Các bộ phận cao su tùy chỉnh cho môi trường khắc nghiệt: Các yếu tố về vật liệu và thiết kế |

Tóm tắt: Hiệu suất của các vật liệu cao su bị thách thức nghiêm trọng bởi các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, áp suất cao, ăn mòn và bức xạ. Việc lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu trúc là rất quan trọng trong việc sản xuất các bộ phận cao su tùy chỉnh để sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt. Bài viết này trình bày phân tích hệ thống về cách các tính chất bị ảnh hưởng do môi trường khắc nghiệt và việc lựa chọn các vật liệu cao su thường được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt, cung cấp các yếu tố liên quan cho thiết kế để tạo ra các bộ phận cao su tùy chỉnh, hy vọng cung cấp hướng dẫn lý thuyết và tham khảo thực tiễn cho việc ứng dụng các bộ phận cao su trong các môi trường khắc nghiệt.

Từ khóa: môi trường khắc nghiệt, sản phẩm cao su tùy chỉnh, tính chất vật liệu, thiết kế cấu trúc, độ tin cậy

Giới thiệu

Đóng kín tuyệt vời, khả năng hấp thụ sốc, chống mài mòn và chống ăn mòn, khiến cho các bộ phận cao su tùy chỉnh được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, hóa dầu, thám hiểm đại dương sâu, ngành công nghiệp hạt nhân và các lĩnh vực môi trường cực đoan khác. Nhưng các yếu tố môi trường cực đoan ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của vật liệu cao su khiến cho các bộ phận cao su thường bị suy giảm hiệu suất và thậm chí là hỏng hóc. Vì vậy, việc chọn một vật liệu cao su phù hợp và thực hiện một thiết kế cấu trúc hợp lý là giải pháp để làm cho các bộ phận cao su tùy chỉnh hoạt động an toàn và đáng tin cậy trong các môi trường cực đoan.

Thu thập dữ liệu về các tính chất của vật liệu cao su từ một môi trường an toàn sinh học

Ảnh hưởng của môi trường cực đoan đến hiệu suất của vật liệu cao su là đa cấp và phức tạp, chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:

Nhiệt độ cao: sự xói mòn thứ cấp của cao su do nhiệt độ cao làm tăng tốc độ lão hóa của các vật liệu cao su, điều này sẽ khiến độ cứng tăng lên, độ bền kéo giảm xuống, độ giãn dài khi đứt giảm xuống, và thậm chí phân hủy nhiệt dẫn đến biến dạng vĩnh viễn. Mặt khác, nhiệt độ cao có thể làm suy giảm hiệu suất nén và khả năng chống mài mòn của các vật liệu cao su.

Điều này có nghĩa là môi trường nhiệt độ rất thấp: Nhiệt độ thấp khiến vật liệu cao su chuyển sang trạng thái thủy tinh, mất tính đàn hồi, trở nên giòn và cứng, và độ bền va đập giảm mạnh. Nhiệt độ quá thấp có thể khiến các bộ phận cao su co lại, và nó cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất niêm phong, thậm chí dẫn đến hỏng hóc.

Dưới tác động của áp suất, các vật liệu cao su có thể xảy ra nén thể tích, chảy và thư giãn ứng suất, v.v. Ở đầu trên của áp suất, các gioăng có thể bị hỏng — đối với các gioăng. Hơn nữa, lĩnh vực áp suất cao thường đi kèm với sự thay đổi nhiệt độ, điều này cũng sẽ làm phức tạp sự thay đổi hiệu suất của các vật liệu cao su.

Sự phồng lên và nứt của các vật liệu cao su hoặc sự hòa tan, phân hủy, dẫn đến giảm tính chất cơ học và rút ngắn tuổi thọ. FX: Hiệu suất của các vật liệu cao su khác nhau đối với môi trường ăn mòn rất khác nhau.

Môi trường bức xạ: Các tia năng lượng cao (tia gamma, tia X, v.v.) được chiếu xạ để phá vỡ, liên kết chéo và oxy hóa các chuỗi phân tử cao su, thay đổi cấu trúc hóa học và tính chất vật lý của các vật liệu cao su, và tăng độ cứng, tăng độ giòn, và giảm sức mạnh.

Các vật liệu cao su được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Cũng quan trọng để sử dụng các vật liệu cao su có độ dung sai tương ứng với các môi trường cực đoan khác nhau. Dưới đây là danh sách một vài vật liệu cao su tiêu chuẩn nhất được sử dụng cho các môi trường cực đoan:

Cao su fluor (FKM): chọn khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống dầu, khả năng chống ăn mòn hóa học của elastomer, có thể được sử dụng trong môi trường axit kiềm nhiệt độ cao và nhiều dung môi hữu cơ trong thời gian dài. Nó thường được sử dụng để sản xuất các con dấu, ống / bộ phận chịu nhiệt, v.v. Nhưng khả năng chịu nhiệt độ thấp của cao su fluor không tốt.

