膨胀石墨复合垫片的结构及密封性能研究

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80年代初新型碳材料快速发展起来，对许多工业生产起着至关重要的作用，被誉为21世纪材料科学领域中最具研究价值的材料。碳材料常见的有四类：(1)碳制品类；⑵碳糊类；⑶石墨制品；⑷特殊石墨制品类，这些材料同时兼有陶瓷、金属以及高分子材料的特殊性能，从宏观形态来看有纤维状、颗粒状、膜状及块状(大多数的致密体，少数的多孔体，如：膨胀石墨块)等低维、二维、三维多种结构，从而具有了更多的特殊性能。
随着科技的进步和发展，现代工业领域对材料提出了更加苟刻的要求，诸如：耐高温、耐腐蚀、质轻、抗氧化、机械性能良好、稳定性高等。多孔碳材料是指具有不同微孔结构的碳素材料，其孔径小到纳米超级细微孔大到仅能适于微生物增殖及活动的微米级细孔，这种独特的微观结构使其具有优于其它材料的特殊性能，很好响应了现代技术的要求，而且多孔碳材料的制备方法极其简单，即将煤、椰子壳、沥青等作为前驱体，通过物理及化学活化的方法便可使它们转化为孔道丰富的碳材料，因而具有广泛的适用性。在工业生产中，多孔碳材料常用做活化剂和吸附剂的载体，被广泛应用于吸附分离、电磁屏蔽和密封等领域。
膨胀石墨，又称柔性石墨，是有天然的石墨麟片经氧化处理，再经高温膨胀制备而成的微观形态像蠕虫的松软石墨材料,也称石墨蠕虫(其外观及表面孔隙结构的SEM图如图1-1和图1-2所示)。于1963年首先由美国联合碳化物公司(UCC)研制成功，并于1968年生产，1970年投入市场，至今才有几十年的历史。虽然对其某些特性的研究还处在探索阶段，还没有使其施展全部优异的应用性能，但自研制成功以来就已经引起了研究者极大的兴趣，世界各国竞相投入对膨胀石墨的研究和开发。我国于1978年开始对膨胀石墨材料进行研究生产和应用，但不论从技术上还是理论上都与国外有较大的差距，其研究主要是对膨胀石墨的结构和性能进行改良。随着我国工业化进程的加快，必将为膨胀石墨的系统研究和规模化生产提供更好的发展背景。
膨胀石墨为高纯石墨制品，天然石墨属于六方晶系，晶体呈六方板状和片状，集合体为鳞片状，具有典型的层状结构，在同一层面(称为α向)内碳原子间形成共价键，键能为586KJ/mol，而在层间(与α垂直的方向，称为c向)，则以微弱的范德华力结合，键能为16.7KJ/mol，这种层状三维有序排列，造成了晶体结构的层面方向和层间方向的结构差异，进而使得石墨晶体具有了各向异性的特征，如电性能、热性能、机械性能的各向异性。因而膨胀石墨这种石墨多晶结构也就具备这种各向异性特征，在分析时需加以考虑。
膨胀石墨疏松多孔的特殊结构，使其可压缩回弹性很高，成为一种越来越受人们青睐的新型密封材料，广泛地应用于各种机械装置的动、静密封上，特别是发达国家从九十年代起陆续禁用石棉这种传统密封致癌物质，加速了膨胀石墨密封材料的应用。我国在五年内从美国和日本就引进了三条连续生产线，对这种新型密封材料投入研究和生产，但由于生产出的膨胀石墨硫分高、挥发性高、强度低以及生产工艺落后，使产品在国际市场上的竞争力不强。为克服其强度低及在空气中易氧化的弱点，国际上都在研究新的制备方法以及研制膨胀石墨复合制品，将膨胀石墨与HB03 (或盐类)、H3PO4 (或盐类)、有机娃、树脂等粘合剂复合,有的还浸泡销酸(或BaMoO3)、四氟液等提高了其高温抗氧化性和润滑性等。
膨胀石墨密封性能的应用和发展
20世纪60年代后期，美国联碳公司用膨胀石墨制成密封材料，从而诞生了第二代密封材料。1971年美国洛克惠尔阀门工程设计中心为解决原子能阀门泄漏问题，对其国内的某九家公司生产的各种不同类型的密封结构在预设的64个试验地点均进行了对比研究。结果表明，膨胀石墨材料的密封效果最好。因而，一些发达国家如美、日、法等对这种密封材料做了进一步的深层次研究，加快了膨胀石墨材料在密封领域的发展速度，使这种髙效节能的新型多孔碳材料成为世界上备受关注的密封材料。
