近年來，人們以稀土氧化鈰填充硫化天然橡膠為研究對象，對其進(jìn)行了單軸拉伸、蠕變、疲勞等試驗研究，但是并沒有對這種材料的力學(xué)行為特別是蠕變行為和疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，因此，本文主要對氧化鈰填充硫化天然橡膠試件的蠕變行為和疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，主要包括以下內(nèi)容：
通過定應(yīng)力疲勞試驗，研究了不同應(yīng)力幅值對填充和未填充氧化鈰的硫化天然橡膠疲勞壽命的影響，并且考察了不同應(yīng)力幅值下橡膠試件的平均應(yīng)變變化趨勢。結(jié)果表明，兩種材料的疲勞壽命都隨著應(yīng)力幅值的增大而減小，材料的平均應(yīng)變在疲勞試驗過程中呈下降趨勢；并且在相同的應(yīng)力幅值下，添加氧化鈰的硫化天然橡膠材料的最大主應(yīng)變、疲勞壽命以及拉斷伸長率都大于未添加氧化鈰的。
結(jié)合疲勞試驗數(shù)據(jù)，首先利用 ANSYS 有限元分析軟件對氧化鈰填充硫化天然橡膠材料試件進(jìn)行疲勞分析，然后利用基于最大主應(yīng)變幅值損傷模型得到的 ε-N 疲勞方程對氧化鈰填充硫化天然橡膠材料試件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，對比兩種計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變幅值在100%以上時，ANSYS 計算的疲勞壽命相對準(zhǔn)確，應(yīng)變幅值在70%時，ANSYS 計算的疲勞壽命誤差較大，而ε-N 疲勞方程能較準(zhǔn)確的預(yù)測試件在各個應(yīng)變
幅值下的疲勞壽命。

結(jié)合蠕變試驗數(shù)據(jù)，首先運(yùn)用彈簧、Kelvin 串聯(lián)模型對試驗材料的蠕變行為的預(yù)測能力進(jìn)行了評估，然后基于一維三重積分非線性本構(gòu)關(guān)系，結(jié)合彈簧、Kelvin 串聯(lián)模型和蠕變試驗兩個階段非線性、線性響應(yīng)特性提出了新的蠕變本構(gòu)模型，預(yù)測結(jié)果表明，蠕變本構(gòu)方程能很好的預(yù)測氧化鈰填充硫化天然橡膠材料的蠕變行為，預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。
關(guān)鍵詞：氧化鈰；硫化天然橡膠；疲勞；蠕變預(yù)測；疲勞壽命預(yù)測

橡膠制品通常是在循環(huán)載荷的條件下使用的，而橡膠制品的使用壽命取決于橡膠
材料彈性體的性質(zhì)以及裂紋萌生和擴(kuò)展的速度。有關(guān)研究表明，稀土氧化鈰作為填充劑填充到硫化天然橡膠中顯著延長了其疲勞壽命[2]，因此為了增長橡膠制品的使用壽命，并且降低研究成本，縮短試驗周期，通過理論研究來正確預(yù)測稀土填充橡膠材料的疲勞壽命具有重要意義。另外，內(nèi)蒙古是主要的稀土產(chǎn)地之一，含有豐富的鈰資源，所以，通過研究稀土氧化鈰填充的硫化天然橡膠的蠕變行為及疲勞壽命的本構(gòu)行為更具有重要的意義 。

雖然現(xiàn)在合成橡膠產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了天然橡膠，但天然橡膠因其具有較好的耐屈撓性、耐寒性和絕緣性等特點(diǎn)仍被公認(rèn)為是綜合性能最好的通用橡膠 。

