橡胶材料测试方法及设备指南

橡胶材料力学性能的核心特点

在介绍测试之前，必须理解橡胶测试的出发点：

1. 超弹性：可发生高达数百百分比的可恢复大变形，应力-应变曲线呈非线性（通常为S形）。

2. 粘弹性：力学行为依赖于时间（蠕变、应力松弛）和速率（应变率敏感性）。

3. 穆林斯效应：加载-卸载循环与后续循环的应力响应不同，存在软化现象。

4. 高弹性模量：模量远低于金属，通常在MPa量级。

5. 对温度和环境的敏感性：性能随温度、臭氧、光照、介质等变化显著。

第二部分：核心力学测试项目介绍

1. 静态（准静态）测试

拉伸测试：

目的：测定拉伸强度、断裂伸长率、定伸应力（如100%、200%、300%伸长率下的应力）、弹性模量（通常取较小应变区间的割线模量）。

标准：ASTM D412， ISO 37， GB/T 528。

试样：哑铃型试样、环状试样。

压缩测试：

目的：测定压缩变形、压缩应力松弛、压缩模量。对密封件、减震垫至关重要。

标准：ASTM D395， ISO 815。

要点：常在一定温度和时间下进行，以评估长期性能。

撕裂测试：

目的：评估材料抵抗裂纹扩展的能力。

标准：ASTM D624（直角形、新月形、裤形试样）。

硬度测试：

目的：快速评估材料抗局部压入的能力，与弹性模量相关。

标准：邵氏硬度（Shore A ， Shore D 用于较硬橡胶）， IRHD。

设备：手持式硬度计或台架式硬度计。

2. 动态力学测试

这是评估橡胶粘弹性和疲劳性能的关键。

动态热机械分析：

目的：在交变载荷下，测量材料的储能模量（E‘， 弹性）、损耗模量（E’‘， 粘性） 和损耗因子（tanδ = E’‘/E‘）。这些参数对减震、轮胎滚动阻力/抓地力至关重要。

模式：拉伸、压缩、剪切、弯曲。

条件：通常在频率扫描、温度扫描（玻璃化转变温度Tg）或应变扫描下进行。

疲劳测试：

目的：评估在反复载荷下裂纹萌生和扩展的性能（如德墨西亚裂纹增长试验）。

设备：专用疲劳试验机或动态试验机。

3. 长期性能/环境测试

应力松弛与蠕变测试：

目的：量化材料在恒定应变下应力随时间衰减（松弛），或在恒定应力下变形随时间增加（蠕变）的特性。

设备：长期测试机或配备环境箱的试验机。

老化测试：

目的：评估热、氧、臭氧、紫外线等环境因素对性能的影响。

设备：老化箱（热空气、臭氧）结合力学测试机。

第三部分：试验机详细介绍

用于橡胶测试的试验机主要有两类：材料试验机 和 动态力学分析仪。

1. 材料试验机

这是进行大多数静态测试的核心设备。

结构组成：

机架：提供加载框架。单柱式（桌面型，力值较小<5kN）或双柱式（落地型，力值范围广）。

作动器：伺服电机驱动滚珠丝杠，提供精确的位移控制。

力传感器：测量施加的力值。针对橡胶低模量，需配备高精度、小量程传感器（如50N， 100N）。

位移测量：外置引伸计是必须的！ 内置十字头位移不能准确测量试样标距内的真实应变，尤其是在大变形下。非接触式视频引伸计是理想选择。

夹具：

拉伸：气动平推夹具（防止试样打滑）、用于环形试样的滑轮夹具。

压缩：平行压板。

剪切/撕裂：专用夹具。

控制系统与软件：控制测试过程，并依据标准自动计算各项力学参数。

关键特性要求：

低速度范围：需要极低的恒速（如0.5 mm/min）以进行准静态测试。

宽速度范围：也能进行较高速度测试。

高位移分辨率：适应大变形测量。

2. 动态试验机/动态热机械分析仪

用于动态力学性能测试。

类型：

电液伺服动态试验机：频率较高（可达数百Hz），力值大，常用于零部件（如发动机支座）的疲劳和动态测试。

电动式动态试验机：频率范围中等（通常<100Hz），控制精确，适用于材料和小型部件。

专用DMA：频率范围宽（0.01-200Hz），温控精确（-150°C ~ 600°C），试样尺寸小，是研究粘弹性的黄金标准设备。

核心功能：

对试样施加正弦波、三角波、方波等动态载荷。

精确测量载荷与位移的相位差，从而计算出储能模量、损耗模量和tanδ。

进行频率谱、温度谱和应变幅值谱扫描。

第四部分：测试系统关键附件

1. 环境箱：模拟高低温（如-70°C至+300°C），测试温度对性能的影响。

2. 视频引伸计/非接触式应变测量系统：橡胶大变形的解决方案，避免接触式引伸计的打滑、刺入试样等问题。

3. 自动测厚仪：试样厚度对结果影响大，需精确测量。

4. 试样裁刀：确保哑铃状等试样尺寸精确、边缘光滑。

总结与选型建议

进行橡胶测试时，必须严格遵循相关测试标准，因为试样形状、预处理、测试速度、环境等都会极大影响结果。选择设备时，应优先考虑对大变形精确测量和低载荷高精度的支持能力。