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抗压缩永久变形和应力松弛

压缩永久变形和应力松弛是与客户就 金城顺 提供的材料的不同应用进行对话时出现的两个术语。这些术语是指弹性材料中发生的压缩现象。虽然两者之间存在相关性,但了解每种现象及其与材料性能的关系非常重要。

压缩永久变形/压缩永久变形阻力

压缩永久变形是衡量材料在力移除后保持压缩变形的趋势。该测量是根据位移或应变进行的——像BISCO® HT-800这样的有机硅泡沫的压缩永久变形百分比为 2.4。简单来说,这意味着 HT-800 倾向于恢复 97.6% 的压缩距离。很容易将压缩永久变形与保留应力的测量混淆——这是不正确的。压缩永久变形仅是指移除压缩力后保持的位移量,也称为应变。压缩时保留在材料中的应力量是一种完全不同的现象,称为应力松弛。

在评估材料时,不要仅依赖数据表中的压缩永久变形值,这一点很重要。弹性体数据表上列出的压缩永久变形值反映了ASTM 标准的结果,该标准规定了相当极端的条件。材料数据表上的压缩永久变形数据对于材料之间的比较最有用——数据手册的值非常适合识别比其他材料更能抵抗压缩永久变形的材料,但在实际应用中,温度、压缩变形、流体接触、和形状因素都对压缩永久变形有贡献。

应力松弛

应力松弛通常与压缩永久变形混合在一起。压缩永久变形测量的是在去除压缩力后保留的应变,但应力松弛测量的是当应变保持恒定时随时间保留的应力。为了简化这一点,让我们来看看如何测量它:使用可以测量“反推”力的机器将 3 种不同的材料压缩到其标称厚度的 50%。材料在这种状态下保持数小时,并不断测量反推力。随着时间的推移,所有弹性材料都会失去反推力——这就是所谓的应力松弛。下面提供了这种确切情况的图表。

结论——为什么选择硅胶?

硅胶在许多应用中是一种出色的密封解决方案;一些众所周知的好处是它的耐高低温性、耐化学性和长期性能。这不是有机硅的唯一优势——在抗压缩永久变形和应力松弛方面,有机硅弹性体的性能也优于其他材料。

对于压缩永久变形,大多数硅胶泡沫和硅胶海绵数据表列出了前面提到的 ASTM 标准的压缩永久变形值。查看一些硅胶海绵和硅胶泡沫数据表——压缩永久变形值可低至 2%。同样,这些值是在极端条件下测试的——大多数应用在实际使用中会看到更少的压缩变形。EPDM 和氯丁橡胶等非有机硅弹性体经历了更加剧烈的变形——即使将一小块样品拿在手中并用活页夹压缩也可以证明这些材料无法“反弹”到其原始厚度。

此外,有机硅的耐高温性使其在高温下具有明显更好的抗压缩永久变形性。一些非有机硅弹性体在室温下可以表现出可接受的压缩永久变形,但是一旦温度升高到 140°F 及以上,这些产品通常具有极差的压缩永久变形阻力。从这个意义上说,有机硅几乎是孤立无援的:大多数弹性体在高温下都无法生存,更不用说具有理想的机械性能了。在同样的高温下,有机硅仍然表现出卓越的机械性能,使其成为如此有效的材料选择。

对于应力松弛,请仔细查看下图。

很明显,随着时间的推移,所有 3 种材料都会失去反推力——对于硅胶来说,它比氯丁橡胶发生得更快一些。然而,仅仅几个小时后,有机硅材料就达到了“稳定状态”的反推力,而非有机硅材料继续放松。这有助于理解为什么硅胶是一种如此出色的长期密封材料——在固定应变下(即组装在成品中的两个配合外壳之间作为防尘密封件)硅胶会继续“推回”。这是密封中的一个关键机制——在密封界面,如果垫圈无法产生适当的推回,则外来不需要的流体和物体可能会侵入。

总之,了解压缩永久变形和应力松弛可以帮助设计师和工程师为特定应用选择合适的材料,还可以深入了解为什么像硅胶这样的材料是一种优越的长期密封选择。

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