книги из ГПНТБ / Галушко, А. И. Внутренние напряжения в герметизирующих компаундах радиоэлектронной аппаратуры

компаунд, пропорциональны разности возможных изме­ нений размеров тел и обратно пропорциональны подат­ ливости материалов (компаунда и цилиндра). Податли­ вость упругим деформациям характеризуется обратной величиной модуля упругости. Кроме того, податливость определяется соотношением геометрических размеров: тонкостенные цилиндры деформируются легче, чем тол­ стостенные.

1) (л=+1)/(л--1)-/(л); 2) Р=/(л).

Рис. 1.6. Зависимость контактного давления от показателя толщины компаунда при различных показателях толщины стенки элемен­ та РЭА.

Это значит, что при прочих равных условиях элемен­ ты, изготовленные из материалов с малым ТКЛР (стек­ ло, керамика и ферриты), будут испытывать наиболь­ шее контактное давление.

Толщина слоя компаунда существенно влияет на ве­ личину контактного давления. Как следует из выраже­ ния (1.13), при увеличении толщины слоя компаунда, т. е. при увеличении n=<R/r0, контактное давление увели­

П т(я2+ 1)/(я2—1) = 1

П-*00

и зависимость контактного давления от толщины слоя может быть представлена графиком рис. 1.5. Как сле­ дует из кривых 1 и 2, при Д/го1>4 величина (я2+1) : : (я2—1) приближается к своему предельному минималь-

20

ному значению, равному единице, а контактное давление достигает предельного максимального значения Рмакс и при дальнейшем увеличении толщины слоя компаунда практически не увеличивается, т. е. Р = Рмакс при Р^4го. С помощью формулы (1.13) и кривых рис. 1.5 можно рассчитать абсолютное значение контактного давления, оценить условия работы отдельных элементов РЭА и определить элемент, работающий в наихудших условиях.

Например, для элементов цилиндрической формы ра­ диусом го=10 мм максимальное значение контактного давления возникает при толщине слоя компаунда, рав­ ной или больше 35 мм, т. е. при R ^ A r a=A0 мм. Для герметизации единичных элементов слои такой толщины обычно не применяюстя, однако в блоках РЭА, состоя­ щих из плат с навесным монтажом, модульных конст­ рукций и т. п., толщина слоя вокруг отдельных элемен­ тов может достигать значительной величины.

Легко подсчитать, что этот же элемент, покрытый компаундом с толщиной слоя 1 мм, нагружен контакт­ ным давлением, равным О.ЗРмакс-

Очевидно, что при прочих равных условиях, отно­ шение P/го будет тем больше, чем меньше диаметр эле­ мента. В герметизированном блоке малогабаритные эле­ менты находятся под большим контактным давлением, чем расположенные рядом массивные, т. е. малогабарит­ ные элементы находятся в относительно худших усло­ виях.

Контактное давление увеличивается с увеличением толщины стенки. Это значит, что на пустотелые элемен­ ты действует меньшее по величине контактное давление, чем на сплошные такого же диаметра. В зависимости от показателей толщины слоя компаунда п и стенки Пі — =Гі/г0 относительная величина контактного давления мо­ жет быть рассчитана по графикам рис. 1.6.

Например, при п = 4 контактное давление на кольце­

дечниками из магнитно-мягких материалов. Как известно,

электромагнитные свойства магнитно-мягких материалов весьма чувствительны к воздействиям механических на­

21

грузок. Так, электромагнитные свойства высокопрони­ цаемых марганец-цинковых и ннкель-цинковых ферритов чувствительны к механическим воздействиям при нагруз­ ках выше 50-ІО4 Н/м2 [53]. В зависимости от величины нагрузки проницаемость в слабых полях и таигеис угла потерь существенно изменяются. В области малых на­

на рис. 1,7 (пот — амплитуда перемагничиваиия ненагруженного сердечника). Независимо от знака деформации (растяжения или сжатия) при напряжениях (600— 800) Н/м2 уменьшение амплитуды сигнала перемагничивания достигает 40—50%. Дальнейшее увеличение на­ пряжения вызывает необратимые изменения — трещины, сколы и т. п.