自1978年起我国才开始钻研膨胀石墨材料及其复合材料制品，近几年发展速度也很快。黄卓明等研究了柔性石墨在泵类动密封上的应用，证明了柔性石墨填料密封优于浸油面纱、石棉盘根和橡胶盘根等填料密封，而且柔性石墨在碱液、稀硫酸、浓硫酸和有机溶剂中耐腐蚀且化学稳定性好；姜放对膨胀石墨填料密封流体压力的分布进行了研究，得出了填料环的数量、结构、大小及刚度对整个填料密封流体泄漏压力分布曲线的影响，并提出使用不同密度相同规格的填料环组装在同一填料函中，可使流体泄漏压力分布较为合理的见解；顾伯勤等人对不锈钢柔性石墨缠绕垫片的高温性能进行研究，实验结果表明其压缩量随试验温度和垫片压紧应力的增大而增大，垫片的回弹性能随温度的升高而下降，其压缩回弹曲线具有非线性和非保守性，而且这种垫片由金属和非金属组成，常温下亦有蠕变发生，蠕变量随温度的升高而增大；周庭年等人以蔗糖水溶液浸渍的膨胀石墨经高温处理达到在石墨层间结构中渗碳的目的，提高了膨胀石墨材料的压缩性能并提出以此渗碳材料为基体进一步与不锈钢丝制成夹层复合材料可提高抗拉强度40%左右；河南冶金设备联营公司经过几年研究，在膨胀石墨平面密封体技术上有了新的突破，提高了密封可靠性，实现了高温密封材料的更新换代，达到了增产节约的目的。
作为一种新型功能性碳素材料，膨胀石墨(Expanded Graphite，简称EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。[1]  早在19世纪60年代初，Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热，发现了膨胀石墨，然而其应用则在百年之后才开始。从此，众多国家就相继展开了膨胀石墨的研究和开发，取得了重大的科研突破。
膨胀石墨的制备方法
自1963年首先由美国联合碳化物公司(UCC)研制成功以来，膨胀石墨便以其优良的性能受到国内外学者广泛关注，为了使其性能得以体现和完善，其制备方法也逐渐得到改进，制备工艺越来越简单，制备过程中产生的污染越来越低，正在向无污染、不含硫、强度高等方向发展。如下简要介绍几种常用制备方法:
(1)化学氧化法
化学氧化法是工业生产过程中化合成可膨胀石墨的传统用法。当加热温度达到100℃左右时按一定的比例将氧化剂与浓硫酸配成氧化酸液，把天然的鳞片石墨浸泡于配好的溶液中，使溶液中的硫酸根离子插入石墨层间与被氧化的碳原子相结合，反应一段时间后，水洗干燥，得到可膨胀石墨，再经高温膨胀后便制得膨胀石墨。但应用此方法时，须注意浸泡时间、氧化剂与插层剂的配比、氧化剂用量以及膨胀时所用温度等工艺条件都会影响膨胀效果。如：所用的氧化剂用量太少，会导致石墨的层间反应不充分，达不到完全膨胀所需要的氧化程度，但用量太大，又会造成石墨氧化过度，同样达不到预期的膨胀效果。该方法的反应方程式是:
(2)电化学法
清华大学和南宫市光华化工厂釆用电化学法生产可膨胀石墨，不但降低了生产成本和环境污染，而且提高了产品质量。该方法是将所选的辅助阳极材料与石墨结合成阳极室，之后浸泡在含有插层剂的电解液中，通以适当大小的电流，经过一定的时间被氧化后取出，经过水洗干燥后制得可膨胀石墨，再经高温膨胀制得膨胀石墨材料。通过该方法制取的膨胀石墨一般来说含硫量较低，不需添加其它氧化剂，只需调节电流电压等电化学参数便可控制反应的进行，这种方法的简单可控似的膨胀石墨的大批量合成成为可能，但是，它也有不足因素。例如，反应所需的时间较长，成本较高等。
(3)浸泡液置换法