1.1.2.2 天然橡膠的化學(xué)性質(zhì)
天然橡膠是二烯烴類橡膠，因含有很多不飽和雙鍵，具有烯類有機(jī)物的反應(yīng)特性，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在各種化學(xué)反應(yīng)中，氧化裂解反應(yīng)和結(jié)構(gòu)化反應(yīng)兩種尤為重要，第一種是生膠塑煉加工的理論依據(jù)；第二種是生膠硫化加工制取硫化膠的理論基礎(chǔ)，而其它反應(yīng)大多應(yīng)用于改性天然橡膠方面。又因天然橡膠本身受溫度影響顯著，溫度過高時內(nèi)部結(jié)構(gòu)的黏化和龜裂，發(fā)生軟化，流動性大，所以天然橡膠的抗老化性能也比較弱。
天然橡膠除了上述的性能之外還有良好的耐腐蝕性、耐介質(zhì)性、氣密性、絕緣性、
電阻性等其他的優(yōu)良性能[4,5]。并且由于天然橡膠分子量大、分子質(zhì)量分布寬，分子鏈連接強(qiáng)度低，使其具有很好的加工工藝性能[6]，這樣可以彌補(bǔ)天然橡膠在某些性能上的一些缺陷。

橡膠增塑所添加的物質(zhì)叫軟化增塑劑，橡膠增塑的過程其實(shí)就是增塑劑溶液和橡膠溶液相互溶解過程，增塑后橡膠仍為固體，而增塑劑混合分散在了橡膠中。軟化增塑劑根據(jù)極性和用途的不同可分為軟化劑和增塑劑兩種：軟化劑是天然物質(zhì)，是通過改變橡膠分子間距的方式來改變分子間的作用力，降低其玻璃化溫度的，因此加入的軟化劑分子的體積的大小會影響橡膠的玻璃化溫度降低的量；增塑劑與軟化劑不同，它是合成物質(zhì)，是通過改變橡膠分子鏈上的極性基團(tuán)之間的相互作用力來降低了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度增強(qiáng)其可塑性的。需要指出的是在橡膠使用過程中，為了滿足不同的條件，相互彌補(bǔ)增塑劑本身的不足，很多情況下增塑劑都是混合使用的。

1.1.3.3 硫化體系
橡膠的硫化是使橡膠的大分子由原來的線性結(jié)構(gòu)經(jīng)過交聯(lián)變成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的
化學(xué)反應(yīng)過程，從而賦予橡膠各種優(yōu)越的物理性能，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[9]。硫磺是最早的用于天然橡膠進(jìn)行交聯(lián)的交聯(lián)劑，所以人們把橡膠的交聯(lián)過程也稱為硫化。隨著橡膠硫化工藝的日益成熟，現(xiàn)代橡膠硫化體系不僅僅是與硫磺的反應(yīng)，而是一個多元組分參加的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其它的配合劑主要包括與活化劑、促進(jìn)劑、防焦劑的反應(yīng)，反應(yīng)中橡膠與硫磺的反應(yīng)占主導(dǎo)地位，它是形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

1.1.3.4 補(bǔ)強(qiáng)填充體系
橡膠補(bǔ)強(qiáng)主要是往橡膠里邊填充填料，它能大幅提高橡膠產(chǎn)品的力學(xué)性能和賦予橡膠制品一些特殊性能，這種填料我們稱為補(bǔ)強(qiáng)填充劑，按其作用分為補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑兩種[8]。補(bǔ)強(qiáng)劑是指加入到橡膠中后，能提高橡膠力學(xué)性能，如：提高定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率等；填充劑是指加入到橡膠中后，主要是提高橡膠體積，降低制膠成本，而本身又不明顯影響橡膠本身的性能。補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑并無明顯的區(qū)分界線，很多填料既可以充當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)劑又可以作為填充劑。橡膠中最常用的補(bǔ)強(qiáng)填充劑就是炭黑，炭黑的粒徑、結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)等對硫化膠的性能有決定性的影響，但是提高硫化膠力學(xué)性能的同時也使橡膠在粘彈性變形中生熱、損耗模量、應(yīng)力軟化效應(yīng)提高。