Изменение электромагнитных свойств магнитно-мяг­ ких материалов является причиной изменения тока хо­ лостого хода /хх трансформаторов и дросселей, наруше­ ний в работе счетно-решающих устройств, содержащих сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса, и т. п. отклонений от заданного режима. Эти отклонения про­ исходят независимо от того, каким образом созданы на­ пряжения в магнитно-мягком материале.

Внутренние напряжения влияют на электромагнитные свойства сердечников из магнитно-мягких материалов так же, как и сосредоточенная или равномерно распре­ деленная внешняя нагрузка.

Например, по данным [47], колебания температуры окружающей среды на ±50 К относительно среднего значения вызывают изменение тока холостого хода трансформатора, герметизированного жестким компаун­ дом, на ±40%' (рис. 1.8).

22

Как правило, сердечники из магнитно-мягких мате­ риалов относятся к числу толстостенных элементов РЭА,

Рис. 1.8. Температурная зависимость тока холостого хода транс­ форматора: негерметизировамного (а); герметизированного жестким компаундом (б).

па элементами, пожалуй, в наихудшем положении нахо­ дятся ферритовые сердечники, так как ТКЛР ферритов ниже большинства применяемых в РЭА металлов и сплавов и приближается к ТКЛР керамики и стекла

(табл. 1.1).

Таблица 1.1

Влияние внутренних напряжений на дискретные эле­ менты РЭА. Контактное давление изменяет-размеры ди­ скретных элементов, конденсаторов, резисторов и т. п. и, следовательно, неизбежно должны изменяться их па­ раметры. О величине изменений можно судить по чув­ ствительности некоторых элементов к равномерно рас­ пределенному давлению [51]: для композиционных рези­

23

сторов опа составляет 2 ■10-7%/Н • м-2; для керамических конденсаторов на основе ВаТі03—0,2- Н)-7%/Н-м-2.

Условия работы элементов не одинаковы по величине и характеру силовых нагрузок. На каждый из них дейст­ вует не только контактное давление, обусловленное раз­ ностью ТК.ЛР элемента и компаунда, но также танген­ циальные силы, направление которых показано на рис. 1.9 стрелками. Они обусловлены разностью ТКЛР заливочного компаунда и монтажных плат.

Рассмотрим случай заливки эпоксидным компаундом монтажных плат, изготовленных из стеклотекстолита марки СТ. Температурный коэффициент линейного рас­ ширения стеклотекстолита СТ равен 16-10—6 1/К, а ком­ паунда в0 -10—6 1/К. При охлаждении от температуры отверждения Тп до рабочей температуры Т разность тем­ пературных деформаций компаунда и плат в точках А и В должна составить:

При L = 80 мм, Ти = 393 К и 7"=213 К потенциальная разность деформаций компаунда и стеклотекстолита рав­ на AL = 0,5-80-(80—16) • ІО-6 (393—213) =0,46 мм. Из выражения (1.14) следует, что к центру отливки отно­ сительная деформация уменьшается, достигая нуля по

ОСИ XX.

Так как компаунд связан с платами силами адгезии и элементы РЭА играют роль арматуры, также препят­ ствующей свободной деформации компаунда, при осты­ вании происходит совместная деформация компаунда и плат так, что деформация компаунда облегчается с уда­ лением от поверхности плат. Она достигает максимума

24

на продольной оси отливки хх. Эти деформации вызыва­ ют дополнительную нагрузку, увеличивающуюся с уда­ лением от центра отливки.

Учитывая высказанные соображения о влиянии вну­ тренних напряжений, пользуясь формулами (1.7), (1.13) и (1.14) и графиками рис. 1.5—1.7, можно ориентировоч­ но рассчитать величину внутренних напряжений и кон­ тактного давления, выявить элементы, попавшие в худ­ шие условия.

По известной величине допустимого для элемента контактного давления конструктор дает материаловеду дополнительный критеріи^ оценки пригодности компа­ унда для работы в конкретном изделии с учетом вну­ тренних напряжений.

