作品简介:
聚合物橡胶元件广泛应用于汽车、航空航天和生物医学系统中，以密封件、o型圈、垫片、隔振器、悬挂元件等形式存在。这些系统的使用寿命由在这些不同应用中使用的聚合物材料的使用寿命决定。航空航天和生物医学系统的使用寿命预计为几十年，而汽车零部件的使用寿命预计为5年(100,000英里)。聚合物橡胶组件在暴露于化学和环境降解物时，如臭氧、紫外线、氧气、热循环、机油、水等，也由于机械使用的应力和应变条件，可被降解。在这些不断退化的使用环境下，预测聚合物和橡胶部件的寿命变得非常重要。最常见的方法是利用高温测试结合外推技术来加速材料的老化，以预测材料/产品在较低温度下的寿命。
理论与技术:
阿伦尼乌斯方程是预测高分子材料寿命最常用的方法之一。该技术利用材料在控制条件下的加速热老化。失效时间和降解率研究是在高温下进行的，数据用于推断材料性能与环境条件的关系。阿伦尼乌斯推断认为化学降解过程是由反应速率k控制的，
k = A e^{-Ea/(RT)}或lnk= ln A + {-Ea/(RT)}———————————(1)
在E一个为阿伦尼乌斯活化能，R为通用气体常数(8.314 J/mol°K)， T为绝对温度，A为指数前因子。降解时间(1/k)与温度(1/T°k)的对数图预计会得到一条直线。沿这条线的线性插值可以用来预测较低温度下的特性。
为了能够成功地使用阿伦尼乌斯方程，加速测试必须在产品应用温度以上至少四个温度下进行。为了准确地估计降解率，重要的是使用材料的性能表现出足够的范围，以确保在加速老化过程中可靠和准确地确定性能。拉伸模量、撕裂强度、应力松弛模量等性能可以用来研究加速老化过程和降解率。
图1:材料在不同温度和时效时间下的抗拉强度
识别老化机制和评估这些机制对构件力学性能的依赖性是很重要的。为了成功地应用Arrhenius方程的寿命预测技术，必须系统地识别主要的退化过程，并进行适当的加速老化试验来复制退化过程。实验室老化样品的降解过程和失效需要与现场的成分相关联。加速老化温度需要适当地选择与现场降解率相关。一般来说，10年的测试时间相当于温升10℃
图2:显示退化时间和逆温度的阿伦尼乌斯图
主要假设:
在大多数涉及温度加速复制失效机制的应用中，降解过程可能涉及多个步骤，每个步骤都有自己的速率常数和活化能。假设这些现象可以用阿伦尼乌斯方程在整个温度范围内近似。假设化学降解过程在破坏机理中起主要作用，如果破坏是应力诱发的，则不能采用Arrhenius方程方法。该方法假设在实验室中引起的化学劣化与现场的使用寿命直接相关。
限制和好处:
使用加速老化和降解的Arrhenius外推法来预测使用寿命存在一定的局限性，许多报告表明温度对降解动力学的影响不能总是用Arrhenius方程来描述。然而，Arrhenius外推法具有简单易行、可重现性强、实用性强等特点，在大量的现场服务应用中被广泛应用于不同环境下聚合物的寿命预测。
结论:
各种方法可以用于确定工程应用中使用的弹性体组件的寿命。确定其失效模式和失效机制，并在现场服务条件和实验室测试样品之间建立验证和相关性是非常必要的。Arrhenius方法为工程应用中弹性体组件的使用寿命提供了一个可量化的测定方法。
引用:
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