基于閥體制造的先進樹脂基復合材料性能研究

喻九陽 ，王眾浩，陳 琦*，夏亞忠

（1.武漢工程大學機電工程學院，武漢 430205；2.湖北省綠色化工裝備工程技術研究中心，武漢 430205）

0 前言

化工管路中閥門存在腐蝕失效、老化等問題，利用非金屬材料替代金屬材料制造閥門可有效解決閥門易腐蝕、短壽命等問題［1］。熱固性樹脂基復合材料優異的抗腐蝕性、耐疲勞性等特性可滿足現代工業閥門的各種要求，同時生產成本低廉、生產周期短，適合大規模普及應用，因此作為非金屬閥門的首選材料［2‐3］。但我國閥門制造企業層次低、規模小、研發能力不足，需迫切開展閥門復合材料研發工作。

為確保復合材料制品的應用安全，學者們根據復合材料內部結構及成分開展了力學性能相關研究，證明了微觀結構及成分決定了宏觀尺度上的異質性和各向異性［4‐6］。Johanson、Tang與Hta等［7‐9］研究了 SMC制品的極限強度和彈性模量，評估了SMC制品力學性能材料與內部纖維增強材料的強相關性。因此，為了制備高性能閥門基材，需開展纖維增強材料相關研究。徐鑫敏、周雨力等［10‐11］改進了BMC內樹脂基團成分，并開展了力學性能及其他相關性能表征和測試，揭示了特定基團對材料性能起決定性作用，故開展樹脂基成分與材料力學性能相關性研究具有重要意義。王婷婷［12］研究了模壓工藝中材料的流變性，發現最佳成型工藝對材料力學性能起決定性影響。因此，為得到力學性能優異的閥體制品需解決最佳模壓工藝這一難題。

本文通過對復合材料內樹脂基與纖維增強材料改性、改進模壓料的制作方法、改進模壓工藝等手段制備高性能閥體模壓料，測試其力學性能，并基于材料性能對復合材料閥體開展仿真計算，研究材料的適用性。

1 實驗部分

1.1 主要原料

乙烯基SMC，SMC‐1400，玻璃纖維含量35%，浙江律通復合材料有限公司；

酚醛SMC，SQS101，玻璃纖維含量≥25%，石家莊利鼎電子材料公司；

酚醛BMC，FX501，玻璃纖維含量35%，天津市大港絕緣材料廠；

環氧樹脂，CYD‐128，湖南岳陽巴陵石化有限公司；

無水乙醇，分析純，中國醫藥集團；無堿玻璃纖維布，市售。

1.2 主要設備及儀器

平板硫化儀，TZ112，上海品重檢測設備有限公司；

精雕機，山龍S200，深圳市松普實業集團有限公司；

3D景深儀，DVM6，德國LAIKA公司；

電子式萬能試驗機，TCS‐2000，中國深圳高品檢測設備有限公司。

1.3 樣品制備

因SMC材料成型工藝為添加樹脂擠壓成型，兩側附有塑料薄膜防止材料氧化變質，塑料薄膜脫落后材料會迅速氧化變質，不適合進行樹脂基改性二次加工；BMC材料通過樹脂與纖維充分混合成型，氧化變質速率慢，因此對BMC材料進行樹脂基改性。將環氧樹脂融入無水乙醇溶液中，采用噴淋法添加至BMC材料中進行改性，再將BMC材料放入模具中加壓升溫至樹脂流動溫度進行保溫，再繼續升溫至固化溫度制作力學實驗樣板；其中，酚醛添加量分別為BMC材料質量0、5%、10%，相應的樣板命名為F‐BMC‐1、F‐BMC‐2、F‐BMC‐3；對于酚醛SMC材料和乙烯基SMC，通過加入玻璃纖維布進行改性，將玻璃纖維布剪裁與模具型腔橫截面面積相同，鋪至SMC材料中心位置；其中，未添加和添加玻璃纖維布的酚醛SMC和乙烯基SMC樣板分別命名為F‐SMC‐1、F‐SMC‐2、Y‐SMC‐1、Y‐SMC‐2；本試驗采用的模具可壓制400 mm×400 mm平板，如圖1所示；選取成型無缺陷樣板利用精雕機將樣板加工為國標力學實驗樣條。

