SMC和MBM的蠕变性能研究

宋辉梅 格秀山 邓显波

（ABB（中国）有限公司，北京 100016）

热固性塑料由于具有较好的力学性能、电气性能、生产工艺性、尺寸稳定性等优点，其制品在电器产品上的应用一直占据着相当大的比例。热固性塑料优异的电气性能是当下热塑性塑料无法替代的。热固性塑料主要有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、三聚氰胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚氨脂等。SMC（Sheet Moulding Compound）就是以不饱和聚酯树脂和乙烯基树脂为基体，以玻璃纤维为增强材料制成的电气用纤维增强片状模塑料[1]。MBM（Melamine）为三聚氰胺纸层压板。

在高压配电空气开关柜和 SF6气体绝缘开关柜里，MBM产品由于其良好的阻燃性能、绝缘性能、耐电弧、耐热性能、尺寸稳定性、及其制品极好的平面度等性能，已得到广泛的应用，但其主要依靠进口，相对而言，MBM的成本很高。SMC早在20世纪60年代，已广泛应用于汽车行业。目前SMC也已广泛应用于汽车、铁路车辆、电气电子等。SMC也具有良好的绝缘性能，耐电弧和耐阻燃性能，高强度且轻质，尺寸稳定性也很好，所以SMC对于高压开关也是一种理想的原材料。且SMC在高、低压开关上已有20多年的运行经验，主要用作外壳和绝缘板之类。更关键的是SMC的价格只有MBM价格的一半。当前世界经济形势下，面对飞涨的材料成本，各行各业都在采用其节约成本的新战略。采用性能满足要求且便宜的材料来替代现有的昂贵的材料，无疑可以实现产品成本的巨大节约。在高压开关行业，SMC能否完全替代MBM，SMC明显的价格优势值得对其材料进行全面的研究。

当SMC和MBM制品应用在SF6气体开关柜密封气室内时，零件的最高运行温度约为70℃，在高温环境下长期工作的零件通常会出现蠕变现象,在此环境下要求产品能免维护运行 30年，SMC和MBM 的蠕变性能能否满足设计的需求？塑料的蠕变性能反映了其在温度变化下，自身的稳定情况。为此应研究它们在相应工作温度下的蠕变现象。

本论文将通过高温下的压缩蠕变试验和高温下的拉伸蠕变试验对SMC和MBM的蠕变性能进行研究。

1 试验

1.1 蠕变的理论

蠕变性能是材料非常重要的力学性能之一。蠕变即缓慢变形，是指材料在恒定的温度和应力条件下，应变随加载时间的延长缓慢地增加的现象。蠕变不仅出现在塑料（高分子材料）中，金属材料、岩石等都有蠕变现象。

蠕变的影响因素主要是温度，应力及其作用时间的长短，材料自身的物理化学特性等。温度越高，蠕变变形越大；应力越大，蠕变的总时间就越短；线性大分子材料比交联度高的材料同等条件下，蠕变变形量大。

1.2 试样的准备

本蠕变试验所用的试样并没有严格按照标准上所规定的形状和尺寸去制备，而是基于 SMC 和MBM在高压开关柜上的实际应用并考虑试验设备的实际情况来设计和制备的。SMC试样是从SMC压模成型的零件上机加工出来的，SMC用的是国产材料，颜色为乳白色。MBM试样是从直接进口的MBM零件上机加工出来的，颜色为灰色。两种试样除了材质和颜色的区别外，其外形和尺寸是完全一致的，均为8mm厚。图1所示为SMC和MBM压缩蠕变所用试样形状50mm×50mm，试样数量为各5个。图2所示为SMC和MBM拉伸蠕变所用试样形状，测试部位为中间部分宽20mm，厚8mm，试样数量为各3个。