1.1.3.5 防護(hù)體系
橡膠的老化是橡膠制品在加工、貯存和使用過程中，受到環(huán)境因素的影響使橡膠材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致橡膠制品外觀、物理性能、機(jī)械性能等性能指標(biāo)下降，最終喪失使用價值。常見的橡膠老化主要是受到熱、光、氧、臭氧、以及機(jī)械應(yīng)力等因素引起的，主要是熱氧老化、臭氧老化、疲勞老化和光氧老化四種，因此除了要盡量改變環(huán)境因素外，還要研究橡膠老化的不同原因，根據(jù)不同的老化機(jī)理來選擇不同的防護(hù)措施。例如：在橡膠中添加熱氧老化防護(hù)劑就是一些胺類、酚類和有機(jī)硫化物等通過防止橡膠自由基鏈?zhǔn)阶源呋趸磻?yīng)來抑制或延緩橡膠熱氧老化反應(yīng)的；在橡膠中添加抗臭氧劑或者采取一些物理措施來阻止橡膠于空氣中的臭氧接觸的方法來防止臭氧老化等等，以此來提高橡膠的抗老化能力，延長橡膠制品的使用壽命。
1.1.4 稀土填充對橡膠材料性能的影響
通過研究發(fā)現(xiàn)，稀土氧化物對聚合物的增韌增強(qiáng)有顯著效果，稀土氧化物填充到
橡膠之后，明顯改善了橡膠加工和使用性能，稀土填充到橡膠以后主要是通過作
為橡膠填料或者橡膠填料的表面改性劑來改善橡膠的力學(xué)性能、抗疲勞性能、耐磨性、熱穩(wěn)定性等性能的。目前對稀土用作橡膠填料的研究比較多，主要是因為稀土元素的原子結(jié)構(gòu)特殊，化學(xué)性質(zhì)比較活潑，被認(rèn)為是新能源、新材料，更被譽(yù)為"現(xiàn)代工業(yè)的維生素”。 近幾年研究發(fā)現(xiàn)稀土離子具有優(yōu)良的抗氧化能力，其空軌道可與游離基結(jié)合，從而終止鏈段反應(yīng)，抑制氧化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。
洪少穎通過對稀土化合物填充硫化天然橡膠的力學(xué)性能試驗得出稀土化合物對硫化天然橡膠有補(bǔ)強(qiáng)作用。隨后魏明勇、林新華等研究了一二丁基二硫代磷酸鑭的用量對硫化天然橡膠力學(xué)性能和耐老化性能的影響，結(jié)果表明添加以后老化性能和力學(xué)性能變好了，但是存在一個最佳配比值4mmol，此時橡膠材料各種性能最好。謝嬋研究了自制的十四種稀土配合物與天然橡膠混煉硫化后制得的復(fù)合橡膠的性能，著重分析了釤配合物和鑭配合物對天然硫化橡膠的性能的影響，結(jié)果表明，釤配合物和鑭配合物都可以提高硫化膠的防老效果，且優(yōu)于工業(yè)常用的防老劑4010NA。
田曉溪和張勇等制備了四種稀土（氧化鈰、氧化釤、氧化鏑、氧化銪）/XSBR 復(fù)合材料，通過對其硫化制備和力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，稀土的加入不僅可以加快硫化速度，還可以提高其硬度、拉伸強(qiáng)度彈性模量等力學(xué)性能，但是其拉斷伸長率降低了。李梅主要從微觀角度分析了稀土化合物粉體顆粒性能及顆粒的團(tuán)聚機(jī)理和控制方法，并且得到了不同粒徑的氧化物的制備方法，同時分析了氧化鈰在橡膠中的應(yīng)用，討論了氧化鈰的用量和粒徑對橡膠力學(xué)性能的影響，對鈰及其氧化物研究比較詳細(xì)系統(tǒng)。任艷軍、關(guān)長斌等[26,27]主要從稀土對橡膠的機(jī)械性能、耐磨性和耐油性三個方面進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)填充稀土后橡膠材料的力學(xué)性能有很大改善，但不是隨著稀土填充量的增加而越來越好，而是存在一個最佳值。
此外，稀土因其電子結(jié)構(gòu)的特殊性填充到橡膠以后還會具有一些特殊的功能，例如使橡膠材料發(fā)出熒光[28]、能夠*和吸收電磁波、具有磁性能等，這些特殊功能都是橡膠材料在未填充稀土前不具有的。