圖1 平板模具Fig.1 Flat mold

1.4 性能測試與結構表征

按照GB/T 1447—2005測試樣條的拉伸性能，拉伸速率為2 mm/min；按照GB/T 1447—2005測試樣條的彎曲性能，彎曲速率為2 mm/min；每根樣條測量3次，記錄中間斷裂區寬度與厚度平均值；測試后剔除偏差較大數據，其余數據取平均值并計算樣條的拉伸模量與彎曲模量；

微觀形貌分析：選取拉伸試驗斷裂樣條進行微觀形貌分析，拍攝其斷裂面與平整截面，放大倍數為100倍。

2 結果與討論

2.1 材料的力學性能

樣條的拉伸性能見表1。結果表明，在酚醛SMC材料與乙烯基SMC中添加玻璃纖維布不能顯著提高材料的拉伸強度。其中，酚醛SMC材料拉伸性能無顯著變化，乙烯基SMC材料拉伸性能甚至下降。在實驗過程中發現，玻璃纖維布改性乙烯基SMC材料樣板在切割成實驗樣條過程中，樣條出現了分層現象（圖2）。分析其原因為SMC材料內原有的玻璃纖維與樹脂材料按比例均勻混合而成，而用玻璃纖維布改性SMC材料時，對材料進行二次加工添加玻璃纖維布后會破壞原有平衡，造成樹脂固化不均勻，且玻璃纖維布厚度與樣條厚度相差較大，且在樣條內部難以呈現理想的中心分布，因此對拉伸強度改良作用較小甚至有反向作用。

圖2 乙烯基SMC分層現象Fig.2 Vinyl SMC delamination phenomenon

表1 樣條的拉伸性能Tab.1 Tensile properties of the splines

在酚醛BMC材料中添加5%（質量分數，下同）環氧樹脂后，材料的拉伸強度顯著上升；但在材料中添加10%環氧樹脂后，材料拉伸強度較未添加樹脂具有小幅增長，但相對于添加5%環氧樹脂材料的拉伸強度顯著下降。其原因在于環氧樹脂的力學性能強于酚醛樹脂，向其中添加少量環氧樹脂可增強材料的拉伸強度，但當材料中環氧樹脂含量過大時，環氧樹脂則破壞了酚醛樹脂的固化結構，造成拉伸強度下降。從表1還可以看出，向酚醛BMC材料中添加環氧樹脂可以提高材料的拉伸模量。這是因為環氧樹脂的黏度比酚醛樹脂大，同時樹脂含量升高導致材料中纖維含量減少，樹脂交聯固化形成的結構在單位形變上可承受的力更大，因此添加環氧樹脂可以提高材料的拉伸模量。而玻璃纖維布改性SMC會降低材料中樹脂的質量分數，其內部形成的單位體積內的纖維質量分數相較于未添加玻璃纖維布的復合材料更小，同時會對樹脂的固化反應造成破壞，故添加玻璃纖維布不能提高材料的彈性模量。

樣條的彎曲性能見表2。可以看到，酚醛SMC與乙烯基SMC材料的彎曲強度與彎曲模量均低于酚醛BMC材料；3種材料中酚醛SMC彎曲性能最差，酚醛BMC材料彎曲性能最佳；采用玻璃纖維布對酚醛SMC與乙烯基SMC材料改性可增強材料的彎曲強度與彎曲模量，但改性后2種材料的彎曲強度依舊與酚醛BMC材料有較大差距；隨著酚醛BMC材料中添加環氧樹脂含量的增加，材料彎曲模量與彎曲強度均先下降后升高；乙烯基SMC材料具有優異的彎曲強度，但其彎曲模量較差，改性后其彎曲模量與酚醛BMC材料依舊相差較大。

表2 樣條的彎曲性能Tab.2 Bending properties of the splines

2.2 乙烯基SMC材料成型工藝研究

根據力學性能測試可知，乙烯基SMC材料的力學性能優異，因此對乙烯基SMC材料的成型工藝進行深入研究，以發揮出材料的最佳性能。根據材料固化動力學的理論成型溫度探討乙烯基SMC材料的最佳成型工藝，選取成型溫度160℃，成型壓力分別為7、9、11 MPa，保溫時間20、30、40 min設計實驗。由于材料的參數與水平較多，為節省實驗成本與時間，首先固定成型壓力為9 MPa進行實驗設計，再將保溫時間固定為30 min設計實驗，由此可得到5組實驗條件（表3）。根據以上實驗設計，完成乙烯基SMC樣板的壓制、切割和力學性能測試。

