Pièces en caoutchouc sur mesure pour environnements extrêmes : Matériaux et considérations de conception |

Résumé : La performance des matériaux en caoutchouc est sévèrement mise à l'épreuve par des environnements extrêmes tels que des températures élevées, des températures basses, des hautes pressions, la corrosion et les radiations. Le choix du matériau et la conception structurelle sont cruciaux pour la fabrication de pièces en caoutchouc sur mesure destinées à être utilisées dans des environnements extrêmes. Cet article présente une analyse systématique de l'impact des environnements extrêmes sur les propriétés et la sélection des matériaux en caoutchouc couramment utilisés dans ces environnements extrêmes, fournit des considérations pertinentes pour la conception de pièces en caoutchouc sur mesure, dans l'espoir de fournir une orientation théorique et une référence pratique pour l'application de pièces en caoutchouc dans des environnements extrêmes.

Mots-clés : environnement extrême, produits en caoutchouc sur mesure, propriétés des matériaux, conception structurelle, fiabilité

Introduction

Excellent étanchéité, absorption des chocs, résistance à l'usure et résistance à la corrosion, de sorte que les pièces en caoutchouc sur mesure soient largement utilisées dans l'aérospatial, le pétrochimique, l'exploration en mer profonde, l'industrie nucléaire et d'autres domaines d'environnements extrêmes. Mais les facteurs environnementaux extrêmes affectent considérablement les performances des matériaux en caoutchouc de sorte que les pièces en caoutchouc subissent souvent une dégradation des performances et même des pannes. Ainsi, sélectionner un matériau en caoutchouc approprié et mettre en œuvre une conception structurale solide est la solution pour faire fonctionner les pièces en caoutchouc sur mesure en toute sécurité et fiabilité dans des environnements extrêmes.

Collecter des données sur les propriétés du matériau en caoutchouc provenant d'un environnement biosécurisé

L'effet d'un environnement extrême sur les performances des matériaux en caoutchouc est multiforme et complexe, incluant principalement les aspects suivants :

Haute température de chaleur : l'érosion secondaire du caoutchouc due à la haute température accélère le processus de vieillissement des matériaux en caoutchouc, ce qui provoquera une augmentation de la dureté, une diminution de la résistance à la traction, une diminution de l'allongement à la rupture, et même une décomposition thermique entraînant une déformation permanente. D'autre part, la haute température peut détériorer les performances en compression et l'usure des matériaux en caoutchouc.

Cela signifie un environnement de très basse température : La basse température fait passer le matériau en caoutchouc par sa transition vitreuse, perdant son élasticité, devenant fragile et dur, et la résistance à l'impact diminue brusquement. Une température excessivement basse peut faire rétrécir les pièces en caoutchouc, et cela affectera également les performances de jointoiement, voire entraînera un dysfonctionnement.

Sous l'action de la pression, les matériaux en caoutchouc peuvent subir une compression de volume, un fluage et une relaxation de contrainte, etc. À l'extrémité supérieure de la pression, les joints peuvent échouer — pour les joints. De plus, le champ de haute pression est souvent accompagné d'un changement de température, ce qui compliquera également le changement de performance des matériaux en caoutchouc.

Enflure et fissuration des matériaux en caoutchouc ou dissolution, décomposition, entraînant une réduction des propriétés mécaniques et une réduction de la durée de vie. FX : Les performances des différents matériaux en caoutchouc contre les milieux corrosifs varient considérablement.

Environnement de rayonnement : Les rayons à haute énergie (rayons gamma, rayons X, etc.) sont irradiés pour casser, créer des ponts croisés et oxyder les chaînes moléculaires de caoutchouc, modifier la structure chimique et les propriétés physiques des matériaux en caoutchouc, et augmenter sa dureté, augmenter la fragilité, et diminuer la résistance.

Matériaux en caoutchouc utilisés dans un environnement extrême.

Il est également important d'utiliser des matériaux en caoutchouc avec une tolérance correspondante aux différents environnements extrêmes. Ci-dessous se trouve une liste de quelques-uns des matériaux en caoutchouc les plus standards utilisés pour les environnements extrêmes :

Caoutchouc fluoré (FKM) : sélectionnez la résistance à haute température, la résistance aux huiles, la résistance à la corrosion chimique de l'élastomère, peut être utilisé dans un environnement à haute température acide et alcalin et une variété de solvants organiques pendant une longue période. Il est fréquemment utilisé pour produire des joints, des tubes / pièces résistants à la chaleur, etc. Mais la résistance au froid du caoutchouc fluoré n'est pas bonne.

