考虑橡胶材料的超弹性和黏弹性,基于时间-温度等效原理研究材料的热流变特性、动态黏滞损耗规律和疲劳裂纹扩展动力学,以及它们的温度相关性。重点在以下几个方面开展了理论分析和试验研究:(1)炭黑填充橡胶超弹性本构的选取。从分子链网络统计模型和连续介质力学模型介绍橡胶超弹性理论,导出几类常用的模型在单轴拉伸、平面拉伸和双轴拉伸等三类基本变形下的名义应力-拉伸比的关系,并开展了相应的基本变形试验,采用超弹性本构模型对试验数据进行拟合,分析了各本构模型的适用性。结果表明:在三类基本变形试验数据齐全时,橡胶材料的超弹性本构模型宜最优先采用三阶的Ogden模型。(2)炭黑填充橡胶热流变特性的研究。通过不同温度下的频率扫描DMA测试分别构建其动态黏弹性能主曲线、Cole-Cole图和van Gurp-Palmen图,以此证明了炭黑填充橡胶是热流变简单材料,满足时间-温度等效原理,并且获得了不同温度下的动态黏弹性的温度移位因子。(3)炭黑填充橡胶的能量耗散规律的研究。利用DMA设备对填充橡胶进行动态拉伸和压缩测试,分析载荷频率、应变幅值对滞后能量损耗的影响。结果表明:能量损耗与载荷频率成线性关系,随动态应变幅值呈非线性变化,整体满足幂律关系,可采用Kraus模型对其进行预测。建立的橡胶变形过程中温升的计算模型,其模型预测与试验结果吻合良好,说明此模型能很好地表征本橡胶材料的黏滞生热现象。(4)炭黑填充橡胶的疲劳裂纹扩展与寿命的研究。开展了不同温度下炭黑填充橡胶的平面拉伸试样的静态撕裂强度和常温下的平面拉伸疲劳裂纹扩展测试。测试结果显示:临界撕裂能具有随温度升高而呈指数下降的规律,疲劳裂纹扩展速率与撕裂能满足幂律函数关系。考虑加载过程中的最大应变与撕裂能之间的函数关系,建立了疲劳裂纹扩展速率与最大应变的关系。利用不同温度下填充橡胶的临界撕裂能随温度的变化规律,得到不同温度下的裂纹扩展速率与最大应变的关系,即能预测特定高温下的疲劳寿命和S-N曲线。(5)发展一种炭黑填充橡胶疲劳寿命的评价方案。对炭黑填充橡胶沙漏试样进行疲劳破坏试验,同时用红外热像仪记录疲劳过程中的温度变化,建立相应的自热平衡温升计算模型,模型预测与试验结果吻合良好。试样疲劳过程中存在稳定的平衡温度,直到破坏前温度才陡然上升,基于此发展了一种基于自热平衡温升准则的炭黑填充橡胶疲劳寿命预测方案。