关于结晶性材料在高温状态下的热膨胀分析

陈圣云

摘要：本文作者根据自己的工作实例，阐述了结晶性材料在高温状态下的热膨胀问题，发表了自己的意见，供同行参考

关键词：线性热膨胀；模具；结晶性材料

中图分类号：O482.2+3

基于当前针对塑胶模具产品对于线性热膨胀的分析，发现并非所有的塑胶材料都会遵循线性热膨胀的理论。基于这点，对于现实工作中的一些问题作出一些基本的分析。

现代的一些塑胶产品，从产品的结构工艺性，具体的模具结构出发，对模具的浇注系统，模具成型部分的结构，顶出系统，冷却系统，注塑机的选择及有关参数的校核，都形成了一整套很详细的设计经验理论。

但对于线性热膨胀，还需要做出更进一步的分析与研究，我们回顾了一下历史：早在七十年代，N.C.Baldwin 指出（1）.在模具设计中，无论是对何种材料，最重要的影响因素是模具浇口的大小和位置；（2）.在成型工艺条件的选取方面，不均匀的压力分布和温度分布也能导致翘曲变形；（3）.八十年代，K.B.Spatola在实际生产中发现，塑胶材料的结晶程度越高，越容易发生翘曲变形，而无定型塑料如PC等在成型中则不易发生翘曲，在流动过程中，平行于流动方向取向比垂直于流动方向的取向要大，从而导致各向异性收缩和翘曲变形；（4）.九十年代，B.H.Lee指出，在预定的尺寸误差范围内，有意改变壁厚，是减少翘曲的一种方法。C.S.Lee等提出薄板的翘曲比厚板要大得多，并且玻璃增强塑料薄板的翘曲比各向同性塑料薄板要大，且翘曲的大小与测量翘曲时的温度有关。E.J.Fahy提出线性热膨胀系数各向异性决定了注塑磁盘的翘曲模式，磁盘发生拱形式或马鞍形式变形的原因是由于平面内热膨胀系数的各向异性（由磁盘在径向和切向上的纤维不同程度而引起的）

所谓热膨胀系数，英文名为Coefficient of thermal expansion, CTE单位：1mm/℃,或1mm/K.

定义为单位温度改变下长度的增加量与原长度的比值，即为线膨胀系数；公式如下：

α= 1/L X ΔL/ΔT

对于各向同性材料，体积热膨胀系数 β=3α；

对于各向异性材料，体积热膨胀系数 β=Δαc + (1-Δ) αa

αc, αa为a轴，c轴方向热膨胀率，Δ—“结构断面参数”—Mrozowski

对于所有塑料加了玻纤以后，热膨胀系数均会下降；对纤维增强型塑料而言，流动方向上的热膨胀系数要大于垂直方向产生各向异性的热膨胀系数，从而是制品翘曲。

我们日常工作生活中，常用的无定行（Amorphous）塑料有：PS,ABS,PMMA,PVC,PC;

常用的结晶性（Semi-crystalline）材料有：POM,PA6,PA66,PA11,PA12,PBT,PET,PE,PP;

因为热塑性塑料受使用条件的影响，因而决定它只需要生产还是同时需要使用非常重要。例如，热塑性塑料的热膨胀性可能比金属高10倍，一些塑料（如尼龙）的吸水性对制品使用的可靠性产生非常重要的影响。

例如：对于一种物体的材料POM Duracon M450S，在材料流动方向上的热膨胀=横断面上材料流动方向上的热膨胀=11*10^-5/°C；由ΔL = Lo * 11*10^-5 /°C * ΔT，

ΔL -->线性热膨胀/收缩

Lo -->物体初始长度

ΔT -->温度的变化 (从室温到 -30°C -->ΔT = -50°C)

物体的整体长度是135mm，--> 在-20°C 它的实际长度应该是：135 mm + [135 mm* 11 * 10^-5 /°C*(-40°C)] = 135 mm - 0.594 mm = 134.406 mm；

在实际分析中遇到的问题：

下图是一个车载音响碟片进片与退片的连杆机构；

在常温下，白色POM材料的退片连杆在导板轨道上紧贴接触面而滑行，而在高温状态下，由于退片连杆受到高温状态下热膨胀而卡在图中的位置上。

事实上在RD设计时，并没有充分考虑到线性热膨胀在这方面的影响。退片连杆的空间距离受到的影响；原空间距离尺寸： 0.88 ± 0.05mm,受到线性热膨胀后该尺寸空间开始增大；

实际空间尺寸距离应该为：0.88 mm + [0.88 mm* 11 * 10^-5 /°C*(70 -20) °C] = 0.88mm + 0.00484 mm =0.88484 mm；

但是，实测它的空间距离0.942mm，意味着在横截面方向它还有0.05716mm的纵向增长，这是因为2~3个物体在高温情况下发生运动干涉，情况没有想象中那样做线性膨胀，而是依赖于相互运动物体间的相互约束。所以，退片连杆在温度达到70摄氏度时，导致径向增长过大，与

下方的连杆发生运动干涉，而被向上顶出，此时因为有相对的摩擦吃入量，而导致退片连杆因为干涉而不能反弹回原位。

结论：在多个物体的相互运动中，线性热膨胀理论并不能有效解析一切问题，需要根据相互间的动态运动与干涉作出进一步的分析。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。