Caoutchouc de silicium (VMQ) : le caoutchouc de silicium possède une excellente résistance aux hautes et basses températures, une isolation électrique et une résistance à l'oxydation, il peut encore maintenir une bonne élasticité dans la plage de température de 60 °C à 200 °C. Utilisé pour fabriquer des gaines de câbles à haute température, des joints à basse température, etc. Cependant, la résistance mécanique du caoutchouc de silicium n'est pas élevée, et la résistance à l'usure n'est pas bonne.

Caoutchouc de butadiène acrylonitrile hydrogéné (HNBR) : Le caoutchouc de butadiène acrylonitrile hydrogéné est hydrogéné à partir du caoutchouc de butadiène acrylonitrile, sa résistance à la chaleur, aux huiles et à l'ozone est grandement améliorée. Il est applicable à la fabrication de joints de moteur automobile, d'équipements de forage pétrolier, etc.

Caoutchouc d'éthylène-propylène (EPDM) : Le caoutchouc d'éthylène-propylène possède une bonne résistance à l'ozone, aux intempéries, à l'eau et à la corrosion chimique, et peut être fabriqué en produits caoutchoutés pour usage extérieur. Mais il n'est pas résistant aux huiles et à certains solvants.

Caoutchouc perfluoré (FFKM) : L'un des matériaux de caoutchouc les plus excellents, avec une résistance extrême à haute température, à la corrosion chimique et à la résistance aux solvants, pouvant être utilisé dans un environnement extrêmement difficile pendant une longue période. Son prix est élevé, et il est approprié dans une situation où la fiabilité est nécessaire.

Sur mesure des composants en caoutchouc dans les applications difficiles : Aspects critiques de la conception

Outre la sélection du matériau caoutchouc, une structure raisonnable doit être conçue pour garantir que les pièces en caoutchouc puissent fonctionner de manière fiable dans un tel environnement. Certaines considérations de conception à garder à l'esprit :

Différence des coordonnées de la courbe : Garantir la précision des coordonnées de support et des coordonnées de rayon de courbure, éviter la concentration de contraintes sur de grandes surfaces des pièces en caoutchouc, et utiliser une transition avec des coins arrondis pour minimiser la concentration de contraintes locales et améliorer le coefficient de durée de vie en fatigue des pièces en caoutchouc d'armes.

Le domaine de déformation est contrôlé : Conception rationnelle de la forme et de la taille des pièces en caoutchouc, contrôler la plage de déformation lors du processus de travail, éviter l'allongement ou la compression excessive, et prolonger la durée de vie.

2 Optimiser la structure d'étanchéité : selon les différentes applications d'étanchéité, il convient d'adopter la bonne structure d'étanchéité, comme les joints toriques, les joints en Y, les joints rectangulaires, etc., afin de garantir la fiabilité des performances d'étanchéité. Il faut cependant prendre en compte l'effet du changement de température sur la dimension du joint.<br>

Dans le processus de conception du milieu caoutchouteux, il est nécessaire de prendre pleinement en considération la compatibilité du caoutchouc avec le milieu de contact pour éviter l'enflure, la fissuration ou la phosphorescence du matériau, et choisir la surface de contact appropriée et le mode de contact.<br>

Effectuer une analyse par éléments finis (AEF) : à l'aide d'un logiciel de simulation par éléments finis, simuler la distribution des contraintes et des déformations du caoutchouc/pièces dans un environnement extrême, les ingénieurs David aident à optimiser la conception structurelle et à améliorer la fiabilité du produit.

Vérification suffisante des tests : Une vérification suffisante des tests doit être effectuée avant l'application pratique, y compris les tests à haute température, basse température, corrosion, vieillissement et autres, afin de vérifier que les pièces en caoutchouc peuvent satisfaire aux exigences de conception et de fiabilité.<br>

Conclusion

Les demandes de personnalisation exigent que la performance d'une pièce en caoutchouc puisse résister dans des environnements extrêmes. Il est essentiel pour garantir le fonctionnement sûr et fiable des pièces en caoutchouc dans un environnement extrême en sélectionnant des matériaux de caoutchouc appropriés et en réalisant une conception structurale raisonnable. À l'avenir, il y aura de plus en plus de nouveaux matériaux émergents et d'améliorations des méthodes de conception, les pièces de caoutchouc personnalisées pour les environnements extrêmes seront appliquées dans de plus en plus de domaines. En même temps, il est nécessaire d'étudier davantage le mécanisme de vieillissement et le mode de défaillance des matériaux de caoutchouc dans un environnement extrême, afin de fournir une orientation théorique pour la conception et l'application des pièces en caoutchouc.