压缩永久变形检测

压缩永久变形检测：原理、方法与应用

摘要： 压缩永久变形是衡量弹性体材料在长期压缩后恢复能力的关键性能指标，直接关系到密封件、减震元件等产品的使用寿命和可靠性。本文系统阐述了压缩永久变形的检测原理、标准测试方法、操作流程、结果计算及其在材料评价中的应用价值。

一、 概述与重要性

压缩永久变形是指橡胶、热塑性弹性体等材料在施加并维持一定时间的压缩形变后，当外力完全移除并在规定条件下恢复时，其无法恢复的残余变形量。该指标以原始形变量的百分比表示。

• 核心意义： 该指标直接反映了材料在持续应力作用下抵抗永久形变的能力（即弹性保持率）。永久变形过大会导致密封失效、减震性能下降、配合尺寸改变等问题。
• 应用领域： 广泛应用于评估各类密封圈（O型圈、垫片）、减震器、隔振垫、鞋材、电缆护套等弹性制品在长期服役状态下的耐久性和可靠性。

二、 检测原理

测试基于模拟材料在实际应用中承受持续压缩应力的工况：

1. 压缩阶段： 将标准试样置于专用夹具中，在规定的温度环境下（通常在烘箱内），使其承受恒定且已知的压缩形变（通常为原始高度的25%）。
2. 保持阶段： 在设定的温度（如70°C, 100°C, 125°C, 150°C等）和规定的时间（如24小时, 72小时, 168小时, 1000小时等）内，维持该压缩状态。此过程加速材料在压缩状态下的物理化学变化（如分子链松弛、交联结构变化、老化等）。
3. 恢复阶段： 从夹具中取出试样，在标准实验室温度（通常23±2°C）下，让其自由恢复规定的时间（标准恢复时间通常为30分钟）。
4. 测量与计算： 精确测量试样恢复后的最终高度，并与原始高度、压缩后的高度进行比较，计算出无法恢复的永久变形百分比。

三、 标准测试方法

国际和国内均制定了相应的标准规范，核心步骤一致，细节略有差异。常用标准包括：

• ISO 815: 橡胶，热塑性弹性体 - 在常温和高温下压缩永久变形的测定。
• ASTM D395: 橡胶性能的标准试验方法 - 压缩永久变形。
• GB/T 7759: 硫化橡胶或热塑性橡胶 压缩永久变形的测定。

四、 关键设备与试样

• 主要设备：
  • 恒温烘箱： 提供精确、均匀且稳定的测试温度环境（±1°C精度）。
  • 压缩夹具： 由平行金属板（通常为不锈钢）和限制试样压缩量的垫块或螺栓组成。夹具设计需确保试样受力均匀，并能准确限制压缩量（通常为原始高度的25%）。每个夹具通常可同时压缩多个试样。
  • 厚度测量仪： 精度至少达到0.01mm的测厚仪（如千分表、测厚计），用于精确测量试样原始高度、压缩后高度（可选）及恢复后高度。
• 标准试样：
  • 通常为圆柱体，标准尺寸为直径29.0±0.5 mm，高度12.5±0.5 mm。
  • 试样需平整、平行、无气泡、无缺陷。
  • 试样制备需符合相关材料标准。

五、 操作流程

1. 试样制备与测量： 裁切或模压制备符合标准的试样。在标准实验室温度（23±2°C）下调节至少3小时（或按材料标准规定）。精确测量并记录每个试样的原始高度 (h₀)。
2. 安装试样： 将试样放入压缩夹具中，上下放置限制垫块（或调整螺栓），确保试样被精确压缩至规定量（如原始高度的75%，即压缩率为25%）。拧紧夹具螺栓至规定扭矩（如有要求），确保压缩状态稳定。
3. 高温压缩： 将装有试样的夹具放入已预热至规定温度的恒温烘箱中。开始计时，保持规定的时间。确保夹具在烘箱内不受阻碍，空气能自由循环。
4. 取出与冷却： 到达规定时间后，迅速取出夹具（避免剧烈震动），立即松开夹具螺栓，取出试样。
5. 自由恢复： 将取出的试样平放在导热性差的平板（如木板）上，在标准实验室温度（23±2°C）下自由恢复规定的时间（如30分钟）。
6. 最终测量： 用厚度测量仪精确测量试样恢复后的高度 (h₂)。
7. 结果计算： 按公式计算压缩永久变形值。

