文档介绍：学校代码 10530 学号 201077010074
分类号 O345 密级
博士学位论文
炭黑填充橡胶黏超弹性力学行为的
宏细观研究
学位申请人胡小玲
指导教师罗文波
学院名称土木工程与力学学院
学科专业一般力学与力学基础
研究方向固体流变学
2013 年 4 月 22 日
Micro- and Macro-Viscohyperelastic behavior
of Carbon Black Filled Rubbers
Candidate Hu Xiaoling
Supervisor Luo Wenbo
College College of Civil Engineering and Mechanics
Program General and Fundamental Mechanics
Specialization Rheology of Solids
Degree Doctor of Engineering
University Xiangtan University
Date April 2013
湘潭大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取
得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其
他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个
人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果
由本人承担。
作者签名: 日期: 年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学
校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查
阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关
数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位
论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名: 日期: 年月日
导师签名: 日期: 年月日
摘要
炭黑填充橡胶是一种黏超弹性复合材料,其力学行为与炭黑粒子的分布、粒径
大小以及炭黑含量相关,并强烈依赖于温度、应变率、加载时间等。此外,由于橡
胶材料具有黏弹特性,变形中的黏滞损耗导致材料温度上升,动态变形过程的温升
尤为显著。本文研究炭黑填充橡胶材料的超弹性、黏弹性和黏超弹性本构模型,分
析材料的热流变特性、考察动态力学性能与能量耗散的关系,探讨炭黑含量对填充
橡胶力学性能的影响,并建立黏超弹性力学行为的细观力学分析方法。主要研究工
作与结果概述如下。
1. 对天然橡胶原材料性能、炭黑增强机理、炭黑填充橡胶主要力学性能、炭黑
填充橡胶本构模型以及炭黑填充橡胶黏弹性的影响因素进行了简要概述。
2. 概述了橡胶超弹性本构理论,对常用的超弹性本构模型进行了详细分析,探
讨了各模型在单轴拉伸(ST)、等双轴拉伸(ET)和平面拉伸(PT)三类基本变形试验数据
齐全时对试验数据的拟合能力,以及基本变形试验数据不齐全时各模型的预测能力,
提出了超弹性本构模型的选取策略:(1)在ST、PT和ET试验数据齐全的情况下,最
优先选用Ogden (N=3)模型,其次选用Yeoh模型和Arruda-Boyce模型;(2)通过两类基
本变形试验来确定模型参数时,建议进行ET试验并选用Ogden (N=3)模型;(3)若仅
有ST试验数据,小变形下可选用Neo-Hooke模型,大变形情况下,Arruda-Boyce模型
为最佳选择。
3. 通过试验研究了炭黑含量对填充橡胶材料 Mullins 效应、拉伸断裂强度、蠕
变和松弛以及动态力学行为的影响,给出了炭黑粒子对橡胶材料增强效应的一般规
律:(1)Mullins 效应加剧;(2)显著提高材料的初始刚度和拉伸强度;(3)提高材料的
蠕变抗力,降低松弛速率;(4)Payne 效应和频率依赖性加剧;(5)玻璃化转变温度降
低。
4. 对炭黑填充橡胶进行不同频率下的动态力学温度扫描和不同温度下的频率
扫描测试,研究材料的热流变特性。结果表明,填充橡胶不同温度下的动态模量和
损耗因子曲线可沿着频率轴平移构建成一条光滑主曲线,说明材料为热流变简单材
料,并由 van Gurp-Palmen 图和 Cole-Cole 图得到验证。此外,通过 WLF 方程和
Arrhenius 方程给出了温度移位因子。
5. 对经典整数阶微分线黏弹性模型和分数阶微分线黏弹性模型进行了分析和
对比,给出各模型的优缺点