图1 SMC（白色）和MBM（灰色）压缩蠕变试样

图2 SMC（白色）和MBM（灰色）拉伸蠕变试样

1.3 试验条件的要求

考虑SMC和MBM两种材料的实际应用环境，应用环境温度为-20℃~70℃下长期（如30年）工作，并采用螺钉等形式将SMC或MBM零件与其他零部件相连接。高温环境下材料的蠕变变形量会更明显，所以本试验规定压缩蠕变试验和拉伸蠕变试验均在高温下进行。由于SMC和MBM零件在实际工作中主要受压，所以规定压缩蠕变将在温度为 50℃，70℃，90℃环境下分别试验，而拉伸蠕变试验只在温度为70℃环境下进行。很明显，这些温度点的设置已包含了甚至高于零件的实际运行温度。每种试验温度下，加载后试验时间持续120h（5天）。

考虑 SMC和 MBM在高压开关柜上的实际应用，压缩蠕变试验额定载荷定为15kN，根据标准额定载荷必须在0~5s内加载完成，本试验定义加载时间为 5s，即加载速度为 180kN/min，且一定保证载荷平稳加载，预加载 100N且保证试样不变形。拉伸蠕变试验额定载荷定为2kN，加载时间为5s，加载速度为24kN/min，且一定保证平稳加载，预加载100N且保证试样不变形。

数据的采集以 30s为时间间隔进行，保证了对蠕变变形量的实时监控。

对于压缩蠕变试验，试样施加载荷的接触面面积为200mm2，试样固定面的接触面积为 145mm2。对于拉伸蠕变试验，试样两端均靠直径为8mm的销钉固定。

1.4 试验设备

本试验是在北京航空航天大学的材料力学试验室进行的，通过 INSTRON8801液压伺服疲劳试验机及特别定制的工装夹具进行压缩蠕变试验和拉伸蠕变试验。工装夹具的设计主要考虑本试样的形状尺寸及试验的目的。压缩蠕变变形量通过INSTRON LVDT传感器进行测量，测量精度为1%。拉伸蠕变变形量通过美国EPSILON变形传感器进行测量，测量精度可高达 0.5%。载荷传感器的量程是 50kN，载荷精度为0.5%。由于本试验是高温试验，需要借助环境箱，环境箱的温度范围为-180～350℃，温度控制精度为±1℃。图3为压缩蠕变试验时的试样安装图。图4为拉伸蠕变试验时的试样安装图。

图3 压缩蠕变试验的试样安装图

图4 拉伸蠕变试验的试样安装图

2 结果与讨论

蠕变伸长量或压缩量（位移变形量）是指任意时刻的标距与初始标距的差值（绝对值）。蠕变应变是任一给定时刻由于施加载荷产生的标称伸长量或压缩量与夹具间初始距离之比。

2.1 SMC和MBM压缩蠕变试验

试验结束后，得到了 SMC和 MBM在温度为50℃、70℃和90℃时的压缩蠕变性能随时间变化的一系列数据和曲线图。包括压缩蠕变位移－时间曲线图，压缩蠕变应变－时间曲线图。并将 SMC和MBM的压缩蠕变性能在同一坐标系下进行了显示，这样就能明确看出二者的蠕变性能差别。如图5和图7所示。为了明确显示SMC和MBM在压缩蠕变试验初期的变形趋势，将曲线图5和图7初期部分进行了放大，如图6和图8所示。

从图5至图8能明显看出，SMC和MBM的压缩蠕变变形量随温度的升高而增大，且SMC的压缩蠕变变形量稍大于MBM。在SMC和MBM的压缩蠕变初期，蠕变变形是直线上升的，上升到一定变形量后，蠕变行为几乎没有什么变化，变形量可看作趋于稳定。压塑蠕变初期，由于材料的弹性变形，变形量与时间接近线性关系。超过弹性变形后的塑性变形与时间是非线性关系。SMC在90℃时的最大变形量为1.2mm，在70℃时的最大变形量为1.0mm左右，从图上看，SMC在这些温度下，变形量是很稳定的。SMC 和MBM的蠕变变形量对于高压开关柜是可接受的。

