温度-应力耦合作用下PTFE压缩蠕变机理与检测体系构建

聚四氟乙烯（PTFE）作为一种典型的高分子材料，凭借其卓越的耐腐蚀性、低摩擦因数和化学稳定性，经常作为往复液压密封件使用。

然而，由于其长期处于承载条件下，故产生的压缩蠕变会引起尺寸的变化，发生密封件根部挤压损坏现象，在密封系统中影响密封性能。压缩蠕变和磨损均会引起PTFE材料尺寸的变化，因此，深入研究 PTFE 的压缩蠕变机理，建立科学的检测方法，对提升 PTFE 制品的工程可靠性具有重要意义。

蠕变原理

 蠕变可以分为三种形变普弹形变、高弹形变以及黏性形变。高分子在外力作用下三中心变同时产生。公式如下，式中σ 为应力；E1 为普弹形变的弹性模量；E2 为高 弹模量；τ 为松弛时间；η1 为本体黏度。

典型蠕变曲线如图2，第一阶段为减速蠕变阶段，第二段恒速蠕变阶段，第三段为加入蠕变阶段，且直至断裂。

图2 典型蠕变曲线

目前国内外大部分为研究PTFE材料的拉伸蠕变行为，对于压缩蠕变行为的研究较少。

压缩蠕变测试标准

• ASTM E139-11：标准蠕变、应力断裂试验方法，适用金属材料
• ISO 204:2018：非金属材料高温蠕变测定规范
• GB/T 2039-2012：金属拉伸蠕变及持久试验方法
• ASTM D2990-17：塑料蠕变和蠕变断裂测试标准
• JIS R 1611:2010：精细陶瓷高温弯曲蠕变试验方法

压缩蠕变测试设备

国高材分析测试中心压缩蠕变试验机

技术参数：

• 力值传感器量程:10KN，1kN;力值传感器精度:
• +0.02%
• 步进马达:0.072°/step，旋转一圈360°走5000步;步进马达精度:0.05um
• 光学测量精度:3um;光学系统测量延伸率范围:30mm-200mm
• 标记块安装架尺寸:10mm*4mm，12.7mm*3.2mm
• 环境箱温度范围:-50℃-250℃

咨询电话：020-66221668

压缩蠕变的影响因素

1）温度

温度通过改变分子热运动能量和自由体积，显著影响蠕变行为（图 3）：

• 玻璃态（T < Tg，Tg=157℃）：链段运动受限，普弹形变主导，蠕变柔量随时间变化小，蠕变速率低。
• 高弹态（T > Tg）：链段自由运动，高弹形变迅速发展，蠕变柔量快速趋于平衡，稳态速率低。
• 玻璃化转变区（T≈Tg）：链段松弛时间与观测时间相当，蠕变柔量急剧变化，蠕变速率达到峰值。此时，PTFE 的非晶相从冻结状态转为活化状态，分子链段的协同运动导致形变敏感性增强。

实验数据表明，当温度从 25℃升至 150℃时，相同应力下的瞬时应变显著增加，第 Ⅰ 阶段持续时间缩短，应力对稳态蠕变速率的影响减弱。这是因为高温下分子间作用力降低，链段更容易克服位垒发生运动，从而加速蠕变过程。

图3 不同温度下应力-应变蠕变曲线

2）应力

应力通过改变分子链滑移阻力和晶相结构，主导蠕变进程（图 3）：

• 低应力（<10MPa）：非晶区分子链段仅发生局部调整，蠕变以普弹和高弹形变为主，总应变小，稳态速率低。
• 中高应力（10-30MPa）：非晶区链段滑移加剧，晶相区晶格发生塑性变形，黏性流动占比增加，蠕变速率随应力线性增长。
• 临界应力（>30MPa）：分子链断裂和晶相结构破坏，进入加速蠕变阶段，应变急剧上升直至失效。

PTFE 分子的螺旋结构使其链间相互作用较弱，低应力下即可发生链段滑移。随着应力增大，晶区与非晶区的协同变形加剧，尤其是晶界处的缺陷成为滑移起点，导致蠕变不可逆性增强。