泡材料提供往复压缩疲劳测试的方法、寿命预测模型和耐疲劳性能的评价物理量,为弹性体发泡材料的耐疲劳性能和缓冲减震性能研究提供参考,为超临界流体发泡法制备更耐疲劳的弹性体发泡材料选取最佳凝胶含量和发泡密度提供理论支撑,推动弹性体发泡材料在生产生活中的更广泛应用。本文结合实验研究、模型预测和理论分析,形成了一套相对完善的探究弹性体发泡材料往复压缩性能及其寿命预测的研究方法。
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