SMC和MBM的蠕變性能研究

宋輝梅 格秀山 鄧顯波

（ABB（中國）有限公司，北京 100016）

熱固性塑料由于具有較好的力學性能、電氣性能、生產工藝性、尺寸穩定性等優點，其制品在電器產品上的應用一直占據著相當大的比例。熱固性塑料優異的電氣性能是當下熱塑性塑料無法替代的。熱固性塑料主要有環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、三聚氰胺樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂、聚氨脂等。SMC（Sheet Moulding Compound）就是以不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂為基體，以玻璃纖維為增強材料制成的電氣用纖維增強片狀模塑料[1]。MBM（Melamine）為三聚氰胺紙層壓板。

在高壓配電空氣開關柜和 SF6氣體絕緣開關柜里，MBM產品由于其良好的阻燃性能、絕緣性能、耐電弧、耐熱性能、尺寸穩定性、及其制品極好的平面度等性能，已得到廣泛的應用，但其主要依靠進口，相對而言，MBM的成本很高。SMC早在20世紀60年代，已廣泛應用于汽車行業。目前SMC也已廣泛應用于汽車、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，高強度且輕質，尺寸穩定性也很好，所以SMC對于高壓開關也是一種理想的原材料。且SMC在高、低壓開關上已有20多年的運行經驗，主要用作外殼和絕緣板之類。更關鍵的是SMC的價格只有MBM價格的一半。當前世界經濟形勢下，面對飛漲的材料成本，各行各業都在采用其節約成本的新戰略。采用性能滿足要求且便宜的材料來替代現有的昂貴的材料，無疑可以實現產品成本的巨大節約。在高壓開關行業，SMC能否完全替代MBM，SMC明顯的價格優勢值得對其材料進行全面的研究。

當SMC和MBM制品應用在SF6氣體開關柜密封氣室內時，零件的最高運行溫度約為70℃，在高溫環境下長期工作的零件通常會出現蠕變現象,在此環境下要求產品能免維護運行 30年，SMC和MBM 的蠕變性能能否滿足設計的需求？塑料的蠕變性能反映了其在溫度變化下，自身的穩定情況。為此應研究它們在相應工作溫度下的蠕變現象。

本論文將通過高溫下的壓縮蠕變試驗和高溫下的拉伸蠕變試驗對SMC和MBM的蠕變性能進行研究。

1 試驗

1.1 蠕變的理論

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

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

1.2 試樣的準備

本蠕變試驗所用的試樣并沒有嚴格按照標準上所規定的形狀和尺寸去制備，而是基于 SMC 和MBM在高壓開關柜上的實際應用并考慮試驗設備的實際情況來設計和制備的。SMC試樣是從SMC壓模成型的零件上機加工出來的，SMC用的是國產材料，顏色為乳白色。MBM試樣是從直接進口的MBM零件上機加工出來的，顏色為灰色。兩種試樣除了材質和顏色的區別外，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，試樣數量為各5個。圖2所示為SMC和MBM拉伸蠕變所用試樣形狀，測試部位為中間部分寬20mm，厚8mm，試樣數量為各3個。

圖1 SMC（白色）和MBM（灰色）壓縮蠕變試樣

圖2 SMC（白色）和MBM（灰色）拉伸蠕變試樣

1.3 試驗條件的要求

考慮SMC和MBM兩種材料的實際應用環境，應用環境溫度為-20℃~70℃下長期（如30年）工作，并采用螺釘等形式將SMC或MBM零件與其他零部件相連接。高溫環境下材料的蠕變變形量會更明顯，所以本試驗規定壓縮蠕變試驗和拉伸蠕變試驗均在高溫下進行。由于SMC和MBM零件在實際工作中主要受壓，所以規定壓縮蠕變將在溫度為 50℃，70℃，90℃環境下分別試驗，而拉伸蠕變試驗只在溫度為70℃環境下進行。很明顯，這些溫度點的設置已包含了甚至高于零件的實際運行溫度。每種試驗溫度下，加載后試驗時間持續120h（5天）。

考慮 SMC和 MBM在高壓開關柜上的實際應用，壓縮蠕變試驗額定載荷定為15kN，根據標準額定載荷必須在0~5s內加載完成，本試驗定義加載時間為 5s，即加載速度為 180kN/min，且一定保證載荷平穩加載，預加載 100N且保證試樣不變形。拉伸蠕變試驗額定載荷定為2kN，加載時間為5s，加載速度為24kN/min，且一定保證平穩加載，預加載100N且保證試樣不變形。

數據的采集以 30s為時間間隔進行，保證了對蠕變變形量的實時監控。

對于壓縮蠕變試驗，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。對于拉伸蠕變試驗，試樣兩端均靠直徑為8mm的銷釘固定。

