基于閥體制造的先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能研究

喻九陽(yáng) ，王眾浩，陳 琦*，夏亞忠

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205；2.湖北省綠色化工裝備工程技術(shù)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(wèn)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(wèn)題［1］。熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料優(yōu)異的抗腐蝕性、耐疲勞性等特性可滿足現(xiàn)代工業(yè)閥門的各種要求，同時(shí)生產(chǎn)成本低廉、生產(chǎn)周期短，適合大規(guī)模普及應(yīng)用，因此作為非金屬閥門的首選材料［2‐3］。但我國(guó)閥門制造企業(yè)層次低、規(guī)模小、研發(fā)能力不足，需迫切開(kāi)展閥門復(fù)合材料研發(fā)工作。

為確保復(fù)合材料制品的應(yīng)用安全，學(xué)者們根據(jù)復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分開(kāi)展了力學(xué)性能相關(guān)研究，證明了微觀結(jié)構(gòu)及成分決定了宏觀尺度上的異質(zhì)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(qiáng)度和彈性模量，評(píng)估了SMC制品力學(xué)性能材料與內(nèi)部纖維增強(qiáng)材料的強(qiáng)相關(guān)性。因此，為了制備高性能閥門基材，需開(kāi)展纖維增強(qiáng)材料相關(guān)研究。徐鑫敏、周雨力等［10‐11］改進(jìn)了BMC內(nèi)樹(shù)脂基團(tuán)成分，并開(kāi)展了力學(xué)性能及其他相關(guān)性能表征和測(cè)試，揭示了特定基團(tuán)對(duì)材料性能起決定性作用，故開(kāi)展樹(shù)脂基成分與材料力學(xué)性能相關(guān)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(fā)現(xiàn)最佳成型工藝對(duì)材料力學(xué)性能起決定性影響。因此，為得到力學(xué)性能優(yōu)異的閥體制品需解決最佳模壓工藝這一難題。

本文通過(guò)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)樹(shù)脂基與纖維增強(qiáng)材料改性、改進(jìn)模壓料的制作方法、改進(jìn)模壓工藝等手段制備高性能閥體模壓料，測(cè)試其力學(xué)性能，并基于材料性能對(duì)復(fù)合材料閥體開(kāi)展仿真計(jì)算，研究材料的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)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(fù)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，F(xiàn)X501，玻璃纖維含量35%，天津市大港絕緣材料廠；

環(huán)氧樹(shù)脂，CYD‐128，湖南岳陽(yáng)巴陵石化有限公司；

無(wú)水乙醇，分析純，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)；無(wú)堿玻璃纖維布，市售。

1.2 主要設(shè)備及儀器

平板硫化儀，TZ112，上海品重檢測(cè)設(shè)備有限公司；

精雕機(jī)，山龍S200，深圳市松普實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司；

3D景深儀，DVM6，德國(guó)LAIKA公司；

電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，TCS‐2000，中國(guó)深圳高品檢測(cè)設(shè)備有限公司。

1.3 樣品制備

因SMC材料成型工藝為添加樹(shù)脂擠壓成型，兩側(cè)附有塑料薄膜防止材料氧化變質(zhì)，塑料薄膜脫落后材料會(huì)迅速氧化變質(zhì)，不適合進(jìn)行樹(shù)脂基改性二次加工；BMC材料通過(guò)樹(shù)脂與纖維充分混合成型，氧化變質(zhì)速率慢，因此對(duì)BMC材料進(jìn)行樹(shù)脂基改性。將環(huán)氧樹(shù)脂融入無(wú)水乙醇溶液中，采用噴淋法添加至BMC材料中進(jìn)行改性，再將BMC材料放入模具中加壓升溫至樹(shù)脂流動(dòng)溫度進(jìn)行保溫，再繼續(xù)升溫至固化溫度制作力學(xué)實(shí)驗(yàn)樣板；其中，酚醛添加量分別為BMC材料質(zhì)量0、5%、10%，相應(yīng)的樣板命名為F‐BMC‐1、F‐BMC‐2、F‐BMC‐3；對(duì)于酚醛SMC材料和乙烯基SMC，通過(guò)加入玻璃纖維布進(jìn)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(yàn)采用的模具可壓制400 mm×400 mm平板，如圖1所示；選取成型無(wú)缺陷樣板利用精雕機(jī)將樣板加工為國(guó)標(biāo)力學(xué)實(shí)驗(yàn)樣條。