表3 實驗條件Tab.3 Experimental conditions

樣條的拉伸性能見表4和圖3。可以看到，圖3（a）中有明顯峰值，在壓強為9 MPa、時間20 min時，拉伸強度達到最大值；拉伸強度隨壓強的變化在圖中呈現對稱性，表明拉伸強度隨著壓強的增大先升高后降低，在9 MPa達到峰值；保溫時間與拉伸強度具有較強的線性關系，拉伸強度隨保溫時間的延長呈單邊下降趨勢。圖3（b）中無明顯的峰值，整體圖形呈現扁平的四邊形，表明壓強大小的改變對于拉伸模量的變化影響不大；在不同時間下保溫時間與拉伸模量變化呈相線性關系，在保溫時間為30 min以上時拉伸模量可以達到5 000 MPa以上。

圖3 壓強‐時間‐拉伸性能關系Fig.3 Relationship between pressure，time and tensile property

表4 樣條的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of the splines

拉伸性能測試結果表明，壓強改變與復合材料拉伸性能變化無必要聯系，說明模具在7 MPa壓力下可將復合材料充分壓實，繼續增加壓力并不能減小復合材料的體積，無法提高單位體積內玻璃纖維含量。而保溫時間是影響乙烯基SMC材料拉伸性能的重要因素，當改變保溫時間時，復合材料中樹脂基交聯固化反應程度變化劇烈，保溫時間過長時會導致材料拉伸強度下降，而降低模壓過程保溫時間造成材料的拉伸模量減小，因此模壓制造過程中保溫時間決定材料拉伸性能。

樣條的彎曲性能見表5和圖4。可以看到，圖4（a）中圖形呈錐形結構，表明保溫時間延長與壓強的增大均會造成樣條彎曲強度先升高再降低；當壓強為9 MPa、保溫時間為30 min時，材料的彎曲強度達到峰值92.33 MPa；隨著壓強升高與保溫時間延長，材料的彎曲強度下降。圖4（b）中圖形上方出現了明顯的凹痕，證明當壓強不斷升高時彎曲模量先下降后上升，壓強為9 MPa時材料的彎曲模量最小；而材料的彎曲模量會隨著保溫時間的延長先升高后降低，保溫時間為30 min時材料的彎曲模量最高。結合圖中的彎曲強度與彎曲模量可知，彎曲模量在保溫時間為30 min，壓強為7 MPa與11 MPa時材料的彎曲模量最大，但此時材料的彎曲強度較小。為保障材料的綜合彎曲性能，選擇模壓工藝為9 MPa，保溫時間為30 min進行壓制。

圖4 壓強‐時間‐彎曲性能關系Fig.4 Relationship between pressure，time and bending property

表5 樣條的彎曲性能Tab.5 Bending properties of the splines

乙烯基SMC材料的拉伸性能與彎曲性能測試結果表明，材料在160℃成型溫度下，模壓工藝為9 MPa、保溫時間為30 min時綜合力學性能最優，此時材料的拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量分別為148.26、4 502.11、92.33、2 387.51 MPa。對比通過工藝進行改進的乙烯基SMC材料與酚醛BMC的力學性能發現，酚醛BMC具有更加優秀的彎曲性能，在彎曲模量上的表現尤為突出；同時酚醛樹脂本身具有比乙烯基樹脂更為優異的阻燃性和耐溫性。因此可對乙烯基SMC閥體與酚醛BMC閥體開展設計驗證。

2.3 微觀形貌分析

為了研究復合材料樣條的失效機理，采用微觀分析技術對其進一步分析。因樹脂基復合材料斷裂位置非平整截面，故普通的掃描電子顯微鏡無法良好表征斷面狀態。由于斷裂位置存在較大高低差，為實現視野范圍內的清晰成像，利用3D大景深技術表征斷裂位置形貌。對比添加5%環氧樹脂的酚醛BMC［圖5（a）］與添加10%環氧樹脂的酚醛BMC［圖5（c）］斷裂位置可見，環氧樹脂含量增加破化了原有樹脂的固化反應。圖5（a）中樹脂與纖維混合均勻，無明顯裸露纖維，而圖5（c）中纖維與樹脂存在顯著分離。對比圖5（b）和圖5（d）發現，環氧樹脂含量低的材料成型致密，但環氧樹脂含量高材料交聯固化結構中成型塊狀結構更大。對比圖5（e）與圖5（g）斷裂區域發現，加入玻璃纖維布的SMC材料斷裂區域具有明顯的指向性。但結合圖5（f）與圖5（h）可發現，加入玻璃纖維布之后材料出現明顯分層現象，因此導致材料力學性能不佳，但由于纖維布的指向性使得材料力學性能下降程度較小。

