外形結構對聚四氟乙烯噴口表面應力及性能的影響

吳明清，盧銀花，呂 敏，董保瑩，王 晶，侯亞峰

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001；2.河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467001；3.平高集團國際工程有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

滅弧噴口是高壓開關滅弧裝置中控制電弧，創造高速氣吹條件的核心部件[1]。噴口制品是將聚四氟乙烯與無機填料經過混合及壓制成預制品，然后加熱到晶體熔點327℃以上，最高至370℃，并在此溫度下保持一定時間，使聚合物分子由結晶型逐漸轉變為無定型，分散的單個樹脂顆粒通過互相擴散熔融粘結成一個連續的整體，再經冷卻，使聚合物分子又從無定型逐漸轉為結晶型，從而制得的堅固乳白色不透明制品[2]。

聚四氟乙烯噴口制品的燒結性能隨其形狀、燒結時間、燒結速度的不同而有所差異。燒結過程中冷卻速度不僅對制品的拉伸性能有影響，對制品的介電性能也有影響，冷卻速度慢的制品比冷卻速度快的制品介電性能略高。燒結時間則直接影響聚四氟乙烯分子結構的排列情況，從而使得噴口制品表現出不同的使用性能[3-4]。由于涉及高溫熔融和降溫重結晶過程，燒結過程中制品各部位容易出現不同程度的溫度分布不均勻現象，燒結結束后制品各部位的表面應力分布也存在差異，從而影響制品性能。不同的外形結構、溫度分布和應力分布對制品性能的影響均有所不同。

由于聚四氟乙烯的導熱性較差，燒結過程中噴口制品的溫度分布均勻性難以控制，其中制品的壁厚和長度為主要影響因素。制品的壁厚和長度越大，內部熱量運動的阻力越大，傳熱速度越慢，在重結晶過程中容易導致表面與內部中心區域的溫差增大和表面應力集中。而聚四氟乙烯噴口外形結構多以中空異形為主，對應預制品的外形結構主要有柱形及各種異形結構，如何使制品內部傳熱更迅速，表面應力分布更均勻，需要進行針對性研究。

本研究采用有限元法，對不同外形結構的聚四氟乙烯噴口預制品在燒結過程中的溫度和表面應力分布進行仿真，根據溫度和應力分布情況，研究不同外形結構對噴口制品性能的影響規律，為噴口制品制備環節的結構選型及制品性能的優化提供參考。

1 試驗

1.1 主要原材料

聚四氟乙烯(PTFE)模塑料，M18型，日本大金氟制品有限公司；六方氮化硼(BN)，白色晶體粉末，丹東市化工研究所有限責任公司。

1.2 主要儀器和設備

電子壓力機，DDL1500型，長春機械科學研究院有限公司；高溫燒結爐，GWSX-012型，無錫漢迪環保材料有限公司；電子萬能試驗機，CMT6106型，深圳新三思材料檢測有限公司；密度計，LA120S型，賽多利斯科學儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將聚四氟乙烯模塑料與質量分數為4%～6%的BN均勻混合，分別置于3種不同結構形式的管狀不銹鋼模具中，采用電子壓力機進行壓制，成型壓力為25～35 MPa，成型時間為20～30 min，分別制備柱形、肩形及錐形3種外形結構的聚四氟乙烯噴口預制品。其中，柱形制品的外形尺寸為φ130 mm×φ30 mm（內孔）×230 mm，錐形和肩形制品的外形尺寸均為φ130 mm（大端）×φ96 mm（小端）×φ30 mm（內孔）×230 mm，如圖1所示。然后將3種噴口預制品放入高溫燒結爐的旋轉轉盤上，在320～370℃下燒結4～6 h，370℃下恒溫保持4～6 h，隨后按照降溫速率40～60℃/h進行降溫，降至室溫后取出制品。

