外形結(jié)構(gòu)對聚四氟乙烯噴口表面應(yīng)力及性能的影響

吳明清，盧銀花，呂 敏，董?，摚?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(guān)有限公司，河南 平頂山 467001；3.平高集團(tuán)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(guān)滅弧裝置中控制電弧，創(chuàng)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(jī)填料經(jīng)過混合及壓制成預(yù)制品，然后加熱到晶體熔點(diǎn)327℃以上，最高至370℃，并在此溫度下保持一定時(shí)間，使聚合物分子由結(jié)晶型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型，分散的單個(gè)樹脂顆粒通過互相擴(kuò)散熔融粘結(jié)成一個(gè)連續(xù)的整體，再經(jīng)冷卻，使聚合物分子又從無定型逐漸轉(zhuǎn)為結(jié)晶型，從而制得的堅(jiān)固乳白色不透明制品[2]。

聚四氟乙烯噴口制品的燒結(jié)性能隨其形狀、燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)速度的不同而有所差異。燒結(jié)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(jié)時(shí)間則直接影響聚四氟乙烯分子結(jié)構(gòu)的排列情況，從而使得噴口制品表現(xiàn)出不同的使用性能[3-4]。由于涉及高溫熔融和降溫重結(jié)晶過程，燒結(jié)過程中制品各部位容易出現(xiàn)不同程度的溫度分布不均勻現(xiàn)象，燒結(jié)結(jié)束后制品各部位的表面應(yīng)力分布也存在差異，從而影響制品性能。不同的外形結(jié)構(gòu)、溫度分布和應(yīng)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(dǎo)熱性較差，燒結(jié)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(nèi)部熱量運(yùn)動的阻力越大，傳熱速度越慢，在重結(jié)晶過程中容易導(dǎo)致表面與內(nèi)部中心區(qū)域的溫差增大和表面應(yīng)力集中。而聚四氟乙烯噴口外形結(jié)構(gòu)多以中空異形為主，對應(yīng)預(yù)制品的外形結(jié)構(gòu)主要有柱形及各種異形結(jié)構(gòu)，如何使制品內(nèi)部傳熱更迅速，表面應(yīng)力分布更均勻，需要進(jìn)行針對性研究。

本研究采用有限元法，對不同外形結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯噴口預(yù)制品在燒結(jié)過程中的溫度和表面應(yīng)力分布進(jìn)行仿真，根據(jù)溫度和應(yīng)力分布情況，研究不同外形結(jié)構(gòu)對噴口制品性能的影響規(guī)律，為噴口制品制備環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)選型及制品性能的優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)

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(zé)任公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

電子壓力機(jī)，DDL1500型，長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司；高溫?zé)Y(jié)爐，GWSX-012型，無錫漢迪環(huán)保材料有限公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)，CMT6106型，深圳新三思材料檢測有限公司；密度計(jì)，LA120S型，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將聚四氟乙烯模塑料與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～6%的BN均勻混合，分別置于3種不同結(jié)構(gòu)形式的管狀不銹鋼模具中，采用電子壓力機(jī)進(jìn)行壓制，成型壓力為25～35 MPa，成型時(shí)間為20～30 min，分別制備柱形、肩形及錐形3種外形結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯噴口預(yù)制品。其中，柱形制品的外形尺寸為φ130 mm×φ30 mm（內(nèi)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(nèi)孔）×230 mm，如圖1所示。然后將3種噴口預(yù)制品放入高溫?zé)Y(jié)爐的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤上，在320～370℃下燒結(jié)4～6 h，370℃下恒溫保持4～6 h，隨后按照降溫速率40～60℃/h進(jìn)行降溫，降至室溫后取出制品。

圖1 3種結(jié)構(gòu)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(jìn)行密度測試，測試溫度為(23±2)℃，共測試5個(gè)試樣，結(jié)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(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，測試溫度為(23±2)℃，共測試5個(gè)試樣，結(jié)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(dǎo)性較差，在燒結(jié)過程中制品各位置點(diǎn)的溫度及表面應(yīng)力將有所不同，因此，本研究對柱形、肩形和錐形3種外形結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯制品燒結(jié)過程的溫度分布和燒結(jié)完成后的表面應(yīng)力分布進(jìn)行仿真分析。

仿真單元類型為三維熱實(shí)體單元，具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)溫度自由度。剖分網(wǎng)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(dǎo)熱系數(shù)為0.252 9 W/(m·K)，密度為2 200 kg/m3，表面與燒結(jié)爐內(nèi)氣體的換熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