Cao su silicone (VMQ): Cao su silicone có khả năng chịu nhiệt độ cao và thấp xuất sắc, cách điện và khả năng chống oxi hóa, vẫn có thể duy trì độ đàn hồi tốt trong khoảng nhiệt độ từ 60 ° C đến 200 ° C. Đã từng được sử dụng để sản xuất vỏ cáp chịu nhiệt, con dấu chịu nhiệt độ thấp, v.v. Nhưng, độ bền cơ học của cao su silicone không cao, và khả năng chống mài mòn không tốt.

Cao su nitrile butadiene hydro hóa (HNBR): Cao su nitrile butadiene hydro hóa được hydro hóa dựa trên cao su nitrile butadiene, khả năng chịu nhiệt, khả năng chống dầu và khả năng chống ozone của nó được cải thiện đáng kể. Áp dụng để sản xuất các con dấu động cơ ô tô, thiết bị khoan dầu, v.v.

Cao su ethylene propylene (EPDM): Cao su ethylene propylene có khả năng chống ozone tốt, khả năng chống thời tiết, khả năng chống nước và khả năng chống ăn mòn hóa học, và có thể được làm thành các sản phẩm cao su ngoài trời. Nhưng nó không chịu được dầu và một số dung môi.

Cao su perflurane (FFKM): Một trong những vật liệu cao su xuất sắc nhất, với khả năng chịu nhiệt độ cực cao, khả năng chống ăn mòn hóa học và khả năng chống dung môi, có thể được sử dụng trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt trong thời gian dài. Giá của nó đắt, và nó phù hợp cho những tình huống cần độ tin cậy.

Cắt các thành phần cao su trong các ứng dụng thách thức: Các khía cạnh thiết kế quan trọng

Ngoài việc lựa chọn vật liệu cao su, một cấu trúc hợp lý phải được thiết kế để đảm bảo các bộ phận cao su có thể hoạt động đáng tin cậy trong môi trường như vậy. Một số yếu tố thiết kế cần lưu ý:

Tọa độ đường khác biệt: Đảm bảo độ chính xác của tọa độ hỗ trợ và tọa độ bán kính cong, tránh tập trung ứng suất trong các khu vực lớn của các bộ phận cao su, và sử dụng chuyển tiếp góc tròn để giảm thiểu tập trung ứng suất cục bộ và cải thiện hệ số tuổi thọ mỏi của các bộ phận cao su vũ khí.

Phạm vi biến dạng được kiểm soát: Thiết kế hợp lý hình dạng và kích thước của các bộ phận cao su, kiểm soát phạm vi biến dạng trong quá trình làm việc, tránh kéo dài hoặc nén quá mức, và kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Tối ưu hóa cấu trúc niêm phong: theo các ứng dụng niêm phong khác nhau, cần có cấu trúc niêm phong phù hợp, chẳng hạn như O-ring, Y-ring, vòng chữ nhật, v.v., để đảm bảo độ tin cậy của hiệu suất niêm phong. Tuy nhiên, cần xem xét tác động của sự thay đổi nhiệt độ đến kích thước của con dấu.

Trong quá trình thiết kế môi trường cao su, cần phải xem xét đầy đủ tính tương thích của cao su với môi trường tiếp xúc để tránh tình trạng sưng, nứt hoặc phốt pho của vật liệu, và chọn khu vực tiếp xúc và phương thức tiếp xúc phù hợp.

Thực hiện FEA: Với phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn, mô phỏng phân bố ứng suất và biến dạng của cao su/thành phần trong môi trường cực đoan, các kỹ sư David giúp tối ưu hóa thiết kế cấu trúc và cải thiện độ tin cậy của sản phẩm.

Kiểm tra xác minh đủ: Kiểm tra xác minh đủ sẽ được thực hiện trước khi ứng dụng thực tế, bao gồm nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, ăn mòn, lão hóa và các thử nghiệm khác, để xác minh rằng các bộ phận cao su có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế và độ tin cậy.

Phần kết luận

Nhu cầu tùy chỉnh yêu cầu hiệu suất của một bộ phận cao su có thể chịu đựng trong các môi trường khắc nghiệt. Đây là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy của các bộ phận cao su trong môi trường khắc nghiệt bằng cách chọn vật liệu cao su phù hợp và thực hiện thiết kế cấu trúc hợp lý. Trong tương lai, sẽ có ngày càng nhiều vật liệu mới xuất hiện và các phương pháp thiết kế được cải tiến, các bộ phận cao su tùy chỉnh cho môi trường khắc nghiệt sẽ được áp dụng vào nhiều lĩnh vực hơn. Đồng thời, cần nghiên cứu thêm về cơ chế lão hóa và chế độ hỏng hóc của vật liệu cao su trong môi trường khắc nghiệt, nhằm cung cấp hướng dẫn lý thuyết cho thiết kế và ứng dụng của các bộ phận cao su.