圖1 平板模具Fig.1 Flat mold

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

按照GB/T 1447—2005測(cè)試樣條的拉伸性能，拉伸速率為2 mm/min；按照GB/T 1447—2005測(cè)試樣條的彎曲性能，彎曲速率為2 mm/min；每根樣條測(cè)量3次，記錄中間斷裂區(qū)寬度與厚度平均值；測(cè)試后剔除偏差較大數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)取平均值并計(jì)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(yàn)斷裂樣條進(jìn)行微觀形貌分析，拍攝其斷裂面與平整截面，放大倍數(shù)為100倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的力學(xué)性能

樣條的拉伸性能見(jiàn)表1。結(jié)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(qiáng)度。其中，酚醛SMC材料拉伸性能無(wú)顯著變化，乙烯基SMC材料拉伸性能甚至下降。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維布改性乙烯基SMC材料樣板在切割成實(shí)驗(yàn)樣條過(guò)程中，樣條出現(xiàn)了分層現(xiàn)象（圖2）。分析其原因?yàn)镾MC材料內(nèi)原有的玻璃纖維與樹(shù)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(shí)，對(duì)材料進(jìn)行二次加工添加玻璃纖維布后會(huì)破壞原有平衡，造成樹(shù)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(nèi)部難以呈現(xiàn)理想的中心分布，因此對(duì)拉伸強(qiáng)度改良作用較小甚至有反向作用。

圖2 乙烯基SMC分層現(xiàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）環(huán)氧樹(shù)脂后，材料的拉伸強(qiáng)度顯著上升；但在材料中添加10%環(huán)氧樹(shù)脂后，材料拉伸強(qiáng)度較未添加樹(shù)脂具有小幅增長(zhǎng)，但相對(duì)于添加5%環(huán)氧樹(shù)脂材料的拉伸強(qiáng)度顯著下降。其原因在于環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能強(qiáng)于酚醛樹(shù)脂，向其中添加少量環(huán)氧樹(shù)脂可增強(qiáng)材料的拉伸強(qiáng)度，但當(dāng)材料中環(huán)氧樹(shù)脂含量過(guò)大時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂則破壞了酚醛樹(shù)脂的固化結(jié)構(gòu)，造成拉伸強(qiáng)度下降。從表1還可以看出，向酚醛BMC材料中添加環(huán)氧樹(shù)脂可以提高材料的拉伸模量。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂的黏度比酚醛樹(shù)脂大，同時(shí)樹(shù)脂含量升高導(dǎo)致材料中纖維含量減少，樹(shù)脂交聯(lián)固化形成的結(jié)構(gòu)在單位形變上可承受的力更大，因此添加環(huán)氧樹(shù)脂可以提高材料的拉伸模量。而玻璃纖維布改性SMC會(huì)降低材料中樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其內(nèi)部形成的單位體積內(nèi)的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于未添加玻璃纖維布的復(fù)合材料更小，同時(shí)會(huì)對(duì)樹(shù)脂的固化反應(yīng)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(jiàn)表2。可以看到，酚醛SMC與乙烯基SMC材料的彎曲強(qiáng)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(duì)酚醛SMC與乙烯基SMC材料改性可增強(qiáng)材料的彎曲強(qiáng)度與彎曲模量，但改性后2種材料的彎曲強(qiáng)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(huán)氧樹(shù)脂含量的增加，材料彎曲模量與彎曲強(qiáng)度均先下降后升高；乙烯基SMC材料具有優(yōu)異的彎曲強(qiáng)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(jù)力學(xué)性能測(cè)試可知，乙烯基SMC材料的力學(xué)性能優(yōu)異，因此對(duì)乙烯基SMC材料的成型工藝進(jìn)行深入研究，以發(fā)揮出材料的最佳性能。根據(jù)材料固化動(dòng)力學(xué)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(shí)間20、30、40 min設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。由于材料的參數(shù)與水平較多，為節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本與時(shí)間，首先固定成型壓力為9 MPa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，再將保溫時(shí)間固定為30 min設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，由此可得到5組實(shí)驗(yàn)條件（表3）。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，完成乙烯基SMC樣板的壓制、切割和力學(xué)性能測(cè)試。

