宋輝梅 格秀山 鄧顯波

（ABB（中國(guó)）有限公司，北京 100016）

熱固性塑料由于具有較好的力學(xué)性能、電氣性能、生產(chǎn)工藝性、尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，其制品在電器產(chǎn)品上的應(yīng)用一直占據(jù)著相當(dāng)大的比例。熱固性塑料優(yōu)異的電氣性能是當(dāng)下熱塑性塑料無(wú)法替代的。熱固性塑料主要有環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、三聚氰胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂、聚氨脂等。SMC（Sheet Moulding Compound）就是以不飽和聚酯樹(shù)脂和乙烯基樹(shù)脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)材料制成的電氣用纖維增強(qiáng)片狀模塑料[1]。MBM（Melamine）為三聚氰胺紙層壓板。

在高壓配電空氣開(kāi)關(guān)柜和 SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜里，MBM產(chǎn)品由于其良好的阻燃性能、絕緣性能、耐電弧、耐熱性能、尺寸穩(wěn)定性、及其制品極好的平面度等性能，已得到廣泛的應(yīng)用，但其主要依靠進(jìn)口，相對(duì)而言，MBM的成本很高。SMC早在20世紀(jì)60年代，已廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。目前SMC也已廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路車輛、電氣電子等。SMC也具有良好的絕緣性能，耐電弧和耐阻燃性能，高強(qiáng)度且輕質(zhì)，尺寸穩(wěn)定性也很好，所以SMC對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)也是一種理想的原材料。且SMC在高、低壓開(kāi)關(guān)上已有20多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，主要用作外殼和絕緣板之類。更關(guān)鍵的是SMC的價(jià)格只有MBM價(jià)格的一半。當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，面對(duì)飛漲的材料成本，各行各業(yè)都在采用其節(jié)約成本的新戰(zhàn)略。采用性能滿足要求且便宜的材料來(lái)替代現(xiàn)有的昂貴的材料，無(wú)疑可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成本的巨大節(jié)約。在高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)，SMC能否完全替代MBM，SMC明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)值得對(duì)其材料進(jìn)行全面的研究。

當(dāng)SMC和MBM制品應(yīng)用在SF6氣體開(kāi)關(guān)柜密封氣室內(nèi)時(shí)，零件的最高運(yùn)行溫度約為70℃，在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期工作的零件通常會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象,在此環(huán)境下要求產(chǎn)品能免維護(hù)運(yùn)行 30年，SMC和MBM 的蠕變性能能否滿足設(shè)計(jì)的需求？塑料的蠕變性能反映了其在溫度變化下，自身的穩(wěn)定情況。為此應(yīng)研究它們?cè)谙鄳?yīng)工作溫度下的蠕變現(xiàn)象。

本論文將通過(guò)高溫下的壓縮蠕變?cè)囼?yàn)和高溫下的拉伸蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)SMC和MBM的蠕變性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1.1 蠕變的理論

蠕變性能是材料非常重要的力學(xué)性能之一。蠕變即緩慢變形，是指材料在恒定的溫度和應(yīng)力條件下，應(yīng)變隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)緩慢地增加的現(xiàn)象。蠕變不僅出現(xiàn)在塑料（高分子材料）中，金屬材料、巖石等都有蠕變現(xiàn)象。

蠕變的影響因素主要是溫度，應(yīng)力及其作用時(shí)間的長(zhǎng)短，材料自身的物理化學(xué)特性等。溫度越高，蠕變變形越大；應(yīng)力越大，蠕變的總時(shí)間就越短；線性大分子材料比交聯(lián)度高的材料同等條件下，蠕變變形量大。

1.2 試樣的準(zhǔn)備

本蠕變?cè)囼?yàn)所用的試樣并沒(méi)有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)上所規(guī)定的形狀和尺寸去制備，而是基于 SMC 和MBM在高壓開(kāi)關(guān)柜上的實(shí)際應(yīng)用并考慮試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)和制備的。SMC試樣是從SMC壓模成型的零件上機(jī)加工出來(lái)的，SMC用的是國(guó)產(chǎn)材料，顏色為乳白色。MBM試樣是從直接進(jìn)口的MBM零件上機(jī)加工出來(lái)的，顏色為灰色。兩種試樣除了材質(zhì)和顏色的區(qū)別外，其外形和尺寸是完全一致的，均為8mm厚。圖1所示為SMC和MBM壓縮蠕變所用試樣形狀50mm×50mm，試樣數(shù)量為各5個(gè)。圖2所示為SMC和MBM拉伸蠕變所用試樣形狀，測(cè)試部位為中間部分寬20mm，厚8mm，試樣數(shù)量為各3個(gè)。

