離心鑄造工藝在制備氧化鉛/環氧樹脂基零件中的應用研究

李　昊，項名珠，魏善武LI Hao，　XIANG Ming-zhu，　WEI Shan-wu（公安部第一研究所 安檢技術事業部，北京 102200）

離心鑄造工藝在制備氧化鉛/環氧樹脂基零件中的應用研究

李昊，項名珠，魏善武
LI Hao，XIANG Ming-zhu，WEI Shan-wu
（公安部第一研究所 安檢技術事業部，北京 102200）

為進一步提高氧化鉛/環氧樹脂基復合材料的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力，滿足射線源安全、穩定工作的要求。經對其制備工藝進行分析，在改進中創造性的引入了離心鑄造工藝，應用了恒溫加熱部件，計算了離心轉速，梳理了工藝流程。經對制備工藝改進前后樣件的對比測試，改進工藝后零件的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力有了明顯提升。

氧化鉛/環氧樹脂基；離心鑄造；高壓絕緣；射線屏蔽

0　引言

射線源作為安檢機的核心部件之一，其技術指標與可靠性的高低與安檢機的整體性能息息相關。現階段，隨著安檢機穿透、分辨能力的不斷提高，對射線源高壓、束流指標的要求也隨之提升。在此條件下，為保證射線源安全、穩定的工作，射線源內部材料的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力也必須進一步提高。

氧化鉛/環氧樹脂基材料是一種廣泛應用于射線源內部的復合材料，其主要由氧化鉛粉和環氧樹脂兩種主要成分加少量固化劑組成，具有良好高壓絕緣和射線屏蔽能力，適用于較為苛刻的輻射環境之中［1～3］。目前，該材料制成的零件既可用于對射線管進行局部屏蔽，以降低外部整體屏蔽厚度；也可放置在對射線管與電子元件之間，以避免電子元件受到射線的直接照射。

1　制備工藝改進分析

為提高氧化鉛/環氧樹脂基材料的性能，需制備過程中對其高壓絕緣能力和射線屏蔽能力分別進行分析，在改進制備工藝中對兩種能力的提高統籌思考，不能在改進中出現一種能力提高而另一種能力降低的情況。

1.1高壓絕緣方面

在高壓絕緣方面，為提高其絕緣能力，首先需提高制備工藝中對氧化鉛和環氧樹脂這兩種主要材料的混合能力。因為如果兩種材料沒有充分混合，就會導致零件局部密度不均勻，甚至在固化過程中存在孔洞，從而降低零件的高壓絕緣能力，甚至擊穿零件，造成零件完全喪失絕緣能力。

1.2射線屏蔽方面

在射線屏蔽方面，零件的射線屏蔽能力與零件厚度和單位厚度的材料致密性直接相關。在零件設計不變的情況下，其厚度無法增加，只能在零件制備中提高材料的致密性，進而提高整個零件的射線屏蔽能力。因此需在制備中對整個固化過持續程施加外力，使混合材料在固化的同時壓緊。

2　離心鑄造工藝的應用

根據上述分析，在氧化鉛/環氧樹脂基材料制備工藝中引入了離心鑄造工藝。離心鑄造工藝是將混合液注入高速旋轉的鑄型內，使其在離心力的作用下充滿鑄型并形成鑄件的鑄造工藝。它具有加工成本低、成型質量高、幾乎沒有鑄造缺陷等優點。通過離心時的高速旋轉有效提高了制備中材料的混合效果，同時利用旋轉離心力壓緊混合材料，提升其致密性。

該工藝的核心是一套離心鑄造系統，該系統主要由：離心鑄造機、PLC控制器、真空攪拌機、澆注設備、模具起吊設備等組成。系統核心的離心鑄造機主要由整體機架、驅動電機、旋轉部件、模具部件、恒溫加熱部件等組成，其示意圖如圖1所示。

2.1恒溫加熱部件的應用

由于氧化鉛/環氧樹脂基材料在一定溫度下可有效提高固化成型速度，為提高制備效率，因此在一般離心鑄造機上進行改進，加入了恒溫加熱部件，實現了對模具溫度的動態控制，成為了一種獨創的新型離心鑄造機。在使用中，將攪拌好的混合液澆入旋轉的模具部分之中，恒溫加熱部件包裹模具部分，同時根據不同尺寸零件的固化情況動態調節其溫度，使混合物更快的凝固、成型。

圖1　離心鑄造機

2.2離心轉速的計算

在制備中，由于氧化鉛/環氧樹脂零件應用在不同場合時材料的配比有所不同，導致其密度的變化，因此在制備前需首先確定不同密度零件的離心轉速。在離心鑄造中，為克服重力，零件須達到一定的轉速：如轉速過低時，由于離心力不足，就會使離心鑄造時鑄件造型不充分。但轉速過高時，使鑄件產生縱向裂紋，混合液更易偏析［5～7］。因此在確定離心鑄造鑄型的轉速時，其原則是在保證零件質量的前提下，選取所需的最低離心轉速［8］。