表3 實(shí)驗(yàn)條件Tab.3 Experimental conditions

樣條的拉伸性能見(jiàn)表4和圖3?？梢钥吹?，圖3（a）中有明顯峰值，在壓強(qiáng)為9 MPa、時(shí)間20 min時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值；拉伸強(qiáng)度隨壓強(qiáng)的變化在圖中呈現(xiàn)對(duì)稱性，表明拉伸強(qiáng)度隨著壓強(qiáng)的增大先升高后降低，在9 MPa達(dá)到峰值；保溫時(shí)間與拉伸強(qiáng)度具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，拉伸強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈單邊下降趨勢(shì)。圖3（b）中無(wú)明顯的峰值，整體圖形呈現(xiàn)扁平的四邊形，表明壓強(qiáng)大小的改變對(duì)于拉伸模量的變化影響不大；在不同時(shí)間下保溫時(shí)間與拉伸模量變化呈相線性關(guān)系，在保溫時(shí)間為30 min以上時(shí)拉伸模量可以達(dá)到5 000 MPa以上。

圖3 壓強(qiáng)‐時(shí)間‐拉伸性能關(guān)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(cè)試結(jié)果表明，壓強(qiáng)改變與復(fù)合材料拉伸性能變化無(wú)必要聯(lián)系，說(shuō)明模具在7 MPa壓力下可將復(fù)合材料充分壓實(shí)，繼續(xù)增加壓力并不能減小復(fù)合材料的體積，無(wú)法提高單位體積內(nèi)玻璃纖維含量。而保溫時(shí)間是影響乙烯基SMC材料拉伸性能的重要因素，當(dāng)改變保溫時(shí)間時(shí)，復(fù)合材料中樹(shù)脂基交聯(lián)固化反應(yīng)程度變化劇烈，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料拉伸強(qiáng)度下降，而降低模壓過(guò)程保溫時(shí)間造成材料的拉伸模量減小，因此模壓制造過(guò)程中保溫時(shí)間決定材料拉伸性能。

樣條的彎曲性能見(jiàn)表5和圖4?？梢钥吹?，圖4（a）中圖形呈錐形結(jié)構(gòu)，表明保溫時(shí)間延長(zhǎng)與壓強(qiáng)的增大均會(huì)造成樣條彎曲強(qiáng)度先升高再降低；當(dāng)壓強(qiáng)為9 MPa、保溫時(shí)間為30 min時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到峰值92.33 MPa；隨著壓強(qiáng)升高與保溫時(shí)間延長(zhǎng)，材料的彎曲強(qiáng)度下降。圖4（b）中圖形上方出現(xiàn)了明顯的凹痕，證明當(dāng)壓強(qiáng)不斷升高時(shí)彎曲模量先下降后上升，壓強(qiáng)為9 MPa時(shí)材料的彎曲模量最?。欢牧系膹澢Ａ繒?huì)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低，保溫時(shí)間為30 min時(shí)材料的彎曲模量最高。結(jié)合圖中的彎曲強(qiáng)度與彎曲模量可知，彎曲模量在保溫時(shí)間為30 min，壓強(qiáng)為7 MPa與11 MPa時(shí)材料的彎曲模量最大，但此時(shí)材料的彎曲強(qiáng)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(shí)間為30 min進(jìn)行壓制。

圖4 壓強(qiáng)‐時(shí)間‐彎曲性能關(guān)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(cè)試結(jié)果表明，材料在160℃成型溫度下，模壓工藝為9 MPa、保溫時(shí)間為30 min時(shí)綜合力學(xué)性能最優(yōu)，此時(shí)材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量分別為148.26、4 502.11、92.33、2 387.51 MPa。對(duì)比通過(guò)工藝進(jìn)行改進(jìn)的乙烯基SMC材料與酚醛BMC的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，酚醛BMC具有更加優(yōu)秀的彎曲性能，在彎曲模量上的表現(xiàn)尤為突出；同時(shí)酚醛樹(shù)脂本身具有比乙烯基樹(shù)脂更為優(yōu)異的阻燃性和耐溫性。因此可對(duì)乙烯基SMC閥體與酚醛BMC閥體開(kāi)展設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