圖1 SMC（白色）和MBM（灰色）壓縮蠕變?cè)嚇?/p>

圖2 SMC（白色）和MBM（灰色）拉伸蠕變?cè)嚇?/p>

1.3 試驗(yàn)條件的要求

考慮SMC和MBM兩種材料的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)用環(huán)境溫度為-20℃~70℃下長(zhǎng)期（如30年）工作，并采用螺釘?shù)刃问綄MC或MBM零件與其他零部件相連接。高溫環(huán)境下材料的蠕變變形量會(huì)更明顯，所以本試驗(yàn)規(guī)定壓縮蠕變?cè)囼?yàn)和拉伸蠕變?cè)囼?yàn)均在高溫下進(jìn)行。由于SMC和MBM零件在實(shí)際工作中主要受壓，所以規(guī)定壓縮蠕變將在溫度為 50℃，70℃，90℃環(huán)境下分別試驗(yàn)，而拉伸蠕變?cè)囼?yàn)只在溫度為70℃環(huán)境下進(jìn)行。很明顯，這些溫度點(diǎn)的設(shè)置已包含了甚至高于零件的實(shí)際運(yùn)行溫度。每種試驗(yàn)溫度下，加載后試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)120h（5天）。

考慮 SMC和 MBM在高壓開(kāi)關(guān)柜上的實(shí)際應(yīng)用，壓縮蠕變?cè)囼?yàn)額定載荷定為15kN，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)額定載荷必須在0~5s內(nèi)加載完成，本試驗(yàn)定義加載時(shí)間為 5s，即加載速度為 180kN/min，且一定保證載荷平穩(wěn)加載，預(yù)加載 100N且保證試樣不變形。拉伸蠕變?cè)囼?yàn)額定載荷定為2kN，加載時(shí)間為5s，加載速度為24kN/min，且一定保證平穩(wěn)加載，預(yù)加載100N且保證試樣不變形。

數(shù)據(jù)的采集以 30s為時(shí)間間隔進(jìn)行，保證了對(duì)蠕變變形量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對(duì)于壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，試樣施加載荷的接觸面面積為200mm2，試樣固定面的接觸面積為 145mm2。對(duì)于拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，試樣兩端均靠直徑為8mm的銷釘固定。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)是在北京航空航天大學(xué)的材料力學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行的，通過(guò) INSTRON8801液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)及特別定制的工裝夾具進(jìn)行壓縮蠕變?cè)囼?yàn)和拉伸蠕變?cè)囼?yàn)。工裝夾具的設(shè)計(jì)主要考慮本試樣的形狀尺寸及試驗(yàn)的目的。壓縮蠕變變形量通過(guò)INSTRON LVDT傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為1%。拉伸蠕變變形量通過(guò)美國(guó)EPSILON變形傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度可高達(dá) 0.5%。載荷傳感器的量程是 50kN，載荷精度為0.5%。由于本試驗(yàn)是高溫試驗(yàn)，需要借助環(huán)境箱，環(huán)境箱的溫度范圍為-180～350℃，溫度控制精度為±1℃。圖3為壓縮蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)的試樣安裝圖。圖4為拉伸蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)的試樣安裝圖。

圖3 壓縮蠕變?cè)囼?yàn)的試樣安裝圖

圖4 拉伸蠕變?cè)囼?yàn)的試樣安裝圖

2 結(jié)果與討論

蠕變伸長(zhǎng)量或壓縮量（位移變形量）是指任意時(shí)刻的標(biāo)距與初始標(biāo)距的差值（絕對(duì)值）。蠕變應(yīng)變是任一給定時(shí)刻由于施加載荷產(chǎn)生的標(biāo)稱伸長(zhǎng)量或壓縮量與夾具間初始距離之比。

2.1 SMC和MBM壓縮蠕變?cè)囼?yàn)

試驗(yàn)結(jié)束后，得到了 SMC和 MBM在溫度為50℃、70℃和90℃時(shí)的壓縮蠕變性能隨時(shí)間變化的一系列數(shù)據(jù)和曲線圖。包括壓縮蠕變位移－時(shí)間曲線圖，壓縮蠕變應(yīng)變－時(shí)間曲線圖。并將 SMC和MBM的壓縮蠕變性能在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行了顯示，這樣就能明確看出二者的蠕變性能差別。如圖5和圖7所示。為了明確顯示SMC和MBM在壓縮蠕變?cè)囼?yàn)初期的變形趨勢(shì)，將曲線圖5和圖7初期部分進(jìn)行了放大，如圖6和圖8所示。

從圖5至圖8能明顯看出，SMC和MBM的壓縮蠕變變形量隨溫度的升高而增大，且SMC的壓縮蠕變變形量稍大于MBM。在SMC和MBM的壓縮蠕變初期，蠕變變形是直線上升的，上升到一定變形量后，蠕變行為幾乎沒(méi)有什么變化，變形量可看作趨于穩(wěn)定。壓塑蠕變初期，由于材料的彈性變形，變形量與時(shí)間接近線性關(guān)系。超過(guò)彈性變形后的塑性變形與時(shí)間是非線性關(guān)系。SMC在90℃時(shí)的最大變形量為1.2mm，在70℃時(shí)的最大變形量為1.0mm左右，從圖上看，SMC在這些溫度下，變形量是很穩(wěn)定的。SMC 和MBM的蠕變變形量對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)柜是可接受的。

