应力松弛及其在弹性密封件中的重要性

由罗杰斯公司发布
高弹体材料解决方案

为某项应用而设计密封件时，需要透彻了解多种特性，以实现最佳性能和使用寿命。在这些特性中，应力松弛对于分析高弹体材料在恒定应变条件下的性能起到关键作用。

我们来深入了解一下高弹体材料的应力松弛特性，以及您需要知道什么以便做出明智的设计决策。

密封应用的关键材料特性

设计新的密封应用时要考虑以下这三种材料特性：

• 压缩应变 – 材料硬度
• 抗压缩形变 – 材料记忆性
• 应力松弛 – 一段时间内保持恒定压力的能力

这些特性均会影响弹性密封件的性能和耐久性。点击上方的超链接，深入探索各个主题。

探讨应用设计时是否经常谈到应力松弛？

应力松弛逐渐成为一个愈发重要的考虑因素，因为材料能够长期保持稳定的反弹力，对于设备性能至关重要。

在讨论材料选择时，设计工程师通常侧重于找到具有适当压缩反弹应力的材料。工程师通常先着手打造特定密封件，然后需要在设备或外壳制程中使材料保持适当的硬度。

然而，虽然抗压缩形变值通常是一个优先考虑的因素，但应力松弛经常受到忽视——而这种特性对于弹性密封件的长期可靠性至关重要。

什么是应力松弛？

应力松弛是指弹性体在长时间失去两个表面之间的部分恒定压力（有时称为反弹力）而产生的效应。

换句话说，应力松弛反映了材料如何在长时间受压缩情况下逐渐减小其受到的反弹力。

为什么会发生应力松弛？

之所以会发生应力松弛现象，是因为材料的分子可以彼此滑离，使得材料所受的应力有所减少。

所有弹性体都会试图恢复原状，因此随着时间的推移，它们会出现一定程度的松弛（失去部分反弹力）。差别在于，一些材料会在短时间内失去这种反弹力，而另一些材料则可以保持这种力，只是力的大小会低于垫圈第一次受压缩时的水平。

实例：应力松弛如何起作用

举重运动员

想象一下，一名奥运举重运动员将杠铃举过头顶。起初，举重运动员可以保持姿势，但随着时间的推移，其肌肉会疲劳，举重运动员将无法保持同样的力量。现在想象一下，一个普通人也这样举重。普通人会比奥运举重运动员更快就感到疲劳。

这种情况类似于应用中弹性密封件的情况。泡棉或海绵材料最初会抵抗压缩，但会逐渐失去反弹力。反弹力的减少幅度（或损失程度）取决于材料配方和多孔结构。

应力松弛可提供关于材料在持续压缩下性能表现如何的宝贵见解。随着时间推移，由于内部分子重组，所有材料都会逐渐失去反弹力。

挤压球和沙球

有助于理解应力松弛的另一种方法是，将挤压球与沙球进行比较。将挤压球想像成垫圈。受到压缩时，它会借力反弹，并因此产生可靠的密封作用。一旦您松开它，球就会恢复原状，可长时间保持反弹力。这就是 BISCO® 硅胶和 PORON® 聚氨酯等高性能材料的效能，可确保长期可靠性。

现在，想一想沙球。当您挤压它时，它会压缩，但在您松开它后，它仍是变形后的样子，毫无反弹力。这代表了由于应力松弛而失去维持密封能力的低性能材料。随着时间推移，此类材料可能导致泄漏、密封失效和费用高昂的维修。

为什么应力松弛在密封应用中相当重要？

应力松弛是一个关键指标，决定了材料保持有效密封的能力大小。当应用需要长时间密封时（通常是数年），这一点尤为重要。

您知道吗？有许多低成本弹性体在短短一小时内就会失去 50% 以上的原力。

这意味着低成本的弹性体可能无法保持预期的反弹力，这可能会对您的项目构成重大风险，尤其是在设计阶段未充分考虑这一因素的情况下。

罗杰斯提供广泛的高性能材料产品组合，包括 BISCO 硅胶和 PORON 聚氨酯，这些材料的初始压缩力损失程度极低，可维持（保持反弹力）达数年之久。

下面的应力松弛图比较了 BISCO® BF-1000 和 HT-800 与 EPDM 和氯丁橡胶等其他工业弹性体的失力百分比。

从图中可以看出，与其他类型的弹性体相比，我们的硅胶和聚氨酯材料的失力百分比较低。

通过选择 BISCO® 和 PORON® 等材料，您可以确保最低程度的应力松弛和始终如一的紧致密封，即使是在长期受到压缩的情况下。

应力松弛值越低越好吗？

对于多孔材料来说，是的。测得的应力松弛百分比 (%) 越低，材料在应用中长期密封的效果越好。应力松弛通常表示为原始压缩应变值的损失百分比。

例如，我们来看一看 BISCO HT-800 硅胶泡棉技术数据资料表 (TDS)。

从表中可以看到，BISCO HT-800 的原始压缩反弹应力为 9.7 psi。如果我们将材料留在测试仪中更长时间，材料会失去大约 20% 的原力，换句话说，实际的长期硬度值为 8 psi（对于密封件来说，几乎没有任何失力）。

怎样才算是“良好”和“极好”的应力松弛值？

这取决于您的应用。可使用下表作为通用指南：

BISCO 硅胶和 PORON 聚氨酯通常具有极好或良好的应力松弛范围，具体取决于材料配方。

如何测量应力松弛？

应力松弛使用专用设备来测量，这种设备会压缩材料样品并测量随时间推移的失力情况。

测量设备由不锈钢底座和顶板、测力传感器以及数据记录器构成。下图显示了这种设备的样子。

穿过中心的螺纹杆用于通过顶板压缩面积为 2 平方英寸的样品，以将负载分摊在整个样品上。螺纹杆上的负载通过测试单元框架传输到测力传感器。这样就能测出在恒定间隙（应变）条件下样品承受的压缩力。这种设置可以精确监测材料随时间推移而保留了多少力。

标准应力松弛测试方法

• 参考： ISO 3384
• 目的：此测试评估压缩力随时间推移的保持情况，表示为初始压缩力值的百分比（@ 25% 压缩力）。
• 条件： 73°F (23°C)，50% 相对湿度，25% 压缩
• 测试时长： 24 小时至 20,000 小时
• 专业测试：可应要求提供高温或各种不同压缩程度下的测试

温度对应力松弛是否有重大影响？

测试通常在 23°C (72°F) 温度下完成，但如果在更高温度下测试，弹性体的应力松弛损失百分比会变得更大。如果是为高温应用进行设计，应选择 BISCO 硅胶泡棉弹性体。

应力松弛是否有别于蠕变？应力松弛和蠕变有什么区别？

是。虽然这两种现象都涉及材料形变，但主要区别在于：

• 蠕变是指在恒定负载条件下塑性应变渐增。这是塑料外壳或卡扣件等部件中的一个重要问题。
• 应力松弛是指当材料保持恒定形变或应变时，压力逐渐减少。这种现象在弹性密封件的设计中至关重要。

因此，应力松弛应该是弹性密封件的关键考量因素。

要点 

• 应力松弛对于密封件和垫圈的长期可靠性至关重要。
• 低应力松弛值可确保连线一致的性能并降低故障风险。
• BISCO 硅胶和 PORON 聚氨酯等高性能材料旨在最大程度减少应力松弛。
• 如果您不确定您的应用需要用到哪些罗杰斯公司材料，我们的技术服务与开发团队可随时为您提供帮助！请首先联系罗杰斯的销售工程师。

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发布于 2025 年 1 月 31 日

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