如反应方程式(1-1)所示可知由传统工艺即化学氧化法制得的膨胀石墨中含硫量较高，而硫含量会影响材料的使用寿命，所以应该尽量降低材料中的硫含量。敦惠娟等人将通过传统工艺制得的可膨胀石墨材料浸泡于由草酸与硝酸混合而得的溶液中，发生如下反应：
可以看出经过上述反应，部分确酸根离子和草酸分子插入石墨间，替换出部分硫酸根离子和硫酸分子，从而大大降低了可膨胀石墨材料的含硫量。
(4)添加非强酸类插入剂
非强酸类插入剂进入石墨层间可以部分地取代硫酸，从而降低可膨胀石墨的含硫量。王慎敏等以少量浓硫酸和高猛酸钾为混合氧化剂，少量三氯化铁为插入剂，找出了比较理想的制备低硫可膨胀石墨的条件，其制备工艺简单、反应速率快、环境污染小，且力学性能、热失重率和硫含量等主要性能均优于国内外同类产品。宋克敏等以高猛酸钾等为氧化剂，以浓销酸和丙酸组成的混合液为插入剂，制备了无硫可膨胀石墨。F·Kang在甲酸溶液中合成了无硫可膨胀石墨，这种可膨胀石墨层间只含有碳、氢、氧等元素，膨胀后几乎为纯碳物质，此法提供了制造高纯、无腐蚀柔性石墨的可行方法。
膨胀石墨的性能
膨胀石墨是由天然石墨鳞片经过化学处理，高温下瞬时膨胀改性而成。它不仅拥有天然石墨优良的化学性能，而且具有了更多独特的机械性能，是目前适用范围广、密封性能良好的理想密封材料。主要性能介绍如下：
(1)密度：石墨鳞片经髙温膨胀后便制成具有疏松多孔微观结构特征的膨胀石墨。其堆积密度一般为0.002～0.005g/cm3，成品密度为0.8～1.8g/cm3，因而它的质量较轻、可塑性较好；
(2)纯度：膨胀石墨制品中碳元素的含量最多，固定的碳含量可达98%左右，有些特殊处理过的膨胀石墨材料其含碳量可超过99%，可以满足许多工业部门对密封件高纯度的要求。
(3)稳定性：理论上说，膨胀石墨制品能在-200℃～3000℃下使用，作为密封
填料可在-200℃～800℃安全使用。能保证低温不脆化、不老化，高温不软化、
不变形、不分解。而且膨胀石墨还具有较小的热膨胀系数，使其稳定性更好，在
高温和温度剧变的工况下也能良好的密封。
(4)耐放射性：受中子射线、γ射线、α射线、β射线等长期照射而不发生明显变化。
(5)不渗透性：疏松多孔的特殊结构使得其表面积很大，易形成极薄的气膜和液膜从而阻止介质渗透，对很多气体和液体具有良好的不渗透性。
(6)自润滑性：膨胀石墨仍保持天然石墨鳞片的平面层状结构，外力作用下平面层间易相对滑动而产生自润滑，有效防止轴或阀杆的磨损。
(7)耐腐蚀性:膨胀石墨具有稳定的化学惰性，除了强氧化剂如王水、硝酸、硫酸和卤素等一些特定介质外，能适应大部分酸、碱、盐溶液、海水、蒸汽有机溶剂等介质。
(8)可压缩性和回弹性：膨胀石墨制品微观上具有很多可压缩的封闭小空隙，外力作用可被压缩，同时，因小空隙中的空气产生张力而具有很好的回弹性能。
(9)柔软性：膨胀石墨质轻柔软，易加工，用普通刀具便可切割，可任意卷绕、弯折，具有很多成品形状。
膨胀石墨及其复合密封材料的研究与进展
膨胀石墨是由天然石墨经过一定的物理化学等方法处理得到的，其微观晶体结构与普通石墨相同，因而具有石墨的所有通性，同时还拥有较大的比表面积和较高的表面活性，不需要添加任何點结剂，也不需要高温烧结，即可压制成型。将膨胀石墨颗粒放在加压的装置上压制成长条形薄片或带状，然后将这些长条薄片或带状的膨胀石墨缠绕起来，在模具中加压成型，便可制成柔性石墨纸箱、柔性石墨填料环、膨胀石墨不绣钢缠绕塾、膨胀石墨波齿复合塾片等不同品种的机械密封用件，同时，膨胀石墨还可以制成板材或石墨设备。但由于膨胀石墨的机械强度低于的缺点，在某些应用领域内会受到一定的限制，因而也加速了其复合材料的发展。随着世界各国对含石棉密封材料的限制越来越严格，膨胀石墨及其复合密封材料作为一种性能优异的非石棉材料有着极高的应用和发展前景，引起越来越广泛的重视。
膨胀石墨及其复合材料在密封中的应用