2.2 SMC和MBM拉伸蠕變?cè)囼?yàn)

圖9至圖12為SMC和MBM在70℃環(huán)境溫度下的拉伸蠕變曲線圖。從曲線圖上明顯看出，SMC的拉伸蠕變變形稍高于MBM的拉伸蠕變變形。在拉伸蠕變?cè)囼?yàn)的初期，SMC和MBM的變形接近直線上升，達(dá)到一定變形量后，趨于穩(wěn)定，此拉伸變形量對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)柜是可接受的。

圖5 SMC和MBM在溫度為50℃，70℃和90℃時(shí)的壓縮蠕變位移曲線圖（時(shí)間0~120h）

圖6 SMC和MBM在溫度為50℃，70℃和90℃時(shí)的壓縮蠕變位移曲線圖（時(shí)間0~600s）

圖7 SMC和MBM在溫度為50℃，70℃和90℃時(shí)的壓縮蠕變應(yīng)變曲線圖（時(shí)間0~120h）

圖8 SMC和MBM在溫度為50℃，70℃和90℃時(shí)的壓縮蠕變應(yīng)變曲線圖（時(shí)間0~600s）

圖9 SMC和MBM在溫度70℃時(shí)的拉伸蠕變位移曲線圖（時(shí)間0~120h）

圖10 SMC和MBM在溫度70℃時(shí)的拉伸蠕變位移曲線圖（時(shí)間0~600s）

圖11 SMC和MBM在溫度70℃時(shí)的拉伸蠕變應(yīng)變曲線圖（時(shí)間0~120h）

圖12 SMC和MBM在溫度70℃時(shí)的拉伸蠕變應(yīng)變曲線圖（時(shí)間0~600s）

2.3 SMC和MBM壓縮蠕變性能與溫度關(guān)系

壓縮蠕變額定載荷為 15kN，加載速度為180kN/min，從而保證了額定載荷在5s時(shí)加載完成。蠕變?cè)囼?yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，額定載荷加載完成時(shí)刻開(kāi)始記錄蠕變變形量。由于數(shù)據(jù)采集以 30s為時(shí)間間隔進(jìn)行，未能得到5s時(shí)刻的初始位移，因此將30s時(shí)刻的變形量作為蠕變性能對(duì)比試驗(yàn)的初始位移點(diǎn)。數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表1 SMC和MBM壓縮蠕變位移數(shù)據(jù)表

表2 SMC和MBM壓縮蠕變應(yīng)變數(shù)據(jù)表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，繪制了SMC和MBM壓縮蠕變性能與溫度的關(guān)系曲線圖13和圖14。從曲線圖上可以看出，二者壓縮蠕變的變形量均隨溫度的升高而增大，SMC隨溫度的變形量大于MBM的變形量。值得注意的是，SMC變形量雖然大些，但是它的曲線趨于穩(wěn)定，而MBM的蠕變變形量隨溫度升高有增大的趨勢(shì)。

和蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛是蠕變的結(jié)果。應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在溫度和總變形量不變的情況下，由于彈性變形不斷的轉(zhuǎn)變成塑性變形，即逐漸發(fā)生蠕變，從而使應(yīng)力不斷下降。一個(gè)緊固螺釘在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，其初始預(yù)緊力逐漸下降，就是因?yàn)閼?yīng)力松弛的原因。SMC和MBM的應(yīng)力松弛試驗(yàn)也將進(jìn)行。

圖13 SMC和MBM壓縮蠕變位移隨溫度變化曲線圖

圖14 SMC和MBM壓縮蠕變應(yīng)變隨溫度變化曲線圖

3 結(jié)論

通過(guò)SMC和MBM在高溫下的壓塑蠕變?cè)囼?yàn)和拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，數(shù)據(jù)曲線清晰地表明SMC和MBM蠕變隨溫度升高而增大，且SMC蠕變稍大于MBM，但是對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)柜其變形量是可以接受的。SMC在高溫下蠕變變形趨于穩(wěn)定，說(shuō)明了其材料本身在高溫下的穩(wěn)定性。此次蠕變?cè)囼?yàn)為工程設(shè)計(jì)、研究和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品提供了鑿實(shí)的數(shù)據(jù)。

[1]GB/T 11546-2008.蠕變性能的測(cè)定 第一部分-拉伸蠕變.2008.

[2]ISO 899-1-2003.Plastics — Determination of creep behaviour —Part 1:Tensile creep.2003.

[3]ASTM D2990-01.Standard Test Methods for Tensile,Compressive, and Flexural Creep and Creep-Rupture of Plastics1.

[4]穆霞英.蠕變力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1990.

[5]孔毅.SMC和 DMC模塑料成型加工及制品應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用，2000(3):21-23.

[6]梁亞?wèn)|,等.電工用熱固性模塑料的應(yīng)用與發(fā)展[J].絕緣材料通訊，2000(4):25-29.