基于稳态滞后损耗的炭黑填充橡胶疲劳寿命快速预测新方法及其工程应用价值

针对橡胶部件疲劳测试周期长、成本高的问题，研究人员通过动态力学测试和红外热成像技术，揭示了炭黑(CB)填充橡胶滞后损耗(D)与稳态温度(θ)的线性关系，建立了基于D的疲劳寿命预测方程Nf=A(aD+c/T0)n。该方法仅需数千次循环即可评估疲劳性能，为工程领域提供了快速、低成本的寿命预测方案。

　　

橡胶材料因其优异的力学性能，在汽车、桥梁和建筑减震领域广泛应用，其中炭黑(CB)填充橡胶更是抗震支座的核心材料。然而在循环载荷下，橡胶部件会因粘弹性产生滞后损耗(D)，导致自热效应和温度上升，进而加速疲劳损伤。传统疲劳测试往往耗时数周甚至数月，且需要昂贵的红外设备监测温度变化，严重制约了工程评估效率。

针对这一难题，湘潭大学的研究团队在《Polymer Testing》发表了一项创新研究。通过系统分析圆柱形试件在不同动态应变幅值(Δε)、频率(ω)和预应变(ε₀)下的自热行为，首次建立了D与θ的定量关系。研究发现：当频率固定为50Hz时，θ与D在Δε(1-5%)和ε₀(10-50%)条件下呈显著线性相关(R²>0.98)，而频率变化时则呈现非线性特征。基于此，团队创新性地将D作为损伤参数，推导出疲劳寿命方程N_f=A(aD+c/T₀)ⁿ，通过沙漏形试件在载荷比R=0和0.1下的验证，预测误差小于5%。

关键技术包括：1) 采用Gabo Eplexor 500N进行压缩模式动态力学测试；2) 使用FLIR SC3000红外相机监测表面温度；3) 通过电磁动态试验机(CARE M-3000)开展力控疲劳试验；4) 基于滞后环面积计算D值。

【温度演化规律】
圆柱试件测试表明，温度演化可分为快速上升期(前200秒)和稳态期。在固定ω=50Hz条件下，5%Δε时θ从20°C升至42°C，且滞后环形状随ε₀增大从椭圆变为非对称(非线性粘弹性增强)。

【D-θ定量关系】
关键发现是稳态D与θ的线性相关性：当R=0时，θ=1.87D+5.23(R²=0.982)；R=0.1时，θ=2.05D+4.76(R²=0.995)。这为用D替代θ作为损伤参数奠定基础。

【疲劳寿命预测】
沙漏试件测试显示，疲劳过程包含温度快速上升、稳态和失效三阶段。稳态阶段仅需数千次循环即可获得稳定D值，而传统方法需完成全部N_f(约10⁵次)。将D代入修正的疲劳方程后，预测结果与实测值高度吻合。

该研究突破性地证明：1) 稳态D可作为普适性损伤参数；2) 预测周期缩短90%以上；3) 无需持续红外监测。对于地震支座等关键部件的快速安全评估具有重要工程价值，尤其适用于需批量测试的工业化场景。研究还发现，橡胶-填料界面相互作用通过影响D值显著调控疲劳行为，这为后续材料改性提供了新思路。