由于膨胀石墨本身所具有的耐高低温性、耐腐蚀性、不滲透性和优良的压缩回弹性，因此被广泛应用于各个场合的动密封、静密封中，以其为基体制备的纯柔性石墨密封垫片、柔性石墨环、柔性石墨编织填料以及各种柔性石墨复合材料均已广泛应用于各种场合的弹性密封和非弹性密封系统中。比如，冶金工业中各种炉窑的管道、阔门和设备法兰的高温密封；机械、电子、化学、宇航工业、核工业、石油、化工等行业中的耐腐烛密封和耐辐射密封；铁路内燃机、汽车及各种内燃机气缸垫、进排气管垫的长寿命密封等。目前市场上常见的膨胀石墨制品如下图所示：
膨胀石墨及其复合材料的形式主要有以下几种:
(1)密封垫片
膨胀石墨作为静密封垫片即可由板材冲制而成，也可以模压的形式出现，其制备较简便。作为目前应用极为广泛的一种非石棉密封垫片，无论是纯柔性石墨垫还是其复合垫片都可起到很好的密封作用，可广泛应用于管道、阀门、压力容器、泵等法兰连接处做静密封用。
(2)膨胀石墨缠绕垫
膨胀石墨缠绕垫为柔性石墨带与V形或W形金属带相间缠绕而成的一种复合密封垫。具有极好的耐高低温、抗腐蚀性,密封效果良好，是目前高温、高压工况下最有效的密封材料之一，对其进行的实验研究很多，但就数值模拟方面的研究甚少，因而本文选择了对这种复合垫片进行了不同工况下的性能研究。
(3)柔性石墨填料
柔性石墨填料主要由柔性石墨填料缠绕在芯棒上经模压而成的，目前市场上柔性石墨填料的结构类型已经很多，有柔性石墨填料环、柔性石墨盘根、石墨填料垫、增强石墨盘根等产品，广泛应用在各行业的动静密封系统中。柔性石墨编织填料是以纤维为骨架结合外围一层由柔性石墨制成的线编织而成的复合材料，它基本保持了膨胀石墨原有的特性，不受酸碱的影响，且拉伸强度高、压缩性能好、导热好，装拆容易，是高温高压的蒸汽机和石油炼经炼制设备等工业部门的优选密封材料。
胀石墨复合材料的制备和成型
膨胀石墨独特的优异性能，使得其备受研究者的喜爱，但其本身存在的一些不可忽视的弱点，也限制了它在更广范围内的应用。比如，膨胀石墨疏松多孔的特殊结构使得它具有一定的吸水、吸油性，若用纯膨胀石墨做汽车的汽組垫密封材料，就会造成因吸水、吸油而造成严重泄漏；膨胀石墨是由天然石墨高温处理而得，其内部的结合仅仅靠微弱的范德华力，因而强度较低；耐磨性差，不抗冲刷，因而不能直接用它做某些粟、阀门的密封材料。因而，寻找柔性石墨复合材料成为了国内外从事膨胀石墨研究的科研人员的主要方向,现已取得很大进展。
金属一膨胀石墨复合材料
很多传统的金属材料具有良好的塑性、初性、择接性、耐烛性能等，而且刚度高抗冲刷性能好对于弥补纯膨胀石墨材料自身的一些弱点具有很好的效果，因而制造金属一膨胀石墨复合材料在密封界很受青睐，目前有以下两大类型：
(1)夹金属型
膨胀石墨复合塾片又叫增强石墨塑片或高强石墨垫片，常用的内层增强材料有304、316不锈钢或马口铁等,形式有冲刺板增强、平板增强和网板增强等，而304增强石墨普遍应用于压力容器、泵、管道、阀门、发电机等设备的密封系统中，具有良好的耐高低温性，高强度性和良好的压缩回弹性。
(2)渡金属型
在基体材料的表面镀上一层保护膜，向来是很多行业用来增强集体材料性能所使用的最简单实用的方法，自然也吸引了膨胀石墨研究者的兴趣，他们通过在柔性石墨板材表面镀上一层铬、钼、钨等金属，等到了很多特种耐腐蚀、高强度的石墨制品。其方法很简单，只需在真空的条件下使石墨板的表面脱气，之后用铬酸钠、钼酸钠、钨酸钠等相应的盐类溶液浸泡石墨板，一定时间后干燥即可得到柔性石墨复合材料。由于这种方法简单可操作，在日常生产中也较为普遍，但对如何提高其性能的可控性,达到省材省时的效果仍然是研究者努力突破的科研方向。
垫片的密封机理与形变方程