2.2 SMC和MBM拉伸蠕变试验

图9至图12为SMC和MBM在70℃环境温度下的拉伸蠕变曲线图。从曲线图上明显看出，SMC的拉伸蠕变变形稍高于MBM的拉伸蠕变变形。在拉伸蠕变试验的初期，SMC和MBM的变形接近直线上升，达到一定变形量后，趋于稳定，此拉伸变形量对于高压开关柜是可接受的。

图5 SMC和MBM在温度为50℃，70℃和90℃时的压缩蠕变位移曲线图（时间0~120h）

图6 SMC和MBM在温度为50℃，70℃和90℃时的压缩蠕变位移曲线图（时间0~600s）

图7 SMC和MBM在温度为50℃，70℃和90℃时的压缩蠕变应变曲线图（时间0~120h）

图8 SMC和MBM在温度为50℃，70℃和90℃时的压缩蠕变应变曲线图（时间0~600s）

图9 SMC和MBM在温度70℃时的拉伸蠕变位移曲线图（时间0~120h）

图10 SMC和MBM在温度70℃时的拉伸蠕变位移曲线图（时间0~600s）

图11 SMC和MBM在温度70℃时的拉伸蠕变应变曲线图（时间0~120h）

图12 SMC和MBM在温度70℃时的拉伸蠕变应变曲线图（时间0~600s）

2.3 SMC和MBM压缩蠕变性能与温度关系

压缩蠕变额定载荷为 15kN，加载速度为180kN/min，从而保证了额定载荷在5s时加载完成。蠕变试验相关标准要求，额定载荷加载完成时刻开始记录蠕变变形量。由于数据采集以 30s为时间间隔进行，未能得到5s时刻的初始位移，因此将30s时刻的变形量作为蠕变性能对比试验的初始位移点。数据如表2和表3所示。

表1 SMC和MBM压缩蠕变位移数据表

表2 SMC和MBM压缩蠕变应变数据表

根据以上数据，绘制了SMC和MBM压缩蠕变性能与温度的关系曲线图13和图14。从曲线图上可以看出，二者压缩蠕变的变形量均随温度的升高而增大，SMC随温度的变形量大于MBM的变形量。值得注意的是，SMC变形量虽然大些，但是它的曲线趋于稳定，而MBM的蠕变变形量随温度升高有增大的趋势。

和蠕变现象相伴随的还有应力松弛，应力松弛是蠕变的结果。应力松弛现象是在温度和总变形量不变的情况下，由于弹性变形不断的转变成塑性变形，即逐渐发生蠕变，从而使应力不断下降。一个紧固螺钉在高温下长时间工作，其初始预紧力逐渐下降，就是因为应力松弛的原因。SMC和MBM的应力松弛试验也将进行。

图13 SMC和MBM压缩蠕变位移随温度变化曲线图

图14 SMC和MBM压缩蠕变应变随温度变化曲线图

3 结论

通过SMC和MBM在高温下的压塑蠕变试验和拉伸蠕变试验，数据曲线清晰地表明SMC和MBM蠕变随温度升高而增大，且SMC蠕变稍大于MBM，但是对于高压开关柜其变形量是可以接受的。SMC在高温下蠕变变形趋于稳定，说明了其材料本身在高温下的稳定性。此次蠕变试验为工程设计、研究和开发新产品提供了凿实的数据。

[1]GB/T 11546-2008.蠕变性能的测定 第一部分-拉伸蠕变.2008.

[2]ISO 899-1-2003.Plastics — Determination of creep behaviour —Part 1:Tensile creep.2003.

[3]ASTM D2990-01.Standard Test Methods for Tensile,Compressive, and Flexural Creep and Creep-Rupture of Plastics1.

[4]穆霞英.蠕变力学[M].西安：西安交通大学出版社,1990.

[5]孔毅.SMC和 DMC模塑料成型加工及制品应用[J].工程塑料应用，2000(3):21-23.

[6]梁亚东,等.电工用热固性模塑料的应用与发展[J].绝缘材料通讯，2000(4):25-29.