壓縮變形試驗(yàn)：材料彈性與耐久性的關(guān)鍵評估

摘要：
壓縮變形試驗(yàn)是評價材料（特別是聚合物、橡膠、泡沫、密封件、緩沖墊層等）在持續(xù)壓縮載荷作用下抵抗永久形變能力的重要方法。其結(jié)果對于預(yù)測材料在長期服役條件下的尺寸穩(wěn)定性、密封性能和緩沖效果至關(guān)重要。本報告詳細(xì)闡述了試驗(yàn)原理、標(biāo)準(zhǔn)方法、操作步驟、數(shù)據(jù)分析及其工程應(yīng)用。

(一) 試驗(yàn)核心原理

該試驗(yàn)?zāi)M材料在實(shí)際應(yīng)用中承受恒定壓縮應(yīng)力的工況。基本原理為：

1. 施加載荷： 將標(biāo)準(zhǔn)試樣置于專用夾具中，施加預(yù)設(shè)的恒定壓力或使其產(chǎn)生預(yù)設(shè)的壓縮變形量。
2. 恒定條件： 在規(guī)定的溫度環(huán)境（常溫或高溫）下，保持壓縮狀態(tài)一段特定的時間。
3. 卸載恢復(fù)： 移除載荷，將試樣在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下（通常指標(biāo)準(zhǔn)溫濕度）靜置一段時間，使其恢復(fù)。
4. 測量變形： 精確測量試樣最終的厚度（或高度），并將其與初始厚度進(jìn)行比較。

(二) 試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

最廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)是 ASTM D395《Standard Test Methods for Rubber Property—Compression Set》 (橡膠性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法——壓縮形變)。該方法包含兩種類型：

• 方法 B：恒定壓縮變形法

  • 原理：將試樣壓縮至預(yù)設(shè)的變形量（通常為原始厚度的25%）。
  • 計算：關(guān)注試樣卸載恢復(fù)后的永久變形量占預(yù)設(shè)壓縮變形量的百分比。

• 方法 B：恒定壓縮力法

  • 原理：對試樣施加恒定的壓縮力（應(yīng)力）。
  • 計算：關(guān)注試樣卸載恢復(fù)后的永久變形量占原始厚度的百分比。

其他相關(guān)國際/國家標(biāo)準(zhǔn)包括 ISO 815 (橡膠、硫化或熱塑性)，以及針對特定材料如泡沫塑料的標(biāo)準(zhǔn)（如 ASTM D3574）。

(三) 必備試驗(yàn)設(shè)備

1. 壓縮夾具： 需由平行、光滑、堅硬的平板（如鋼板）組成，確保施加的壓力均勻分布。通常配有調(diào)節(jié)螺栓或墊片以精確控制壓縮量。
2. 加載裝置： 用于施加精確的力（恒定壓縮力法）或?qū)崿F(xiàn)精確的位移（恒定壓縮變形法）。
3. 恒溫箱： 能在設(shè)定溫度（如70°C, 100°C, 125°C等）下長時間保持穩(wěn)定的高溫環(huán)境，這是加速試驗(yàn)的關(guān)鍵。
4. 厚度測量儀： 高精度測厚儀（如螺旋測微計、數(shù)字測厚規(guī)），精度通常要求達(dá)到0.01 mm或更高。
5. 計時器： 精確控制壓縮時間和恢復(fù)時間。

(四) 詳細(xì)試驗(yàn)步驟

1. 試樣制備：

   • 根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)裁切或模壓標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣（常見為圓柱體或方柱體）。測量并記錄每個試樣的初始厚度(h0)，精確到規(guī)定精度。
   • 試樣應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下調(diào)節(jié)足夠時間（通常23±2°C, 50±5% RH下不少于24小時）。

