А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

В радиотехнике применяют галлиевые клеи (клеи-припои). Соединение, полученное с помощью такого клея, имеет хорошую тепло- и электропроводность, достаточно высокую прочность и эксплуатационную стабильность в интервале температур от –196 до +800 °С.

Склеиваемые поверхности должны быть механически очищены, например наждачной бумагой, пескоструйной обработкой,

иобезжирены (спиртом, ацетоном). Толщина пленки клея должна составлять 0,1–0,6 мм. Меньшая толщина грозит нарушением сплошности пленки, большая – уменьшает прочность соединения.

Вкачестве конструкционных клеев криогенного назначения применяют вещества, обладающие после отверждения достаточно высокой механической прочностью, хорошим сцеплением с соединяемыми материалами.

Клеи могут быть приготовлены на основе термопластичных или термореактивных полимеров. Клеи на основе термореактивных полимеров позволяют получать более прочные соединения. Они находят применение в силовых конструкциях. Клеи на основе термопластичных полимеров обладают меньшей прочностью и применяются в основном для несиловых конструкций.

Криогенные клеи могут быть однокомпонентными и многокомпонентными. Однокомпонентные клеи приготавливаются на за- воде-изготовителе и поставляются потребителю в готовом виде.

Многокомпонентные клеи изготавливают непосредственно перед употреблением. В состав многокомпонентного клея, помимо основного связующего вещества, могут также входить отвердители клеевого состава, разбавители, снижающие вязкость клеевого состава

иоблегчающие его нанесение на склеиваемые поверхности, инициаторы, ускоряющие процесс отверждения клеевого слоя, заполнители, пластификаторы и модификаторы, позволяющие получить клеевой слой с требуемыми физико-механическими свойствами, а также стабилизаторы, тормозящие процесс старения клеевого слоя в процессе эксплуатации.

По технологии применения клеи можно разделить на три основные группы:

1. Клеи, представляющие собой растворы различных полимеров или их смесей в органических растворителях.

291

2.Клеи, отверждающиеся в результате процессов полимеризации при введении в них специальных добавок (такие клеи, как правило, приготовлены на основе термореактивных полимеров).

3.Клеи, представляющие собой расплавы полимеров.

Процесс отверждения клеев первой группы связан с удалением растворителя. Прочность соединения зависит в основном от полноты удаления растворителя из клеевого слоя. Наличие растворителя в отверженном клеевом слое приводит к образованию пористости и снижению прочности соединения. Отверждение клеев второй и третьей групп не требует выдержки после нанесения клеевого слоя, сопровождается незначительной усадкой; полученный клеевой слой более плотный и прочный.

При склеивании конструкций, предназначенных для эксплуатации при криогенных температурах, наиболее широко применяются модифицированные наполненные эпоксидные и полиуретановые клеи, а также клеи на основе ароматических полимеров, содержащих гетероциклы. Выбор состава клея в каждом конкретном случае должен определяться конструкцией склеиваемого узла и условиями его эксплуатации.

Криогенные клеи на основе эпоксидных композиций. В миро-

вой практике наибольшее применение получили клеи на основе эпоксидных композиций. Преимущество таких составов заключается в том, что, применяя различные отвердители, наполнители, пластификаторы и модификаторы, можно получать клеи с заранее заданными физико-механическими свойствами. В табл. 5.66 приведены свойства двух эпоксидных композиций, разработанных в НПО «Криогенмаш», для склеивания криогенных конструкций.

Прочность и вакуумная плотность клеевых соединений не изменяются после воздействия 30 циклов перепада температур от 77 до 293 К. Результаты промышленных испытаний подтвердили работоспособность эпоксидных клеевых композиций при температуре до 4К.

Для получения вакуумно-плотных соединений, работоспособных при температуре до 4 К, применяют также элементоорганические клеи таких марок, как криосил и ВТ-200. Физико-механические свойства этих клеев приведены в табл. 5.67.