3 結(jié)果及分析

3.1 仿真計(jì)算驗(yàn)證

3.1.1 溫度分布仿真分析

對3種外形結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯噴口制品在重結(jié)晶起始時(shí)間點(diǎn)（即370℃恒溫結(jié)束的時(shí)刻）和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)（即降溫至335℃的時(shí)刻）進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，得到不同外形結(jié)構(gòu)聚四氟乙烯噴口的溫度分布圖，如圖2～3所示。

圖2 重結(jié)晶起始時(shí)間點(diǎn)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(jié)晶起始時(shí)間點(diǎn)，3種結(jié)構(gòu)噴口制品各部位的溫差控制在0.5℃以內(nèi)，幾乎趨于均勻。

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

3.1.2 應(yīng)力分布仿真結(jié)果分析

在溫度分布仿真基礎(chǔ)上，3種外形結(jié)構(gòu)噴口制品在燒結(jié)結(jié)束時(shí)的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。從圖4可以看出，柱形結(jié)構(gòu)噴口的表面應(yīng)力介于0.22～0.75 MPa，肩形和錐形結(jié)構(gòu)噴口的表面應(yīng)力范圍，分別為0.13～0.70 MPa和0.16～0.72 MPa。對比3種外形結(jié)構(gòu)噴口，柱形結(jié)構(gòu)噴口的表面應(yīng)力值最大區(qū)域集中于兩端面及壁厚中間區(qū)域，中間區(qū)域的應(yīng)力值高達(dá)0.65 MPa，在高度為30～180 mm區(qū)域的表面應(yīng)力高達(dá)0.55～0.65 MPa。而肩形結(jié)構(gòu)噴口內(nèi)部應(yīng)力集中于大端壁厚中間位置，應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)域。錐形結(jié)構(gòu)噴口內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域也分布于大端壁厚中間位置，范圍小，外圓周則沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。內(nèi)部和表面應(yīng)力分布情況與溫度分布仿真結(jié)果吻合。

圖4 燒結(jié)結(jié)束時(shí)的表面應(yīng)力分布圖Fig.4 Surface stress distribution at sintering terminate time

3.2 性能測試結(jié)果與討論

3.2.1 密度測試結(jié)果

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

圖5 不同外形結(jié)構(gòu)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(jié)果

3種外形結(jié)構(gòu)聚四氟乙烯噴口制品在不同位置處的拉伸強(qiáng)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(jié)構(gòu)制品不同位置上的拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律與密度變化規(guī)律一致，即錐形結(jié)構(gòu)噴口各部分的拉伸強(qiáng)度基本一致，均大于24 MPa，而肩形結(jié)構(gòu)噴口則呈現(xiàn)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(qū)域達(dá)到最小值。柱形結(jié)構(gòu)噴口的拉伸強(qiáng)度在3種結(jié)構(gòu)中最小，介于19～21 MPa。

圖6 不同外形結(jié)構(gòu)噴口不同位置的拉伸強(qiáng)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(jié)果

圖7為3種外形結(jié)構(gòu)聚四氟乙烯噴口制品的X光探傷結(jié)果。

圖7 不同外形結(jié)構(gòu)噴口制品的X射線檢測結(jié)果Fig.7 X-ray test results of nozzle products with different appearance structures

從圖7可以看出，肩形結(jié)構(gòu)噴口在肩部位置存在不同程度的裂紋現(xiàn)象，與熱應(yīng)力仿真分析結(jié)果一致，在實(shí)際生產(chǎn)過程中不利于零件成型。柱形和錐形結(jié)構(gòu)噴口通過X光探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋，各部分結(jié)構(gòu)過渡良好。

4 結(jié)論

（1）在370～335℃重結(jié)晶區(qū)域，3種外形結(jié)構(gòu)噴口的溫度分布均呈現(xiàn)中間高、兩端低的變化趨勢，溫度極差為7℃。其中，柱形結(jié)構(gòu)噴口內(nèi)部高溫區(qū)域分布較大，錐形比肩形結(jié)構(gòu)噴口的溫度分布平緩，在壁厚中間位置上，肩形結(jié)構(gòu)存在溫度驟然降低現(xiàn)象，對制品燒結(jié)質(zhì)量不利。

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

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

（4）在制備聚四氟乙烯噴口制品時(shí)，需根據(jù)噴口規(guī)格合理設(shè)計(jì)外形結(jié)構(gòu)，若外形尺寸較大時(shí)，不建議選用柱形結(jié)構(gòu)。選用不規(guī)則結(jié)構(gòu)時(shí)，需充分考慮過渡區(qū)域的尺寸設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)溫度驟降及應(yīng)力集中問題。