氟橡膠在壽命評估時壓縮永久變形、壓縮應力松弛與氣密性關系的研究*

劉 瓊，劉曉丹，尹文華

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

硫化橡膠材料具有優異的彈性、易加工性和化學穩定性，在一定的應力作用下產生較大的變形，能夠補償設備金屬件之間的公差，蠕變作用小，能夠保證在較低的接觸應力作用下仍有較好的密封效果，因此硫化橡膠材料廣泛應用于各種密封場景。但相對于其它材料，橡膠材料易受到熱、氧、介質等因素的影響而發生老化，其密封性能和使用壽命關乎整個裝備系統的可靠性。現有技術常依照GB/T 20028-2005[1]這個標準，采用壓縮永久變形[2]或壓縮應力松弛作為特性指標來評估硫化橡膠密封材料和制品的壽命。然而如何判定失效？如何選擇合適的臨界值是擺在廣大科研及試驗人員面前的一個難題。GB/T 20028-2005建議一般選用以原始性能值變化到 50%作為臨界值，同時提到被選取的臨界值應適用于使用條件。鑒于此，本研究加入了氣密性（漏率）這個橡膠密封件功能性指標，試圖通過監測橡膠密封件老化前后漏率的變化為臨界值的選取做出指導。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

某牌號氟橡膠。

1.2 試驗儀器

高溫試驗箱（型號為PH101 ，廣州愛思佩克環境儀器有限公司），橡膠塑料特規測厚儀（型號為CH-20-AT，上海六菱儀器廠），壓縮永久變形工裝（自制，滿足GB/T 7759.1-2015要求），高溫應力松馳試驗機（型號為SS-3384，松恕檢測儀器有限公司），氦質譜檢漏儀（型號為SFJ-231，安徽皖儀科技股份有限公司）。

1.3 樣品制備及性能測試

壓縮永久變形：按照GB/T 7759.1-2015[3]進行樣品制備和測試，A型，壓縮率25%，方法A。

壓縮應力松弛：按照GB/T 1685-2008[4]進行樣品制備和測試，I型圓柱形試樣，壓縮率25%，方法A。

氣密性：O型圈試樣，參考GB/T 36176-2018[5]進行測試，噴吹法。

數據處理及壽命評估參照GB/T 20028-2005。

1.4 試驗終點及臨界值的選擇

根據GB/T 20028-2005推薦，臨界值選擇初始性能保持率的50%作為試驗終點。

壓縮永久變形保持率=（1-壓縮永久變形）×100%。

按照GB/T 1685-2008結果表述建議，采用壓縮應力比值來進行壓縮應力松弛試驗的數據處理更合適，壓縮應力比值=×100% 。

2 結果與討論

2.1 壽命評估試驗

2.1.1 基于壓縮永久變形的壽命評估

選擇160℃、170℃、180℃和190℃作為壓縮永久變形的熱老化溫度。不同老化溫度下壓縮永久變形隨老化時間的變化關系如圖1所示。由圖1可知，壓縮永久變形保持率隨老化時間增加而逐漸降低，同時溫度對氟橡膠的壓縮永久變形影響顯著，老化溫度越高，壓縮永久變形保持率下降越快。

圖1 壓縮永久變形保持率熱老化曲線Fig.1 The relation curves of compression setretention rate and aging time

將壓縮永久變形保持率數據進行多項式曲線擬合，結果見表1。

表1 不同老化溫度下壓縮永久變形保持率的二次多項式擬合結果Table 1 Quadratic polynomial fitting results of compression set retention rate at different aging temperatures

由圖1中的曲線及表1中的相關系數可知，用二次多項式擬合得到的曲線與試驗數據點吻合程度良好，相關系數均在0.95以上[6]。通過插值法可計算出不同老化試驗溫度下壓縮永久變形保持率達到50%時的臨界時間，見表2。

表2 不同老化溫度下壓縮永久變形保持率達到臨界值的時間Table 2 The time when the compression set retention reaches the critical value at different aging test temperatures

以臨界時間的對數lgt對絕對溫度的倒數10000/T作圖，并進行線性擬合，見圖2，可得擬合方程：

圖2 壓縮永久變形保持率阿累尼烏斯圖(時間-溫度)Fig.2 Arrhenius diagram of compression set retention rate

利用外推法可計算出不同溫度下該氟橡膠的壽命，見表3。

表3 不同貯存或使用溫度下壓縮永久變形保持率達到臨界值的壽命Table 3 The life of the compression set retention rate reaching a critical value at different storage or use temperatures

2.1.2 基于壓縮應力松弛的壽命評估

選擇160℃、170℃和180℃作為壓縮應力松弛的熱老化溫度。不同老化溫度下壓縮應力比值隨老化時間的變化關系如圖3所示。由圖3可知，壓縮應力比值隨老化時間增加而逐漸降低，且老化溫度越高，壓縮應力比值下降越快。

圖3 壓縮應力比值熱老化曲線Fig.3 The relation curves of compressive stress ratio and aging time

將壓縮應力比值數據進行多項式曲線擬合，結果見表4。

表4 不同老化溫度下壓縮應力比值的二次多項式擬合結果Table 4 Quadratic polynomial fitting results of compressive stress ratio at different aging temperatures

由圖3中的曲線及表4中的相關系數可知，用二次多項式擬合得到的曲線與試驗數據點吻合程度良好，相關系數均在0.95以上。通過插值法可計算出不同老化試驗溫度下壓縮應力比值達到50%時的臨界時間，見表5。

表5 不同老化溫度下壓縮應力比值達到臨界值的時間Table 5 The time when the compressive stress ratio reaches the critical value at different aging test temperatures

以臨界時間的對數lgt對絕對溫度的倒數10000/T作圖，并行線性擬合，見圖4，可得擬合方程：

圖4 壓縮應力比值阿累尼烏斯圖(時間-溫度)Fig.4 Arrhenius diagram of compressive stress ratio

利用外推法可計算出不同溫度下該氟橡膠的壽命，見表6。

表6 不同貯存或使用溫度下壓縮應力比值達到臨界值的壽命Table 6 The life of the compressive stress ratio reaching a critical value at different storage or use temperatures

2.1.3 氣密性試驗

將O型圈試樣置于耐壓的密封工裝中，壓縮率為25%，O型圈試樣與工裝作為一個整體試樣（以下稱之為被檢件），在不同的溫度下進行熱老化處理，定期取出，用氦質譜檢漏儀測試被檢件的漏率。

考慮到壓縮永久變形和壓縮應力松弛的熱老化溫度并未完全重疊，選擇170℃、190℃和210℃作為氣密性的熱老化溫度。不同溫度下被檢件漏率測試結果見表7。從表7可知，O型圈試樣在長時間的高溫老化下密封性良好，且在170℃和190℃下壓縮永久變形保持率臨界值以及190℃和210℃下壓縮應力比值臨界值時漏率未明顯增大。

表7 不同老化溫度下漏率隨老化時間的結果Table 7 The result of leakage rate with aging time at different aging temperatures

3 結論

（1）對于該氟橡膠密封材料，壓縮永久變形和壓縮應力松弛隨老化時間的變化規律相近，采用壓縮應力松弛作為評價指標推算得到的壽命略微高于壓縮永久變形。

（2）相對于壓縮永久變形和壓縮應力松弛，氣密性指標為非敏感性指標，即使前兩項指標已降到50%臨界值，氣密性仍未有明顯改變。