橡膠化合物在高溫下更柔軟嗎？
幾十年來，有限元分析（FEA）一直是密封工業裡產品開發的組成部分。但是，如何利用有限元分析來預測真實熱量條件下的密封效果仍是個難題。這部分歸因於如何**測量橡膠化合物與溫度相關的屬性。

在測量過程中，我們發現了一個值得思考的問題:橡膠化合物在高溫環境下更柔軟嗎？這個問題的答案似乎不太重要，而且大多數人會說當然是高溫環境下的橡膠化合物更柔軟，常識、測量所得數據和已經公布的數據均可以證明這一點。圖1和圖2中的圖形數據來自七種不同橡膠化合物的多種溫度和等溫拉伸試驗，該試驗以美國材料與試驗學會（ASTM）D412標準為基礎。這兩個圖分彆表明了在50%和100%的應變（通常稱作拉伸50%與100%時的模量）下，當溫度從室溫到高溫時，應力減小，但當溫度超過70℃（158。F）時這種減小的趨勢就不明顯了。

圖1、7種橡膠化合物在應變50%時的應力

然而，在橡膠化合物靜態有限元分析（FEA）的高溫試驗過程的初始階段，我們發現應力變化的趨勢卻和上述結果相反。圖3顯示了來自值得信任的測試服務中心的氟橡膠（FKM）化合物的拉伸應力數據，這些數據表明在較大應變（大於20%）下，當溫度分彆從23℃(73。F) 上升到120℃ (248。F) 和150℃(302。F)時應力實際上會增加。換言之，橡膠化合物在高溫環境下更堅硬，而不是更柔軟。

圖2、7種橡膠化合物在應變100%時的應力

那麼，為什麼會產生這種相反的趨勢呢？在對試驗過程進行仔細研究之後，我們發現在不同的試驗速度下趨勢的變化幾乎是一樣的。圖1和圖2提供數據的試驗是以美國材料與試驗學會（ASTM）D412標準為基礎的，該試驗的速度相當快，達到0.5米/分鐘（20英寸/分鐘）。至於圖3的數據來源試驗，速度被設置得較低，目的是為獲取和準靜態變形相關的材料響應數據。

圖3、氟橡膠化合物在不同溫度下的應力應變曲線

好奇心驅使我們把這個問題弄清楚，我們選取氟橡膠（FKM）化合物並操作一個可控製的比較拉伸應力試驗，該試驗仍以美國測試與材料協會（ASTM）的D412標準為基礎，但速度有兩種：50.8厘米/分鐘（20英寸/分鐘）和1厘米/分鐘（0.4英寸/分鐘）。為了使測試數據的兼容性*大化，我們使用同一批次材料的樣品，這些材料是經過固化處理的，並且處理方式相同。

這個試驗的結果見圖4。該結果表明在高速和低速兩種條件下，測出應力向不同方向變化。對其它橡膠化合物的類似試驗也證實了這一點。

圖4、一種氟橡膠化合物在兩種溫度和兩種速度下的應力應變曲線

**有限元分析（FEA）可以更好地幫助我們理解試驗速度產生的效果。目前北美的密封有限元分析（FEA）工業的實際操作仍局限於叫做橡膠密封的“超彈性”分析。該分析假設橡膠具有“**”的彈性，因此它不能模擬與速度或變形速率相關的橡膠特性。為了能夠預測和解釋所觀察的試驗速度效果，“熱粘彈性”分析是必需的，並須具有橡膠材料的以下物理性質：橡膠是粘性的，即使在室溫和高溫條件下；橡膠彈性（或由橡膠運動理論命名的熵彈性）與一定溫度範圍內的確定溫度成比例。

圖5顯示了這一分析的結果。該分析借助由動力學分析（DMA）試驗獲得的氟橡膠（FKM）粘彈性，模擬了其在上述兩種速度下的張力試驗。我們可以很明顯地看出試驗速度對橡膠的與溫度相關屬性的影響。

圖5、兩種溫度和兩種速度下的拉伸試驗有限元分析熱粘彈性預測

“橡膠化合物是否在高溫下更柔軟”這一問題的答案，現在看來並非無足輕重。實際上，在高溫環境下，橡膠化合物會更柔軟或者更堅硬，這取決於對其形態的改變速度。

橡膠是粘彈性的，在發生快速形變時，其鬆弛所需時間更少。無論高溫低溫，高速試驗中的應力總是更大。但是，由於變形的橡膠在高溫下鬆弛得更快，高溫下的高速和高溫下的低速試驗的應力之差要更小。正是橡膠化合物的這些固有的粘彈性以及熵彈性導致了橡膠奇特的與形變速率相關的性能。