圖5 樣條的微觀形貌Fig.5 Micromorphology of the splines

3 閥體靜力學分析

閥體作為球閥中體積最大、結構最為復雜的零件，承受著內部流體的沖擊力和外部管道的連接力，因此閥體的設計直接決定了閥門的使用安全與壽命。為避免極端載荷造成的閥體失效問題，基于閥體內部流體的流動狀態計算閥體的應力分布，以驗證乙烯基SMC材料與酚醛BMC材料是否滿足閥體制造條件。閥體內部結構復雜，包含閥球、密封件、閥桿等零件，但進行應力分析時，簡化其受力，只考慮閥體壁面應力狀態。

3.1 閥體有限元分析建模與網格劃分

本文采用Soildworks三維計算機輔助設計（CAD）建模軟件，保留閥體外部加強筋，簡化表面螺紋孔，去除表面圓角與倒角，忽略內部密封件與閥球‐壁面的接觸，保留流道結構，基于閥體流道建立閥體簡化實體模型，如圖6所示。

圖6 簡化閥體Fig.6 Simplified valve body

閥體靜力學計算基于ABAQUS開展仿真計算，閥體結構呈左右對稱，因此選擇一半閥體開展計算工作。網格劃分需兼顧仿真計算資源消耗量與閥體自身結構特點，為保證有限元計算結果的精確性，使用六面體單元劃分閥體，閥體流道承受應力較大，對此區域網格細分，加強筋等部位對應力計算結果較小，網格相對稀疏。閥體網格劃分數量為32×104，節點為46×104，如圖7所示。

圖7 閥體網格Fig.7 Grid on valve body

閥體為復合材料閥體，閥體材料屬性根據前文中2種樹脂基復合材料力學參數設定，BMC材料彈性模量為2.616 GPa，SMC材料拉伸模量為5.071 GPa、泊松比為0.3，彈性模量為2.18 GPa、剪切模量為1 GPa、材料密度為1.9 g/cm3。根據流場壓力計算進行閥體靜力學計算，上文中表明流體閥體處于即將關閉狀態時壁面承受壓力迅速升高，可升至20 MPa。

3.2 閥體靜力學計算結果分析

對閥體內部施加管道力，計算結果如圖8所示。結果表明，乙烯基復合材料與酚醛復合材料均可以承受住閥體關閉過程中的極端壓力變化。當管路中壓力升至20 MPa時，2種材料均為閥體中部變形程度最大，其中BMC材料比SMC材料變形更明顯，但最大變形程度僅為0.48 mm，應變最大值為0.066。此2種材料受力狀態均滿足閥體的安全性設計要求，因此采用SMC材料與BMC材料分別壓制閥體。

圖8 閥體有限元分析結果Fig.8 Finite element analysis results of valve body

4 結論

（1）3種材料中酚醛SMC材料拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量均表現不佳，添加玻璃纖維布改性后各類力學性能表現依舊不佳，因此不考慮采用該材料作為閥體材料；

（2）采用一定量的環氧樹脂對酚醛BMC材料改性可以增強材料的力學性能，但需要控制環氧樹脂添加量，不同添加量的環氧樹脂對材料不同力學性能指標具有不同影響；酚醛BMC材料的彎曲模量在3種材料中表現最為優異，因此可選擇添加10%環氧樹脂的改性BMC材料作為閥體材料；

（3）3種材料中乙烯基SMC的各類力學性能均比較優異，但乙烯基SMC不適合改性；成型溫度160℃，模壓工藝9 MPa、保溫時間30 min下乙烯基SMC材料的力學性能最佳；閥體力學仿真結果表明，乙烯基SMC與酚醛BMC均滿足閥體制造要求。