2.3 微觀形貌分析

為了研究復(fù)合材料樣條的失效機(jī)理，采用微觀分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)一步分析。因樹(shù)脂基復(fù)合材料斷裂位置非平整截面，故普通的掃描電子顯微鏡無(wú)法良好表征斷面狀態(tài)。由于斷裂位置存在較大高低差，為實(shí)現(xiàn)視野范圍內(nèi)的清晰成像，利用3D大景深技術(shù)表征斷裂位置形貌。對(duì)比添加5%環(huán)氧樹(shù)脂的酚醛BMC［圖5（a）］與添加10%環(huán)氧樹(shù)脂的酚醛BMC［圖5（c）］斷裂位置可見(jiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂含量增加破化了原有樹(shù)脂的固化反應(yīng)。圖5（a）中樹(shù)脂與纖維混合均勻，無(wú)明顯裸露纖維，而圖5（c）中纖維與樹(shù)脂存在顯著分離。對(duì)比圖5（b）和圖5（d）發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂含量低的材料成型致密，但環(huán)氧樹(shù)脂含量高材料交聯(lián)固化結(jié)構(gòu)中成型塊狀結(jié)構(gòu)更大。對(duì)比圖5（e）與圖5（g）斷裂區(qū)域發(fā)現(xiàn)，加入玻璃纖維布的SMC材料斷裂區(qū)域具有明顯的指向性。但結(jié)合圖5（f）與圖5（h）可發(fā)現(xiàn)，加入玻璃纖維布之后材料出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，因此導(dǎo)致材料力學(xué)性能不佳，但由于纖維布的指向性使得材料力學(xué)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(xué)分析

閥體作為球閥中體積最大、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零件，承受著內(nèi)部流體的沖擊力和外部管道的連接力，因此閥體的設(shè)計(jì)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(wèn)題，基于閥體內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)計(jì)算閥體的應(yīng)力分布，以驗(yàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含閥球、密封件、閥桿等零件，但進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，簡(jiǎn)化其受力，只考慮閥體壁面應(yīng)力狀態(tài)。

3.1 閥體有限元分析建模與網(wǎng)格劃分

本文采用Soildworks三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）建模軟件，保留閥體外部加強(qiáng)筋，簡(jiǎn)化表面螺紋孔，去除表面圓角與倒角，忽略內(nèi)部密封件與閥球‐壁面的接觸，保留流道結(jié)構(gòu)，基于閥體流道建立閥體簡(jiǎn)化實(shí)體模型，如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)化閥體Fig.6 Simplified valve body

閥體靜力學(xué)計(jì)算基于ABAQUS開(kāi)展仿真計(jì)算，閥體結(jié)構(gòu)呈左右對(duì)稱，因此選擇一半閥體開(kāi)展計(jì)算工作。網(wǎng)格劃分需兼顧仿真計(jì)算資源消耗量與閥體自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保證有限元計(jì)算結(jié)果的精確性，使用六面體單元?jiǎng)澐珠y體，閥體流道承受應(yīng)力較大，對(duì)此區(qū)域網(wǎng)格細(xì)分，加強(qiáng)筋等部位對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較小，網(wǎng)格相對(duì)稀疏。閥體網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為32×104，節(jié)點(diǎn)為46×104，如圖7所示。

圖7 閥體網(wǎng)格Fig.7 Grid on valve body

閥體為復(fù)合材料閥體，閥體材料屬性根據(jù)前文中2種樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)設(shè)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(jù)流場(chǎng)壓力計(jì)算進(jìn)行閥體靜力學(xué)計(jì)算，上文中表明流體閥體處于即將關(guān)閉狀態(tài)時(shí)壁面承受壓力迅速升高，可升至20 MPa。

3.2 閥體靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)閥體內(nèi)部施加管道力，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，乙烯基復(fù)合材料與酚醛復(fù)合材料均可以承受住閥體關(guān)閉過(guò)程中的極端壓力變化。當(dāng)管路中壓力升至20 MPa時(shí)，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(yīng)變最大值為0.066。此2種材料受力狀態(tài)均滿足閥體的安全性設(shè)計(jì)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(jié)果Fig.8 Finite element analysis results of valve body

4 結(jié)論

（1）3種材料中酚醛SMC材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量均表現(xiàn)不佳，添加玻璃纖維布改性后各類力學(xué)性能表現(xiàn)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(huán)氧樹(shù)脂對(duì)酚醛BMC材料改性可以增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，但需要控制環(huán)氧樹(shù)脂添加量，不同添加量的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)材料不同力學(xué)性能指標(biāo)具有不同影響；酚醛BMC材料的彎曲模量在3種材料中表現(xiàn)最為優(yōu)異，因此可選擇添加10%環(huán)氧樹(shù)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(xué)性能均比較優(yōu)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(shí)間30 min下乙烯基SMC材料的力學(xué)性能最佳；閥體力學(xué)仿真結(jié)果表明，乙烯基SMC與酚醛BMC均滿足閥體制造要求。