292

Таблица 5.66

Предел прочности клеевых соединений разнородных материалов на основе эпоксидных смол при равномерном отрыве, МПа

Таблица 5.67

Физико-механические свойства клеевых соединений алюминий (АД-1) – алюминий (АД-1)

на основе элементоорганических смол

В авиационной промышленности широко используются клеи на основе эпоксидных смол. В табл. 5.68 приведены данные НИИАТ о прочности некоторых марок клеев на основе эпоксидных смол. Они указывают на высокий уровень свойств эпоксидных композиций, использование которых не только дает существенные технологические преимущества, но и позволяет получать клеевые соединения с высокими прочностными показателями.

293

Таблица 5.68

Предел прочности клеевых соединений на основе эпоксидных смол при сдвиге, кгс/см2

Фирма «NarmcoMaterialsDiv. OfWhitakerCorp» (США) разра-

ботала три эпоксиполиамидных клея для применения при температуре до 33 К. Клеи предназначены для склеивания деталей баков криогенного топлива и окислителей.

Клей А изготовлен на основе эпоксидных смол с полиамидным отвердителем, он отличается высокой прочностью при умеренно низкой температуре, а также удовлетворительными показателями прочности и пластичности при низкой температуре.

Клей В состоит из тефлоновой клеящей пленки (субстрата) и эпоксидного фторполимера с аминным отвердителем. Прочность клея при повышении температуры резко снижается.

Склеивание клеями данных марок и их отверждение производят при температуре 20 С и контактном давлении. Значения прочности клеевого соединения приведены в табл. 5.69.

Для соединения металлов предложен пленочный эпоксидный клей аэробонд 3041 (для использования при низкой температуре в авиационной и космической технике).

294

Таблица 5.69

Предел прочности соединений на эпоксидных клеях фирмы «Narmco» при сдвиге, МПа

Для работы при криогенной температуре широко используются эпоксифенольные клеи. Фирма «Narmco» разработала пленочный эпоксифенольный клей Metlobond 306 на подложке из стекловолокна. Температура эксплуатации составляет 23–533 К. Клей предназначен для получения сэндвичевых структур из стекловолокна и может быть использован в микроволновых установках.

Фирмой «American Cyanamid» (США) разработан пленочный эпоксифенольный адгезив НТ424 на алюминиевой подложке. Температура эксплуатации этой композиции находится в пределах от 33 до 533 К. Клей предназначен для склеивания несущих и сэндвичевых структур на ткани, наполненной алюминием, что придает им большую прочность.

Полиуретановые клеи для криогенной техники. Прочность полиуретановых клеев возрастает при понижении температуры. Эти клеи обладают высоким сопротивлением термическим ударам и могут работать в контакте с жидким кислородом. Основной их недостаток – низкий уровень механических свойств. Например, при отсутствии наполнителя они характеризуются ползучестью, в 28 раз превышающей ползучесть, определяемую в тех же условиях у модифицированных эпоксидных смол.

К числу отечественных полиуретановых клеев, работоспособных при криогенной температуре, относятся клеи марок ПУ-2, ВК-20, ВК-5, ВИЛАД11К. Свойства клеев этих марок приведены в табл. 5.70. Клей марки ВИЛАД11К незначительно изменяет прочность после 30 термоциклов 77 ↔ 323 К. Клеи марок ПУ-2 и ВК-5 можно рекомендовать для приклеивания теплоизоляции к криогенным сосудам.

295

Таблица 5.70

Предел прочности клеевых соединений алюминий–алюминий полиуретановыми клеями при сдвиге, МПа

По данным фирмы «Whittacer Corp» (США), стойкие к действию жидкого кислорода и пригодные для применения при криогенной температуре клеи могут быть получены на основе полиуретана из тетрафторфенилендиизоцианата и полиэфира на основе перфторпропилена или полиэфира на основе гексафторбензола и гексафторпентандиола.

Фирма «Мопsanto» (США) разработала полиуретановый клей на основе 2,6-диэтил-п-фенилендиизацианата. Прочность клеевых соединений на этом клее при сдвиге составляет 31–44 МПа при 20 К, 42 МПа при 77 К и 11–13 МПа при 423 К.

В отечественной космической технике для склеивания пластмасс нашел применение пастообразный полиуретановый клей ура-

лан 8089-А/В.