六、 结果计算

压缩永久变形 (CS) 通常按以下公式计算：

CS (%) = [(h₀ - h₂) / (h₀ - h₁)] * 100%

• CS (%): 压缩永久变形百分比
• h₀ (mm): 试样原始高度
• h₁ (mm): 试样在夹具中被压缩后的高度（即限制高度，通常为 h₀ * 0.75）
• h₂ (mm): 试样恢复后的最终高度

重要提示： 由于限制高度 h₁ 是已知且固定的（由夹具设定），在标准测试中通常直接使用该值进行计算，无需每次测量压缩后的试样高度。因此，常用简化的公式：
CS (%) = [(h₀ - h₂) / (h₀ * 压缩率)] * 100%
例如，压缩率为25%时：CS (%) = [(h₀ - h₂) / (h₀ * 0.25)] * 100%

• 结果表示： 通常报告一组试样（通常3个）计算结果的算术平均值。

七、 关键影响因素与注意事项

• 压缩率： 是核心参数，必须严格按照标准或产品规范设定（通常为25%）。
• 温度： 测试温度是加速老化的关键因素。温度越高，老化速率越快，永久变形通常越大。必须严格控制烘箱温度均匀性和稳定性。
• 时间： 压缩保持时间直接影响结果。时间越长，永久变形通常越大。需根据材料预期寿命或特定要求选择合适时间。
• 恢复时间： 严格遵循标准规定的恢复时间（如30分钟）。恢复不足或过长都会影响结果准确性。
• 试样状态： 试样尺寸、表面平整度、内部缺陷均影响结果。需保证试样质量。
• 夹具精度与平行度： 夹具限制高度必须精确，上下压板需保持良好平行，确保试样受力均匀。
• 操作规范性： 安装、取出、恢复过程需迅速、轻柔，避免引入额外形变。

八、 应用价值

压缩永久变形检测是弹性体材料研发、质量控制及产品选型中不可或缺的测试项目：

1. 材料筛选与开发： 对比不同配方、不同批次材料的抗压缩永久变形性能，优化材料体系（如生胶、硫化体系、补强剂、防老剂等）。
2. 质量控制： 作为原材料和成品的关键入厂检验和出厂检验指标，确保产品批次性能稳定，满足设计和使用要求。
3. 寿命预测与可靠性评估： 结合阿伦尼乌斯方程等加速老化模型，利用不同温度/时间下的压缩永久变形数据，可预测材料在特定使用温度下的长期性能变化趋势和使用寿命。
4. 产品设计与选型： 为密封件、减震元件等产品的结构设计（如压缩量设计）和材料选择提供关键数据依据。
5. 标准符合性验证： 验证产品是否符合行业标准、国家或国际标准以及客户特定规范中关于压缩永久变形的要求。

九、 总结

压缩永久变形检测是评估弹性体材料在持续压缩应力下抵抗永久形变能力的标准化、关键性试验方法。通过精确控制压缩率、温度、时间等核心参数，并规范执行操作流程，可以获得反映材料弹性和耐老化性能的重要数据。该测试结果对于保障弹性体制品的密封性能、减震效果、尺寸稳定性及长期服役可靠性具有直接的指导意义，是材料研发、生产制造和质量控制过程中不可或缺的评价手段。深入理解其原理、方法和影响因素，有助于更准确地解读数据并应用于实际工程问题。