最低轉速的計算公式，分別如式（1）、式（2）、式（3）所示。

離心鑄造時材料所受的離心力與旋轉半徑成正比，與旋轉角速度的平方成正比，其離心力公式如下：

式中，F為材料所受離心力（N）；m為材料的質量（kg）；

ω為材料旋轉角速度（rad/s）；

R為離心鑄造系統旋轉半徑（m）。

旋轉半徑不同，離心力也不同。因材料有一定的厚度，不同厚度內各層所受離心力會不同，要完全帶起材料，充滿鑄型，就必須使內部的離心力也大于內部材料的重力，因此式（1）可變化為：

式中，G為材料所受重力（N）；

n為離心鑄造系統轉速（r/min）。

在生產中可采用各種經驗公式來確定鑄型的轉速，本文根據重力系數計算鑄型轉速，其計算公式如下：

式中，T為重力系數，根據氧化鉛在材料中的百分比確定，一般取70～85之間。

在實際使用中可將式（2）和式（3）的計算結果對比使用，根據實驗數據進行試驗，最終通過試驗氧化鉛/環氧樹脂基零件的固化情況、外形是否均勻、是否存在氣孔、表面光潔度等指標確定合適的最低轉速。

2.3制備工藝流程

在確定所有工藝參數后，通過離心鑄造制備氧化鉛/環氧樹脂基零件的工藝流程主要包括以下步驟：

1）將計量完畢的氧化鉛和環氧樹脂按一定比例混合，加入少量固化劑，放入真空攪拌機中進行攪拌，同時進行抽真空處理。

2）待攪拌均勻，真空度滿足工藝要求后，通過澆注設備將混合物注入離心鑄造機的模具內，模具需事前涂抹脫模劑。

3）按混合物重量和成型要求設定離心鑄造機的轉速、轉動時間、加熱溫度后，開始進行離心鑄造。

4）到達設定完成時間，觀察氧化鉛和環氧樹脂混合物完全固化后，關閉離心鑄造機。

5）通過模具起吊設備將模具連同混合物從離心鑄造機中取出，進行脫模。

3　應用前后對比試驗

3.1高壓絕緣能力對比試驗

為檢驗應用離心鑄造工藝后的實際制備效果，計劃將應用前后兩種工藝制備的樣件放入絕緣測試儀中進行高壓絕緣能力對比試驗。該儀器內置微型計算機，測試準確性高，操作簡單，其外形如圖2所示。

圖2　絕緣測試儀

表1　絕緣對比試驗數據

表2　射線泄漏對比試驗數據

將應用離心鑄造前后兩種工藝分別制備的共10塊直徑為60mm、厚度為5mm的圓盤形氧化鉛/環氧樹脂基樣件，每塊樣件放入測試儀中連續打壓5次，其具體測試數據，如表1所示。

經絕緣對比試驗可知，應用離心鑄造工藝后樣件的高壓絕緣能力與之前相比平均提高了19.3%，有效提高了其在高電壓環境下的絕緣防護能力。

3.2射線屏蔽能力對比試驗

將應用離心鑄造工藝前后制備的兩套實際尺寸樣件分別安裝在兩臺射線源中，射線源以160kV/1.2mA的參數工作，進行射線屏蔽測試。經使用Fluke451P型電離室劑量率儀，選取射線源前、后、左、右、上、下方向，在距離X射線源表面5cm處，共6個測試位置進行測試，其射線泄漏照射量率數據，如表2所示。

經射線泄漏對比試驗可知，使用離心鑄造工藝后制備的樣件，使射線源的射線泄漏照射量率與之前相比平均降低了9.3%，進一步提高了射線源的射線屏蔽能力。

4　結論

目前，具有良好高壓絕緣能力和射線屏蔽能力的氧化鉛/環氧樹脂基防護零件應用在X射線源之中發揮著不可替代的作用。經對其制備工藝進行改進，加入了新設計的離心鑄造工藝，經實測有效提高了零件的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力。綜上所述，離心鑄造工藝有效提高了氧化鉛/環氧樹脂基防護零件的產品性能，保證了射線源的安全、穩定工作。

［1］ 沃丁柱.復合材料大全［M］.化學工業出版社，2002（1）:1-2.

［2］ 李江蘇，戴耀東，張瑜，等.氧化鉺/環氧樹脂輻射防護材料的制備及性能研究［J］.化工新型材料，2010，38（5）:48-52.

［3］ 張金昌.環氧樹脂改性及其涂層性能研究［D］.山東:山東大學，2011.

［4］ 項名珠.氧化鉛改性環氧樹脂的制備及研究［J］.絕緣材料，2012，45（6）:17-19.

［5］ 袁鐵軍，潭昌柏，鄭偉峰，等.大厚度復合材料構件固化成型技術的研究［J］.機械設計與制造，2013（03）:32-35.

［6］ 石成芳.離心鑄造鋁基復合材料梯度功能盤狀零件成形工藝研究［D］.重慶:重慶大學，2007.

［7］ Oliveira C G，Ferreira M C S. Ranking high-quality paint systems using EIS［J］. Intact coatings Cores Sci，2003，45:139-147.

［8］ 張武城.離心鑄造［M］.北京:機械工業出版社，2004.

Applied research of centrifugal casting in manufacturing lead oxide/epoxy resin parts

TM215

A

1009-0134（2016）06-0081-03

2016-04-07

李昊（1985 -），男，北京人，工程師，碩士，主要從事射線源的結構設計和絕緣設計。