机械设备按密封面的相对运动可以分为静密封和动密封两部分，而静密封又是日常生产中常用的密封形式，如管道法兰、螺纹连接、压力容器与盖的密封等，根据工作原理，静密封又可分为螺栓法兰连接垫片密封、自紧式密封、螺纹连接垫片密封和密封胶密封等，其中螺栓法兰连接垫片密封是目前使用最广的一种静密封形式。对于这种密封结构的研究工作主要集中在两个方面：一方面是对于密封材料的性能测试，着重研究材料的制备方法以及实验仪器和方法的科学性、准确性；另一方面，对引起系统密封失效的各种原因做了大量的分析工作，对于不同材料不同形式的垫片，分别研究影响其泄漏率大小的因素。
为防止流体的泄漏，所用基本方法是在密封口增加流体流动的阻力，当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借助于施加在压紧面上的比压力实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。
图2-1(a)为尚未预紧的工况，将上下法兰压紧面和垫片接触处的微观尺寸放大，可以看到它们的表面是凹凸不平的，这些凹凸不平处就是流体泄漏的通道。而膨胀石墨材料本身疏松多孔的特性，也使得渗透泄漏有了一定的毛细孔道。
图2-1(b)为预紧工况，拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上。由于垫片的材料为膨胀石墨，其强度和硬度比钢制法兰低得多，因而垫片表面单位面积上所受的压紧力达到一定值时，垫片便产生弹性或屈服变形，填满上、下压紧面处原有的四凸不平处，阻塞了流体泄漏的通道，同时比压力压紧使得垫片被压缩，内部的空隙结构较紧凑，也使渗透泄漏的可能性减小，形成初始密封条件。
图2-1(c)为操作工况，此时通入介质，随着介质压力的上升，一方面，介质内压引起的轴向力，将促使上下法兰的压紧面分离，垫片在预紧工况所形成的压缩量随之减少，压紧面上的密封比压下降；另一方面，垫片预紧时的弹性压缩变形部分产生回弹，其压缩变形的回弹量补偿因螺栓伸长所引起的压紧面分离，使作用在压紧面上的密封比压力仍能维持一定值以保持密封性能。因而也要求所用的密封材料的回弹性和压缩性能良好，而膨胀石墨的疏松多孔结构和优良性能复合这一要求，在工业各方面广泛等到应用和研究。
系统密封的失效分析
一般来说，螺栓法兰连接的失效形式主要有强度失效和密封失效两种，而由强度不足造成的失效概率较小，主要的失效形式还是由系统的泄漏而导致的密封失效。
强度失效
对于螺栓法兰连接系统而言，若其发生强度失效的问题，则应针对构成它的法兰、螺栓和垫片三部分分别进行强度分析。
(1)法兰的强度失效
法兰的材料选择和结构设计直接影响其强度，在选材时必须充分考虑内部介质的腐蚀性、材料的适用温度以及所能承受的最大应力等因素，这是选材的基本要求。根据GB150进行法兰的结构设计及强度校核，这样设计出的法兰其强度基本可以保证，降低了法兰强度失效的概率。
(2)螺栓的强度失效
螺栓的强度失效很大程度上是由以下原因造成的：材料强度不足、介质的腐蚀、高温蠕变松弛、螺栓内部缺陷以及预紧力过大，由于这些原因使得螺栓弯曲或扭曲起不到紧固的作用，从而导致连接结构的失效。由于螺栓强度失效出现的概率大且造成的影响大，因而必须引起设计者的高度重视。
(3)垫片的强度失效
垫片是整个密封连接中最重要的密封元件，其性能的好坏直接影响连接结构的紧密性。垫片的变形能力与回弹特性是决定其密封效果的重要因素。通常变形能力很大的垫片需要很小的螺栓预紧力便可将压紧面上凹凸不平的间隙填满，易形成初始密封；回弹特性较好的垫片，更易适应由操作工况下的介质内压和温度引起的波动，又因为垫片是与介质直接接触的，所以它还应具有耐腐蚀、抗冲击、抗疲劳等特性，以保证在承受实际工况作用时仍具有很好的密封性能和较长的使用寿命。
密封失效
