何　燕　馬連湘　崔　琪　(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266061)

作者簡(jiǎn)介:何　燕(1973-),女,青島科技大學(xué)講師,博士,工程熱物理專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事輪胎溫度場(chǎng)研究及材料熱物性分析。

熱擴(kuò)散系數(shù)是表征材料傳播溫度變化能力的重要物理參數(shù),它與材料的內(nèi)部組成密切相關(guān)。炭黑是輪胎膠料中的主要補(bǔ)強(qiáng)劑,其在配方中所占份數(shù)的多少,直接關(guān)系到膠料的各種性能[1-3],但炭黑用量對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)影響規(guī)律的研究卻極少看到。

本文探討了N115炭黑用量及溫度對(duì)輪胎胎面膠熱擴(kuò)散系數(shù)的影響,整合出經(jīng)驗(yàn)公式,為膠料的配方設(shè)計(jì)及輪胎溫度場(chǎng)的分析研究提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　基本配方

SBR1502　20,SBR1712　60,BR9000　20,芳烴油　38.5,氧化鋅　2.2,防老劑　5.5,硬脂酸　1.7,石蠟　2,N115炭黑　變量(以上均為質(zhì)量份)。

1.2　膠料制備

首先采用S(X)160A型雙輥筒開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行混煉;然后,把得到的混煉膠置入HS-100T-FTMO-2RT型平板硫化機(jī)中進(jìn)行硫化,硫化條件為160°C×15 min;硫化膠用刀具切割成圓形試樣,以便進(jìn)行熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試。

1.3　測(cè)試條件

試樣直徑12.7 mm,厚度2 mm,測(cè)試溫度范圍30°C~140°C,冷卻介質(zhì)為液氮。

1.4　測(cè)試儀器

熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試是在我校從國(guó)外進(jìn)口的一臺(tái)LFA447型激光導(dǎo)熱儀[4]上進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。此設(shè)備完全由計(jì)算機(jī)控制。工作時(shí),首先用作為加熱源的氙燈,發(fā)射一束短的脈沖照射,打在小的試樣的下表面,然后,使用紅外探測(cè)器記錄試樣上表面相應(yīng)的溫度升高情況,并在初始狀態(tài)下,將溫度探測(cè)器的信號(hào)放大并對(duì)其進(jìn)行校正,反映出通過(guò)激光照射導(dǎo)致的試樣的溫度變化情況。膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)通過(guò)下式,由計(jì)算機(jī)計(jì)算得到:

a= 0.1388d2/t50(1)式中:a—熱擴(kuò)散系數(shù);d—試樣厚度;t50—溫度升高到峰值的一半時(shí)所需要的時(shí)間。

2　結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精確性,選用德國(guó)耐馳公司提供的高溫玻璃標(biāo)樣進(jìn)行校核實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

從表1可以看出,將在四種不同溫度下測(cè)得的高溫玻璃標(biāo)樣的熱擴(kuò)散系數(shù)與德國(guó)耐馳公司提供的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),四種不同溫度下熱擴(kuò)散系數(shù)的相對(duì)誤差均在3%以?xún)?nèi),這說(shuō)明,此方法可滿(mǎn)足一般的分析要求,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的。

為了保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性,每種膠料準(zhǔn)備兩個(gè)試樣,同時(shí)放入儀器的兩個(gè)測(cè)試孔中進(jìn)行測(cè)量,并且在儀器的測(cè)量軟件中設(shè)置激光脈沖,在同一溫度下,對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行3次打點(diǎn),這樣,就得到同一溫度值下試樣的6個(gè)熱擴(kuò)散系數(shù)值,取其重復(fù)性較好的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到熱擴(kuò)散系數(shù)。

圖2列出的是在實(shí)驗(yàn)溫度下,N115炭黑用量及溫度與熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化的相互關(guān)系。從圖中可以看出,每種膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高,均呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)。同一溫度下,隨著炭黑用量的增加,膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

用最小二乘法對(duì)圖2中所列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,發(fā)現(xiàn)各種膠料的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化情況,基本符合如下線(xiàn)性關(guān)系式:

a=A+Bt(2)

式中:a—熱擴(kuò)散系數(shù);A,B—系數(shù);t—攝氏溫度。其回歸結(jié)果列于表2。從表2可以看出,5種試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度線(xiàn)性變化的相關(guān)系數(shù)均在-0.99以上,這說(shuō)明,按照式(2)描述的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化情況均很好。

圖3和圖4分別列出了公式(2)中系數(shù)A、B與N115炭黑質(zhì)量份數(shù)的關(guān)系。從圖3和圖4可以看出,隨著質(zhì)量份數(shù)的增加,系數(shù)A逐漸增大,而系數(shù)B的絕對(duì)值也逐漸增大,這說(shuō)明,隨N115炭黑質(zhì)量份數(shù)的逐漸增加,公式(2)所對(duì)應(yīng)的直線(xiàn)的截距逐漸增加,斜率也逐漸增大。我們分別對(duì)圖3和圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析,得出如下兩方程式:

把公式(3)、(4)代入公式(2)中,得a= 0.10529-2.36391×10-4t+0.00105X-2.8917×10-7Xt(5)

式(5)中既包含了溫度,又包含了N115炭黑的質(zhì)量份數(shù),因此,利用此式可計(jì)算文中所列膠料在測(cè)試溫度和N115炭黑用量范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)。

把由公式(5)計(jì)算得到的熱擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)60個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均相對(duì)百分誤差為0.23%,最大相對(duì)誤差為0.56%,其精度完全能滿(mǎn)足工程計(jì)算的要求。

3　結(jié)論

(1)測(cè)試了N115炭黑用量不同的5種輪胎胎面膠在溫度30°C~140°C范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散系數(shù)。

(2)以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度和N115炭黑填充量變化的情況,發(fā)現(xiàn)5種膠料熱擴(kuò)散系數(shù)均隨著溫度的升高而呈線(xiàn)性減小,隨N115炭黑用量的增加呈增大的趨勢(shì)。

(3)找到了一個(gè)適合在不同溫度和不同N115炭黑填充質(zhì)量份數(shù)情況下,計(jì)算熱擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)聯(lián)方程,把其計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)平均相對(duì)百分誤差僅為0.23%,結(jié)果令人滿(mǎn)意。

參考文獻(xiàn):

[1]　Nakajima N, Bowerman HH, Collins E A. Nonlinearviscoelastic behavior of butadiene-acrylonitrilecopolymers filled with carbon black [ J]. RubberChemistry and Technology, 1978, 51(2):322-334.

[2]　Meinecke E. Effect of Carbon Black Loading andCrosslink density on the Heat Build-up in Elastomers[J]. Rubber Chemistry andTechnology, 1991,64(2):269-284.

[3]　危銀濤,楊挺青,馬六成等.炭黑填充橡膠復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和生熱預(yù)報(bào)[J].橡膠工業(yè),2000,47(2):67-　.

[4]　德國(guó)耐馳公司.LFA447導(dǎo)熱儀使用手冊(cè).德國(guó)耐馳公司