2. 設(shè)定試驗(yàn)條件：

   • 選擇試驗(yàn)方法（恒定變形量或恒定壓縮力）。
   • 設(shè)定壓縮量（如原始厚度的25%）或壓縮力（如指定應(yīng)力值）。
   • 設(shè)定試驗(yàn)溫度（T）和壓縮保持時間（t1，如24小時、72小時、168小時等）。
   • 設(shè)定卸載后的標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)時間（t2，通常為30分鐘或更長時間）。

3. 施加壓縮：

   • 將試樣置于夾具平板中間。
   • 恒定變形量法： 擰緊夾具或使用限位器，使試樣被精確壓縮至預(yù)定變形量。
   • 恒定壓縮力法： 通過加載裝置施加預(yù)設(shè)的恒定壓縮力。
   • 將組裝好的夾具（含壓縮試樣）放入恒溫箱中，開始計時。

4. 高溫壓縮保持：

   • 在設(shè)定的溫度(T)下，保持壓縮狀態(tài)規(guī)定的時間(t1)。

5. 卸載與恢復(fù)：

   • 迅速（通常規(guī)定在30秒內(nèi)）將夾具從恒溫箱中取出。
   • 恒定變形量法： 立即松開夾具，取出試樣。
   • 恒定壓縮力法： 立即卸載壓力，取出試樣。
   • 將試樣放置于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的平面上恢復(fù)規(guī)定的時間(t2)。避免試樣受到任何外力或約束。

6. 最終厚度測量：

   • 恢復(fù)時間結(jié)束后，立即測量并記錄每個試樣的最終厚度(hf)。測量點(diǎn)應(yīng)與初始測量點(diǎn)位置一致。

(五) 關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理與分析

1. 計算壓縮變形率：

   • 恒定變形量法 (ASTM D395 方法 B)：
     壓縮變形率 (%) = [(h0 - hf) / (h0 - hs)] * 100
     • h0: 初始厚度
     • hf: 最終恢復(fù)后厚度
     • hs: 試樣在壓縮狀態(tài)下的高度（即 h0 - 預(yù)設(shè)壓縮變形量）。例如，壓縮25%，hs = h0 * 0.75。
   • 恒定壓縮力法 (ASTM D395 方法 B)：
     壓縮變形率 (%) = [(h0 - hf) / h0] * 100
     • h0: 初始厚度
     • hf: 最終恢復(fù)后厚度

2. 結(jié)果報告：

   • 報告平均值（通常測量3個試樣）、單個值及標(biāo)準(zhǔn)差。
   • 清晰注明所用試驗(yàn)方法類型（恒定變形量或恒定壓縮力）。
   • 報告所有試驗(yàn)條件：溫度(T)、壓縮保持時間(t1)、恢復(fù)時間(t2)、壓縮量或壓縮力。
   • 報告壓縮變形率數(shù)值（%）。

3. 結(jié)果解讀：

   • 數(shù)值越低越好： 壓縮變形率越低，表明材料在壓縮應(yīng)力移除后恢復(fù)其原始形狀的能力越強(qiáng)，彈性恢復(fù)性能越好，抵抗永久變形的能力越優(yōu)異。
   • 材料性能指標(biāo)： 該指標(biāo)直接反映材料的彈性持久性、應(yīng)力松弛程度（蠕變）以及在高分子鏈結(jié)構(gòu)方面的穩(wěn)定性（如交聯(lián)密度、結(jié)晶度的影響）。高分子鏈的流動性和滑移會導(dǎo)致不可逆的塑性變形。
   • 高溫影響： 高溫會顯著加劇分子鏈的運(yùn)動，通常導(dǎo)致更高的壓縮變形率，這對評估材料在溫?zé)岘h(huán)境下的長期性能尤為重要。