螺栓法兰连接的密封失效主要表现为泄漏，一旦发生泄漏就会造成事故，轻则造成能源和设备的浪费，影响正常生产运行造成经济损失，重则可能引起爆炸造成人身伤亡，对环境造成不可估量的污染程度。因而尽可能地减少泄漏、提高对容器和管道等密封系统的密封要求显得更为重要。
分析实际生产中产生泄漏的原因，发现流体在密封处的泄漏一般有两种途径(如图2-2所示)。
一种是“滲透泄漏”，这种泄漏主要是由于垫片的材料本身具有很多毛细管，流体通过这些毛细管便可产生渗透泄漏，通常介质内压越大、温度越高、介质粘度越小，渗透泄漏的概率就越大。此外，除了这些流体性质及所处的工况条件的影响外，垫片结构类型以及材料性质也是最主要的因素，多发生在非金属塾片密封时，这是由于这些材料本身具有很多微小的间隙，组织疏松，紧密性差。当作用其上很小的压力时，介质就可能很容易地通过大量的毛细血管而发生泄漏。一般来说可以通过对这些渗透性的垫片材料添加某些填充剂。比如用硅酸、磷酸等溶液浸泡的方法进行改良，或与某些不透性材料组合制成复合材料也可减少“渗透泄漏”。
二是“界面泄漏”，即沿着垫片与法兰压紧面之间泄漏，泄漏量大小主要与界面间间隙尺寸有关。造成这种泄漏的因素主要有两个：(1)加工时密封面凹凸不平或是压紧时力度太小、不均匀，造成了密封面上存在间隙。(2)密封面两侧存在压力差或浓度差。在实际操作时，密封面两侧存在的压力差和浓度差是无可避免的，要想减小这种界面泄漏,就必须提高加工精度，同时要合理给垫片施加压紧力，充分利用垫片产生的压缩回弹形变来填补密封上四凸不平的间隙。
螺栓法兰连接系统的变形协调方程
目前以弹性强度分析为基础的法兰连接系统的设计计算方法主要有Waters理论和Timosenko理论，后者相对于前者更适合应用于整体法兰连接系统，原因是除了考虑Waters理论中需要注意的条件外，Timosenko理论还考虑了介质压力、内外温度、材料的弹性模量、线膨胀系数等特征参数会随温度变化而改变等可能影响连接系统泄漏率的因素。本文将螺栓法兰连接系统作为一个整体，用Timosenko理论进行分析，基本假设有：
(1)把法兰壳体简化为无限长的弹性基础梁，而将法兰环视为环形平板，在外力矩的作用下不产生扭曲只是偏转了一定角度;
(2)将法兰与螺栓看成是线弹性的，不产生塑性屈服和蠕变，且不考虑螺栓孔对法兰变形的影响；
(3)不考虑法兰与筒体连接处产生的法兰径向位移和由内压产生的薄膜应力，认为壳体与法兰的转动角以及产生的径向位移均相等。
本文小结
本文介绍的是一种当前研究界较为关注的垫片一膨胀石墨金属齿形复合垫片。这种垫片以金属波形骨架为基体，在其上覆盖一层一定厚度的膨胀石墨便可得到，它不仅具有金属骨架刚度大、安全可靠的优点，还拥有膨胀石墨良好的压缩回弹性能及耐高低温等特性，收到了双重密封的效果，广泛应用于很多设备密封结构中。目前，对其进行的分析大部分还仅限于实验研究，数值模拟分析甚少，因而本文选用ANSYS软件对这种垫片的密封性能进行数值模拟分析并实现了垫片的结构优化。其中所得的结论包括：
(1)加载过程中随着载荷步的增加即载荷数值的增大，垫片结构的应力值和位移值均在不断增加，而在卸载过程中该节点的应力值随载荷的减小而减小，这与实际的加载卸载规律一致；
(2)当膨胀石墨覆盖层厚度为0.5mm时，标准复合垫片(12个齿)以及10个齿的复合塾片其压缩曲线接近于直线性；
(3)当金属骨架的齿数为12个时,标准垫片(S=0.5mm)及覆盖层厚度为0.4mm、0.6mm的复合垫片其压缩性能曲线近似于直线性；
(4)当膨胀石墨的覆盖层厚度为0.5mm时，齿数为N=10的复合垫片的泄漏率最小，而标准复合垫片(N=12)的泄漏率却是最大；
(5)当金属骨架的齿数为12个时，膨胀石墨覆盖层的厚度为的复合垫片的泄漏率最小，泄漏率的最大值仍然是标准复合垫片的泄漏率数值。