1.4 試驗設備

本試驗是在北京航空航天大學的材料力學試驗室進行的，通過 INSTRON8801液壓伺服疲勞試驗機及特別定制的工裝夾具進行壓縮蠕變試驗和拉伸蠕變試驗。工裝夾具的設計主要考慮本試樣的形狀尺寸及試驗的目的。壓縮蠕變變形量通過INSTRON LVDT傳感器進行測量，測量精度為1%。拉伸蠕變變形量通過美國EPSILON變形傳感器進行測量，測量精度可高達 0.5%。載荷傳感器的量程是 50kN，載荷精度為0.5%。由于本試驗是高溫試驗，需要借助環境箱，環境箱的溫度范圍為-180～350℃，溫度控制精度為±1℃。圖3為壓縮蠕變試驗時的試樣安裝圖。圖4為拉伸蠕變試驗時的試樣安裝圖。

圖3 壓縮蠕變試驗的試樣安裝圖

圖4 拉伸蠕變試驗的試樣安裝圖

2 結果與討論

蠕變伸長量或壓縮量（位移變形量）是指任意時刻的標距與初始標距的差值（絕對值）。蠕變應變是任一給定時刻由于施加載荷產生的標稱伸長量或壓縮量與夾具間初始距離之比。

2.1 SMC和MBM壓縮蠕變試驗

試驗結束后，得到了 SMC和 MBM在溫度為50℃、70℃和90℃時的壓縮蠕變性能隨時間變化的一系列數據和曲線圖。包括壓縮蠕變位移－時間曲線圖，壓縮蠕變應變－時間曲線圖。并將 SMC和MBM的壓縮蠕變性能在同一坐標系下進行了顯示，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在壓縮蠕變試驗初期的變形趨勢，將曲線圖5和圖7初期部分進行了放大，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，蠕變行為幾乎沒有什么變化，變形量可看作趨于穩定。壓塑蠕變初期，由于材料的彈性變形，變形量與時間接近線性關系。超過彈性變形后的塑性變形與時間是非線性關系。SMC在90℃時的最大變形量為1.2mm，在70℃時的最大變形量為1.0mm左右，從圖上看，SMC在這些溫度下，變形量是很穩定的。SMC 和MBM的蠕變變形量對于高壓開關柜是可接受的。

2.2 SMC和MBM拉伸蠕變試驗

圖9至圖12為SMC和MBM在70℃環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。在拉伸蠕變試驗的初期，SMC和MBM的變形接近直線上升，達到一定變形量后，趨于穩定，此拉伸變形量對于高壓開關柜是可接受的。

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

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

圖7 SMC和MBM在溫度為50℃，70℃和90℃時的壓縮蠕變應變曲線圖（時間0~120h）

圖8 SMC和MBM在溫度為50℃，70℃和90℃時的壓縮蠕變應變曲線圖（時間0~600s）

圖9 SMC和MBM在溫度70℃時的拉伸蠕變位移曲線圖（時間0~120h）

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

圖11 SMC和MBM在溫度70℃時的拉伸蠕變應變曲線圖（時間0~120h）

圖12 SMC和MBM在溫度70℃時的拉伸蠕變應變曲線圖（時間0~600s）

2.3 SMC和MBM壓縮蠕變性能與溫度關系

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時加載完成。蠕變試驗相關標準要求，額定載荷加載完成時刻開始記錄蠕變變形量。由于數據采集以 30s為時間間隔進行，未能得到5s時刻的初始位移，因此將30s時刻的變形量作為蠕變性能對比試驗的初始位移點。數據如表2和表3所示。

表1 SMC和MBM壓縮蠕變位移數據表

表2 SMC和MBM壓縮蠕變應變數據表

根據以上數據，繪制了SMC和MBM壓縮蠕變性能與溫度的關系曲線圖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定，而MBM的蠕變變形量隨溫度升高有增大的趨勢。

和蠕變現象相伴隨的還有應力松弛，應力松弛是蠕變的結果。應力松弛現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變成塑性變形，即逐漸發生蠕變，從而使應力不斷下降。一個緊固螺釘在高溫下長時間工作，其初始預緊力逐漸下降，就是因為應力松弛的原因。SMC和MBM的應力松弛試驗也將進行。

圖13 SMC和MBM壓縮蠕變位移隨溫度變化曲線圖

圖14 SMC和MBM壓縮蠕變應變隨溫度變化曲線圖

3 結論

通過SMC和MBM在高溫下的壓塑蠕變試驗和拉伸蠕變試驗，數據曲線清晰地表明SMC和MBM蠕變隨溫度升高而增大，且SMC蠕變稍大于MBM，但是對于高壓開關柜其變形量是可以接受的。SMC在高溫下蠕變變形趨于穩定，說明了其材料本身在高溫下的穩定性。此次蠕變試驗為工程設計、研究和開發新產品提供了鑿實的數據。

[1]GB/T 11546-2008.蠕變性能的測定 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[M].西安：西安交通大學出版社,1990.

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

[6]梁亞東,等.電工用熱固性模塑料的應用與發展[J].絕緣材料通訊，2000(4):25-29.