圖1 3種結構形式的滅弧噴口制品Fig1 Three shepes of quenching nozzle products

1.4 測試方法

按照GB/T 1033.1—2008制備樣品并進行密度測試，測試溫度為(23±2)℃，共測試5個試樣，結果取平均值；按照GB/T 1040.2—2006制備5A型試樣，再按照GB/T 1040.1—2006進行拉伸強度測試，測試溫度為(23±2)℃，共測試5個試樣，結果取平均值。

2 仿真模型建立

由于聚四氟乙烯制品的熱傳導性較差，在燒結過程中制品各位置點的溫度及表面應力將有所不同，因此，本研究對柱形、肩形和錐形3種外形結構的聚四氟乙烯制品燒結過程的溫度分布和燒結完成后的表面應力分布進行仿真分析。

仿真單元類型為三維熱實體單元，具有8個節點，每個節點為一個溫度自由度。剖分網格單元形狀為四面體，采用自由劃分方式[5-6]。聚四氟乙烯的材料屬性如下：比熱容為1 470 J/(kg·℃)、導熱系數為0.252 9 W/(m·K)，密度為2 200 kg/m3，表面與燒結爐內氣體的換熱系數為25 W/(m2·K)。

3 結果及分析

3.1 仿真計算驗證

3.1.1 溫度分布仿真分析

對3種外形結構的聚四氟乙烯噴口制品在重結晶起始時間點（即370℃恒溫結束的時刻）和結束時間點（即降溫至335℃的時刻）進行瞬態熱分析，得到不同外形結構聚四氟乙烯噴口的溫度分布圖，如圖2～3所示。

圖2 重結晶起始時間點噴口的溫度梯度分布Fig.2 Temperature gradient distribution of nozzle at recrystallization origin time

由圖2可知，在重結晶起始時間點，3種結構噴口制品各部位的溫差控制在0.5℃以內，幾乎趨于均勻。

圖3 重結晶結束時間點噴口的溫度梯度分布圖Fig.3 Temperature gradient distribution of nozzle at recrystallization terminate time

從圖3可以看出，在重結晶結束時間點，3種結構噴口制品各部位的最大溫差達7℃，整體呈現中間位置溫度高、兩端溫度低的變化趨勢。其中，除表面區域外，柱形結構噴口內部區域均處于高溫狀態（339～342℃），壁厚中間位置上高度為30～200 mm區域的溫度達到341℃。肩形結構噴口的高溫區域則集中于高度為20～90 mm的大直徑端區域，而小直徑端內部溫度與外表面溫度差異較小。在壁厚中間位置上，肩形結構噴口在高度為50～120 mm區域的溫度驟然降低，隨后形成一個溫度平臺，這與肩部位置相對應。但溫度突然降低容易在此區域形成應力集中，導致聚四氟乙烯重結晶的晶核生長受阻，致使該區域的晶核大小差異明顯，對燒結質量均勻性不利。錐形結構噴口各區域溫度分布較另外兩種結構均勻，高溫區域面積較肩形結構噴口明顯縮小。在壁厚中間位置上的溫度沿高度方向呈現平緩降低的變化趨勢，未發生溫度驟降現象。溫度均勻降低可使晶核沿著溫度降低方向呈現大小均勻分布，對于燒結重結晶質量有利。綜上可知，錐形結構噴口的溫度分布較均勻，對燒結質量有利，柱形結構噴口的燒結質量最差。

3.1.2 應力分布仿真結果分析

在溫度分布仿真基礎上，3種外形結構噴口制品在燒結結束時的應力分布云圖如圖4所示。從圖4可以看出，柱形結構噴口的表面應力介于0.22～0.75 MPa，肩形和錐形結構噴口的表面應力范圍，分別為0.13～0.70 MPa和0.16～0.72 MPa。對比3種外形結構噴口，柱形結構噴口的表面應力值最大區域集中于兩端面及壁厚中間區域，中間區域的應力值高達0.65 MPa，在高度為30～180 mm區域的表面應力高達0.55～0.65 MPa。而肩形結構噴口內部應力集中于大端壁厚中間位置，應力最大值約為0.55 MPa，且分布范圍較小，但在肩部外圓周存在0.50～0.60 MPa的應力集中區域。錐形結構噴口內部應力集中區域也分布于大端壁厚中間位置，范圍小，外圓周則沒有出現應力集中區域。內部和表面應力分布情況與溫度分布仿真結果吻合。

