南京理工大学李文彬教授研究团队——硅橡胶的分离式霍普金森压杆测试：应变速率和温度的影响 | MDPI Polymers

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文章导读

来自南京理工大学的李文彬教授及其研究团队在 Polymers 期刊中发表的文章，使用了带有温度控制装置的分离式霍普金森压杆测试仪器，在不同的温度 (40 °C~200 °C) 和不同的应变速率 (1.2×103 s^-1-7.2×103 s^-1) 下测试硅橡胶。结果显示，在不同的温度下，硅橡胶的动态机械性能对应变率敏感，硅橡胶的屈服强度随着应变率的增加而增加。在较高的应变速率下，硅橡胶显示出温度敏感性。随着应变率的降低，温度对硅橡胶的影响逐渐减少。差示扫描量热分析表明，硅橡胶在高温下具有良好的热稳定性。当温度低至 -40℃ 时，硅橡胶发生玻璃化转变，表现出脆性材料的特性。

研究过程与结果

该实验是在南京理工大学带温控箱的 SHPB (Split-Hopkinson Pressure Bar) 实验装置上进行的。如图 1 所示，冲击杆的长度为 0.2 m；入射杆和透射杆的长度分别为 1.5 m 和 2 m；撞击杆、入射杆和透射杆的直径为 14.5 mm，密度为 2.81 g/cm³。为了减少试验中的摩擦，试验件的两端都涂有润滑脂。实验过程中，作者在每个应变速率下至少进行了三次重复性良好的实验，并将三条有效的曲线平均化，得到应力-应变曲线。

图 1. 带有温度调控装置的 SHPB 系统示意图。

图 2 为通过 SHPB 实验得到的硅橡胶的应变率应变曲线。如图所示，实验中实现了恒应变率加载。

图 2. 室温下硅橡胶的应变-速率应变曲线。

图 3 为在室温 (26℃)、四种不同应变速率下，硅橡胶的应力-应变曲线。如图所示，硅橡胶的屈服强度和屈服应变随着应变速率的增加而增加，表现出明显的应变率相关特性，应力-应变曲线的初始段基本重合。当应变超过 0.015 时，应变速率的影响明显增加。硅橡胶的应力-应变曲线大致可分为三个阶段：初始线性上升阶段、屈服阶段和最终应力卸载阶段。在加载初期的小应变范围内，应力随着应变的增加而急剧增加，其趋势一般为线性。此阶段为初始上升阶段，这是由于在初始加载阶段，试样的内部应变率迅速增加而产生的强化效应造成。当应力达到相应应变率下的屈服强度时，材料发生屈服，应力-应变曲线进入屈服阶段。随着应变的增加，应力并没有增加。加载结束后，试件开始卸载，该阶段即为曲线的卸载段。

图 3. 硅橡胶在室温 (26℃) 和不同应变率下的应力-应变曲线。

图 4 显示了实验后硅橡胶样品的形态，其中，图 4a 为室温 (26℃) 下，经不同速率的冲击后，硅橡胶试样的形态，以及受损区域的 SEM 照片。如图 4a 所示，在不同的应变速率情况下，硅橡胶的表面损伤情况不同，损伤程度会随着应变速率的增加而增加；图 4b 为硅橡胶在高温下被冲击后的损伤形态，可以看出损伤处的裂纹均沿端面的直径方向发展；图 4c 为硅橡胶在低温下被冲击后的 SEM 图显示，端面的损伤线是整齐的分裂，与正常和高温下的多层损伤线不同。在低温下，冲击后的损伤线上几乎没有微裂纹，显示出脆性材料的特点。

图 4. 冲击后硅橡胶的损伤形态。

图 5 显示了相同应变率和不同温度下的应力-应变曲线，表明硅橡胶的应力-应变行为明显受到温度的影响。

图 5. 硅橡胶在相同应变率和不同温度下的真实应力-应变曲线。(a) 1200 s^-1；(b) 2800 s^-1；(c) 4700 s^-1；(d) 7200 s^-1。

DSC 实验曲线如图 6 所示，实验中进行了两个加热过程和一个冷却过程实验数据，计算结果见表 1，在整个加热和冷却过程中硅橡胶没有发生分解反应。在高温过程中，硅橡胶没有发生吸热放热反应，说明硅橡胶在高温下表现出稳定的性能，内部结构没有变化。

图 6. 硅橡胶的 DSC 曲线。

表 1. 硅橡胶的 DSC 实验数据和计算结果。

总结与展望

✱ 硅橡胶对应变速率很敏感。在实验温度和应变速率的范围内，硅橡胶的屈服强度随着应变速率的增加而增加。

✱ 硅橡胶对低温很敏感，但在高应变率下只对高温敏感。当温度低于室温时，屈服强度随着温度的降低而增加；当温度高于室温时，在高应变率 (7200 s^-1) 下，屈服强度随着温度的增加而下降；当应变速率小于7200 s^-1 时，高温不影响屈服强度，硅橡胶的屈服应变几乎不受温度影响。

✱ DSC 结果显示，硅橡胶的内部晶相在 -40℃ 时发生变化，出现了玻璃化转变。在高应变率的条件下，硅橡胶呈现出脆性材料特征。

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原文出自 Polymers 期刊

Zhu, X.; Zhang, X.; Yao, W.; Li, W. Split-Hopkinson Pressure Bar Test of Silicone Rubber: Considering Effects of Strain Rate and Temperature. Polymers 2022, 14, 3892.

    Polymers 期刊介绍

主编：Alexander Böker, University of Potsdam, Germany

期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。

2021 Impact Factor	4.967
2021 CiteScore	5.7
Time to First Decision	13 Days
Time to Publication	31 Days

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