Созданы клеи на основе ароматических полимеров, работоспособных при температуре от 4 до 573 К. К ароматическим полимерам, содержащим гетероциклы, относятся полибензимидазолы, полиамиды, полибенэтиазолы, полихиноксалины, полиоксадиазолы, политриазолы и лестничные полимеры. По прочности соединений эти клеи не уступают эпоксидным и фенольным клеям.

Разработанный фирмой «Narmco» клей имидайт 850 представляет собой 34–35 %-й раствор смолы имидайт 2321 на пиридине. Клей рекомендуется для склеивания стали, титановых и алюминиевых сплавов, бериллия в изделиях авиационной, ракетной и космической техники. Характеристики клеевых соединений различных металлов, выполненных клеем имидайт 850, приведены на рис. 5.17.

296

состоящие соответственно из грунтов Р4 и Р4А и клеев А5F и А5FА. Клеи применяют в авиационной и ракетной технике для склеивания титановых сплавов и сотовых конструкций. Склеивание осуществляют следующим образом: конструкцию помещают в вакуумный мешок, находящийся в автоклаве, нагревают до 300 °С со скоростью 2–4 град/мин под давлением 0,7 МПа и выдерживают в течение 1 ч. Окончательное отверждение производят на воздухе при 288 °С в течение 16 ч. Данные о прочности клеевых соединений при сдвиге различных металлов на клеях Р4/А5F и Р4А/А5FА приведены табл. 5.71.

применяют в сочетании с грунтом ВR-34. Использование грунта позволяет значительно повысить прочность клеевых соединений и стойкость к старению.

бует применения повышенной температуры, контактного давления, а в ряде случаев – и грунта для повышения адгезии.

298

В последнее время возрос интерес к анаэробным уплотнительным составам на основе полимеризационно-способных соединений акрилового или метакрилового ряда. Характерной особенностью анаэробных составов является их способность сохранять свои свойства в течение длительного времени в присутствии кислорода воздуха и быстро полимеризироваться при нарушении контакта с кислородом с образованием прочного полимерного слоя.

Анаэробные композиции применяют для законтривания резьбовых соединений, подвергающихся вибрации, для предотвращения утечки жидкости или газа при уплотнении соединений трубопроводов, для герметизации пор в литье, сварных швах изделий вакуумных систем, для защиты контактов в электроприборах и силовых установках .при сборке фланцевых соединений.

Физико-механические свойства анаэробных уплотняющих составов, работоспособных при криогенных температурах, представлены в табл. 5.72.

Таблица 5.72

Физико-механические свойства анаэробных герметиков

299

_______________

*Предел прочности при отрыве.

**Обеспечиваемая герметичность 1·10–5 – 1·10–7 л · мм рт.ст./с.

5.5.2.Основы технологии склеивания соединений, эксплуатируемых при низких и криогенных температурах

Ресурс, надежность, работоспособность и физико-механиче- ские свойства клеевых соединений существенно зависят от технологии склеивания. Основные операции технологического процесса склеивания: подготовка поверхностей склеиваемых материалов; приготовление клеевой композиции; нанесение клея на склеиваемые поверхности и отверждение клеевого слоя.

При склеивании металлов с металлами и с конструкционными неметаллическими материалами клей рекомендуется наносить на обе склеиваемые поверхности, что в большей степени гарантирует получение равномерной толщины клеевой прослойки по всей площади склеивания.

Способ нанесения клея на поверхность зависит от вязкости клея, условий производства и площади склеиваемых поверхностей. Жидкие клеи в зависимости от их вязкости наносят на склеиваемые поверхности кистью, шпателем, роликом, клеевыми вальцами, распылением в электрическом поле, окунанием и специальными клеенаносящими устройствами.

Все более широкое применение при склеивании конструкционных материалов находят пленочные клеи, являющиеся наиболее технологичными по сравнению с другими видами клеевых композиций. Клеевые пленки обеспечивают сплошную и равномерную по толщине клеевую прослойку, способствуют получению стабильного качества соединения. Они изготавливаются в рулонах или в виде листов. Пленки разрезают по картам раскроя, укладывают на поверхность деталей и прикатывают к поверхности деталей роликами или на специальных стендах с обогреваемой рабочей частью.

300