圖4 燒結結束時的表面應力分布圖Fig.4 Surface stress distribution at sintering terminate time

3.2 性能測試結果與討論

3.2.1 密度測試結果

對聚四氟乙烯噴口制品從大端面沿高度方向進行均勻間隔取樣，共5處。3種外形結構噴口制品在不同位置的材料密度測試結果如圖5所示。從圖5可知，柱形和錐形結構噴口不同位置的密度測試結果變化極小，各部分密度差小于0.008 g/cm3，柱形結構噴口整體的密度較低；肩形結構噴口的密度分布呈現先快速減小，而后逐漸增大的變化趨勢，在第3點位置即肩部區域達到最小值，極差達0.026 g/cm3。整體而言，錐形結構噴口密度的均勻性優于肩形和柱形結構噴口。

圖5 不同外形結構噴口不同位置的密度分布Fig.5 Density distribution at different position of nozzle with different appearance structures

3.2.2 拉伸性能測試結果

3種外形結構聚四氟乙烯噴口制品在不同位置處的拉伸強度分布如圖6所示。從圖6可以看出，從大端面高度方向開始，3種結構制品不同位置上的拉伸強度變化規律與密度變化規律一致，即錐形結構噴口各部分的拉伸強度基本一致，均大于24 MPa，而肩形結構噴口則呈現快速減小而后緩慢增大的變化趨勢，各部分性能分散性大，在肩形區域達到最小值。柱形結構噴口的拉伸強度在3種結構中最小，介于19～21 MPa。

圖6 不同外形結構噴口不同位置的拉伸強度分布Fig.6 Tensile strength distribution at different position of nozzle with different appearance structures

3.2.3 探傷檢測結果

圖7為3種外形結構聚四氟乙烯噴口制品的X光探傷結果。

圖7 不同外形結構噴口制品的X射線檢測結果Fig.7 X-ray test results of nozzle products with different appearance structures

從圖7可以看出，肩形結構噴口在肩部位置存在不同程度的裂紋現象，與熱應力仿真分析結果一致，在實際生產過程中不利于零件成型。柱形和錐形結構噴口通過X光探傷未發現裂紋，各部分結構過渡良好。

4 結論

（1）在370～335℃重結晶區域，3種外形結構噴口的溫度分布均呈現中間高、兩端低的變化趨勢，溫度極差為7℃。其中，柱形結構噴口內部高溫區域分布較大，錐形比肩形結構噴口的溫度分布平緩，在壁厚中間位置上，肩形結構存在溫度驟然降低現象，對制品燒結質量不利。

（2）3種外形結構噴口的內部應力集中區域面積從大到小依次為：柱形結構、肩形結構、錐形結構。柱形結構噴口內部存在較大的高應力集中區域，錐形結構噴口外圓周無應力集中，肩形結構噴口在肩部區域應力值高達0.55～0.65 MPa，應力分布與溫度仿真分布結果保持一致。

（3）對3種外形結構噴口進行密度及拉伸性能測試表明，錐形結構噴口性能分布均勻，柱形結構噴口性能整體較低，而肩形結構噴口則在肩部位置存在性能驟降點，對成型不利。X光探傷檢測發現，肩形結構噴口在肩部位置存在裂紋，而錐形結構噴口則質量分布均勻。

（4）在制備聚四氟乙烯噴口制品時，需根據噴口規格合理設計外形結構，若外形尺寸較大時，不建議選用柱形結構。選用不規則結構時，需充分考慮過渡區域的尺寸設計，避免出現溫度驟降及應力集中問題。