A borracha natural (NR) é amplamente utilizada em produtos de absorção de choque nas áreas de automóveis, pontes, edifícios e transporte ferroviário devido à sua excelente elasticidade e resistência à fadiga. No entanto, ciclos de carga de longo prazo podem levar à degradação do desempenho do material de borracha e até mesmo à fratura e à falha.
Este artigo se concentrará no desempenho de absorção de choque da borracha natural, analisará suas características de fadiga e seus fatores de influência e explorará a direção de futuras pesquisas e melhorias.
Propriedades de absorção de choque da borracha natural
A borracha natural (NR) é amplamente utilizada em diversasamortecedorese dispositivos de isolamento sísmico devido à sua alta elasticidade e excelente durabilidade, como almofadas de borracha em sistemas de suspensão de automóveis, suportes de isolamento sísmico em pontes e travessas com absorção de choque em trânsito ferroviário.
As vantagens dos materiais de borracha natural refletem-se principalmente nos seguintes aspectos:
1. Alta elasticidade e flexibilidade: pode absorver e consumir energia cinética externa e reduzir efetivamente a transmissão de choques e vibrações.
2. Forte resistência à fadiga: Sob ciclos de carga de longo prazo, a borracha natural apresenta excelente durabilidade.
3. Capacidade antienvelhecimento: Ao adicionar antioxidantes e outros aditivos, a vida útil dos produtos de borracha pode ser estendida ainda mais.
Análise do desempenho à fadiga de produtos amortecedores de borracha natural
1. Definição e manifestação de falha por fadiga
A falha por fadiga refere-se ao fenômeno em que os materiais gradualmente acumulam danos e eventualmente quebram ou degradam seu desempenho durante a exposição de longo prazo a tensões e deformações alternadas. Em produtos de absorção de choque de borracha natural, a falha por fadiga geralmente se manifesta como:
- Geração e expansão de microfissuras
- Endurecimento ou amolecimento de materiais
- Deformação estrutural levando à redução do efeito de absorção de choque
- Envelhecimento superficial e fissuras
2. Método de teste de fadiga
A vida em fadiga é uma medida do número máximo de ciclos que um produto de borracha pode suportar sob um determinado nível de tensão. Os métodos comuns de teste de fadiga incluem:
- Teste de fadiga por tração: Aplique tensão de tração cíclica para simular o estado de fadiga por tração da borracha em uso real.
- Teste de fadiga por compressão: Aplicável a componentes como rolamentos de pontes que são submetidos a tensões compressivas para testar seu desempenho em fadiga compressiva.
- Teste de fadiga por cisalhamento: usado principalmente para testes de fadiga por deformação por cisalhamento de dispositivos de isolamento sísmico.
Principais fatores que afetam o desempenho em fadiga
1. Composição e formulação do material
A formulação da borracha natural tem um impacto significativo no seu desempenho à fadiga. A adição de um sistema de vulcanização apropriado, cargas (como negro de fumo e sílica) e aditivos pode melhorar a vida útil da borracha em fadiga. Por exemplo, a adição de negro de fumo pode não apenas melhorar a resistência mecânica da borracha, mas também retardar efetivamente a geração e expansão de trincas por fadiga.
2. Influência de fatores ambientais
A temperatura, a umidade e o teor de oxigênio no ambiente terão diferentes graus de influência no desempenho à fadiga da borracha natural. Em um ambiente de alta temperatura, o movimento da cadeia molecular da borracha é intensificado, o que pode facilmente causar relaxamento do estresse e envelhecimento; enquanto em um ambiente de baixa temperatura, a borracha fica dura, a tenacidade diminui e é fácil de quebrar e quebradiça.
3. Frequência e amplitude de carga
Cargas de alta frequência tendem a aumentar o calor de atrito interno do material, o que leva ao aumento da temperatura e à degradação do desempenho da borracha; enquanto amplitudes de carga excessivas podem causar danos por fadiga ao material em um curto período.
4. Racionalidade do projeto estrutural
O projeto racional pode reduzir a concentração de tensão e retardar o início e a expansão de trincas por fadiga. Por exemplo, o projeto de filetes e áreas de transição pode reduzir efetivamente os danos por fadiga em áreas de concentração de tensão.
Medidas técnicas para melhorar o desempenho à fadiga da borracha natural
1. Otimize o design da fórmula
A vida à fadiga da borracha natural pode ser melhorada ajustando o sistema de vulcanização, reforçando o tipo e o conteúdo das cargas e introduzindo aditivos como antioxidantes. Por exemplo, o uso de aceleradores de vulcanização de alto desempenho pode reduzir o tempo de vulcanização e aumentar a densidade de reticulação da borracha, aumentando assim a sua resistência à fadiga.
2. Tecnologia de tratamento de superfície
O revestimento de superfície com película protetora ou o uso de tecnologia de tratamento de plasma pode reduzir o atrito e a taxa de oxidação da superfície da borracha, retardando assim a expansão das rachaduras por fadiga.
3. Apresentando materiais de reforço
A introdução de fibras ou nanomateriais, como nanotubos de carbono e grafeno, na borracha natural pode melhorar suas propriedades mecânicas e resistência à fadiga. A adição de materiais de reforço ajuda a dispersar as tensões e inibir o início e a expansão de fissuras.
4. Projeto estrutural razoável
Por exemplo, otimizar o design das almofadas de borracha no sistema de suspensão do automóvel para torná-lo mais uniformemente tensionado, reduzindo assim os danos por fadiga.
Conclusão
Os produtos de absorção de choque de borracha natural desempenham um papel importante em vários campos da engenharia devido à sua excelente elasticidade e durabilidade. O desempenho à fadiga da borracha natural pode ser efetivamente melhorado otimizando o design da fórmula, melhorando o design estrutural e introduzindo novos materiais de reforço. A investigação futura deverá centrar-se mais no desenvolvimento de materiais ecológicos e na concepção de sistemas inteligentes de absorção de choques para satisfazer a crescente procura do mercado.