在許多行業(yè)中，橡膠組件在每天的日常活動中發(fā)揮著至關(guān)重要的安全防護作用。介于此，橡膠組件需要耐用持久。雖然在很多情況下，橡膠組件在使用中有許多失效方式，但機械疲勞可能是最為常見的失效機制，影響著幾乎所有橡膠相關(guān)部件。未來，我們還將針對其他失效機制的解決方案進行探索，例如磨損和切屑、化學侵蝕、膨脹和非彈性故障。

提及機械疲勞，我們關(guān)心的是經(jīng)受重復(fù)機械裝卸循環(huán)的橡膠組件的長期性能和使用壽命。輸送機、同步傳送帶、不同的輪胎部件，AV底座在工作時都需要反復(fù)的機械循環(huán)。

橡膠機械疲勞始于橡膠復(fù)合物中同質(zhì)性的斷裂（斷裂的前兆）。然后，橡膠體的裂縫不斷增大，隨著加載周期的進行，導致出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。根據(jù)這一失效機制，我們需要考慮兩方面，一個是破裂成核（即復(fù)合物的均勻性）以及固有疲勞裂紋擴展阻力。

復(fù)合物開發(fā)人員經(jīng)常要面臨的挑戰(zhàn)是如何在延長組件疲勞壽命的同時，不影響其他性能，或者，如何在提高動態(tài)性能的同時，不影響組件的使用壽命。幸運的是，面對這樣的挑戰(zhàn)，我們擁有豐富和開發(fā)良好的科學框架來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，以及一些基本的材料選擇指南，可以為我們提供幫助。

變形控制方式

首先，我們需要了解組件的循環(huán)運行條件。橡膠變形是否受應(yīng)用的循環(huán)荷載或循環(huán)位移控制？這至關(guān)重要，因為它可以幫助我們調(diào)整復(fù)合物剛度，確保在可能出現(xiàn)裂紋的偏轉(zhuǎn)時，將存儲能力最小化。例如，在撓度受控的情況下，我們可以選擇一個質(zhì)地柔軟的復(fù)合物，將撓度下復(fù)合物中儲存的能量最小化，抑制裂紋擴展。相反，針對負載控制的情況，我們可以將復(fù)合物硬化，以最小化組件撓度。

橡膠的選擇

選擇適用的橡膠對機械疲勞性能最為重要。天然橡膠是抗裂和抗撕裂復(fù)合物的絕佳選擇。它在應(yīng)變作用下結(jié)晶能力導致了裂紋尖端的自動強化。這種機制在循環(huán)放松和非放松變形期間阻止和鈍化裂紋。當然，自然橡膠并不是適用于所有應(yīng)用。高溫作業(yè)或者化學性質(zhì)惡劣的條件下需要使用特定的合成橡膠。相比天然橡膠，大部分合成橡膠的應(yīng)變結(jié)晶性能并不突出。相反，合成橡膠全部依賴于顆粒強化作業(yè)，以實現(xiàn)所需的裂紋擴展和抗撕裂性能。

補強劑的選擇

補強劑例如炭黑，在確定橡膠組件的裂紋擴展和抗撕裂能力方面起著至關(guān)重要的作用。關(guān)鍵在于選擇正確的負荷等級，炭黑的表面區(qū)域和結(jié)構(gòu)層。選擇的炭黑需要在復(fù)合物混合過程表現(xiàn)出良好的分散性能和最小的物理雜質(zhì)，從而獲得進一步的改善。在選擇其他顆粒制劑時也需要考慮相同因素。填料附聚物和原料雜質(zhì)會導致復(fù)合物的裂紋預(yù)兆尺寸和數(shù)量的增加，這兩者都會對疲勞壽命產(chǎn)生不良影響。

天然橡膠中的炭黑可以通過擴大橡膠基體中的局部應(yīng)變，減少應(yīng)變結(jié)晶所需的位移等級。這在本質(zhì)上增強了天然橡膠的自我強化能力。炭黑將多余的能耗機制融入橡膠復(fù)合物中，這也是對比沒有添加炭黑的橡膠，添加炭黑的橡膠的撕裂強度和抗裂性增加的主要原因之一。要使填充橡膠斷裂，需要施加更多的外力，以補償?shù)竭_裂紋尖端之前粘彈性加工區(qū)域內(nèi)被炭黑消耗的能量。這一點對非晶化的橡膠尤為重要。

這一點我們需要格外小心，因為如果能量消耗過大，會導致在循環(huán)負荷情況下復(fù)合物內(nèi)有害熱的積累，影響動態(tài)力學性能（例如滾動阻力）。這在橡膠技術(shù)方面也是如此，需要謹慎小心，找到平衡。

機械疲勞的特點

實際上，橡膠組件出現(xiàn)失效的方式很少與快速、廉價和普遍的橡膠實驗測試一致，這在我們行業(yè)屬于常見現(xiàn)象。相對簡單的測試，例如拉伸破壞或撕裂測試，無法讓我們完全了解和設(shè)計橡膠復(fù)合物的疲勞性能。幸運的是，在博拉炭黑，我們擁有先進的設(shè)備，可以研究和說明機械疲勞機制，并把這些和實際的橡膠合成聯(lián)系起來。這類設(shè)備包括高通量斷裂機械相關(guān)的疲勞裂紋擴展設(shè)備或裂紋成核測試，以及世界級的縮影設(shè)備。