(六) 重要工程應(yīng)用價值

1. 密封件評估： 預(yù)測墊圈、O形圈在各種溫度和壓力下長期使用后是否能保持良好的密封接觸壓力，防止泄漏。低壓縮變形率對密封可靠性至關(guān)重要。
2. 減震與緩沖材料篩選： 評估隔振墊、減震塊、鞋底中底等材料在長期負(fù)載下維持其緩沖性能和厚度尺寸的能力，避免因過度壓縮導(dǎo)致功能失效。
3. 泡沫材料性能表征： 判斷坐墊、包裝泡沫、隔熱層等泡沫塑料制品在長期受壓后能否恢復(fù)原狀，保持舒適性、保護(hù)性或保溫性能。
4. 產(chǎn)品質(zhì)量控制與研發(fā)： 作為關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控原材料批次一致性；對比不同配方、硫化/固化工藝或老化條件對材料長期壓縮性能的影響，指導(dǎo)新材料開發(fā)與工藝優(yōu)化。
5. 預(yù)測使用壽命： 結(jié)合加速老化模型（如阿倫尼烏斯方程），高溫下的壓縮變形數(shù)據(jù)可用于初步推斷材料在常溫下的長期使用壽命。

(七) 提升試驗(yàn)可靠性的關(guān)鍵注意事項(xiàng)

1. 精確測量： 厚度測量是結(jié)果準(zhǔn)確性的基石，必須使用高精度儀器并在同一位置測量。
2. 嚴(yán)格控溫： 恒溫箱的溫度均勻性和穩(wěn)定性必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
3. 試樣平行度： 夾具上下板必須嚴(yán)格平行，確保壓縮應(yīng)力均勻分布。
4. 快速操作： 從恒溫箱取出到卸載試樣應(yīng)極其迅速，避免試樣在受約束狀態(tài)下冷卻影響恢復(fù)效果。
5. 恢復(fù)環(huán)境： 卸載后的恢復(fù)必須在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境（23±2°C, 50±5% RH）下進(jìn)行，避免環(huán)境波動干擾。
6. 遵循標(biāo)準(zhǔn)： 嚴(yán)格依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)（如ASTM D395）進(jìn)行操作和計算。

(八) 安全操作規(guī)范

• 高溫防護(hù)： 操作高溫箱及熱夾具時務(wù)必佩戴耐熱手套，防止?fàn)C傷。
• 設(shè)備安全： 確保壓力加載裝置安全可靠，防止意外夾傷或壓力釋放傷害。
• 通風(fēng)良好： 部分材料在高溫下可能釋放揮發(fā)性物質(zhì)，應(yīng)在通風(fēng)良好的環(huán)境下操作。

：
壓縮變形試驗(yàn)是量化評估彈性體和多孔材料在長期壓縮應(yīng)力下保持其關(guān)鍵物理性能（尺寸穩(wěn)定性和彈性恢復(fù)能力）的核心手段。通過標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)流程和精確的數(shù)據(jù)分析，獲得的壓縮變形率數(shù)據(jù)為密封設(shè)計、減震選材、產(chǎn)品壽命預(yù)測以及材料研發(fā)與質(zhì)量控制提供了不可或缺的科學(xué)依據(jù)。嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件并遵循規(guī)范操作是確保結(jié)果可靠、可比的有效保障。

提示：可根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇或補(bǔ)充圖表

• 圖1：標(biāo)準(zhǔn)壓縮變形試驗(yàn)夾具示意圖 (顯示平行板、試樣位置、限位墊片/調(diào)節(jié)螺栓)。
• 圖2：恒定壓縮變形法示意圖 (顯示初始狀態(tài)、壓縮狀態(tài)、恢復(fù)后狀態(tài)及厚度測量)。
• 表：不同材料/配方在特定試驗(yàn)條件下 (如 70°C×24h) 的典型壓縮變形率對比數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

1. ASTM International. ASTM D395 - Standard Test Methods for Rubber Property—Compression Set. West Conshohocken, PA: ASTM International.
2. International Organization for Standardization. ISO 815 - Rubber, vulcanized or thermoplastic — Determination of compression set. Geneva, Switzerland: ISO.
3. 聚合物材料性能測試手冊 (相關(guān)章節(jié))。
4. 彈性體物理與化學(xué) (相關(guān)章節(jié))。