1.5.Методы измерения внутренних напряжений

1.5.1.Классификация методов

Методы измерения внутренних напряжений можно разбить на две группы.

а) Методы измерения возникающих в компаундах напряжений и их распределения. Для этой цели чаще" всего применяется поляризационно-оптический метод. Он пригоден для сравнительно ограниченного круга ком­ паундов— прозрачных и оптически активных, т. е. приоб­ ретающих оптическую анизотропию под воздействием механических нагрузок.

Для измерения напряжений в лакокрасочных покры­ тиях применяется консольный метод по ГОСТ 13036—67.

б) Методы измерения контактного давления компаун­ да на герметизированную деталь. Для измерений при­ меняются параметрические датчики деформаций и уси­ лий: магнитоупругие датчики в виде тороидальных ферритовых сердечников, керамические емкостные датчики,

а границы между классами четкими. Поляризационно­ оптический метод может быть использован и для изме­ рения контактного давления. С другой стороны, извест­ ны способы исследования распределения напряжений в компаундах с помощью малобазных тензорезисторов, однако они менее эффективны и не получили широкого распространения,

25

Некоторые методы измерения внутренних напряже­ ний, нашедшие наибольшее применение, рассмотрены далее подробнее.

1.5.2. Поляризационно-оптический метод

Метод основан на использовании эффекта двойного лучепреломления, который обусловлен анизотропией, возникающей в компаунде вследствие ориентации и де­ формации цепных молекул под действием механических сил [8].

Как правило, исследования внутренних напряжений поляризационно-оптическим методом производятся на шлифах, вырезанных из готового изделия или модели. Шлиф представляет собой пластину с плоскопараллель­ ными полированными поверхностями толщиной до (4—5) мм. Его помещают в поляризационно-оптическую установку так, что перпендикулярно его поверхности па­ дает луч плоскополяризованного света. В напряженных участках компаунда луч распадается на два с плоско­ стями поляризации, лежащими в плоскости действия главных напряжений щ и а2-

Вследствие неравенства напряжений оі и ог скорость распространения составляющих светового луча будет различна, световые лучи будут выходить из компаунда с определенной разностью фаз. Если линейная разность хода кратна целому числу волн данного монохромати­ ческого света, интенсивность света равна нулю. В точ­ ках, в которых разность хода кратна числу полуволн, интенсивность света достигает максимальной величины.

В общем случае напряжения являются непрерывной функцией координат, разность хода в напряженной от­ ливке будет меняться от точки к точке и, следовательно, отдельные участки получат различную освещенность, об­ разуя темные и светлые полосы. Конфигурация и коли­ чество полос интерференционной картины указывают на величину напряжений и характер их распределения. Имея интерференционную картину нагруженного компа­ унда (так называемую картину изоклин) и зная цену полосы, можно рассчитать напряжения в любой точке.

Если в реальном изделии для герметизации применя­ ется непрозрачный или оптически нечувствительный ком­ паунд, картину силового поля получают с помощью модельных материалов. В качестве модельных могут

26

быть использованы компаунды на основе как полпмёрйзацпонных, так и поликоидеисациониых смол.

1.5.3.Метод термометра

Входе эксперимента [10] в литьевую форму с иссле­ дуемым компаундом погружаются термометр и горячий спай термопары. При отсутствии сжимающих сил пока­ зания температур термометра и термопары одинаковы. При отверждении и охлаждении компаунда возникают силы, сжимающие термометр и вызывающие дополни­ тельный подъем столбика ртути. Превышение показаний температуры термометра над показаниями термопары пропорционально силе давления компаунда на термо­ метр. Чувствительность метода составляет около ЮОХ X ІО4 Н • К/м2. При кажущейся простоте этот метод имеет ряд существенных недостатков. Он позволяет произво­

дить измерения только в системе компаунд — стекло. Погрешность метода довольно велика: ошибка в опре­

1.5.4. Метод магнитоупругих датчиков

Применение магнитоупругих датчиков для исследова­ ния внутренних напряжений основано на использова­ нии эффекта магнитоупругости ферромагнитных мате­ риалов, который проявляется в изменении магнитных свойств датчиков под воздействием механических на­ грузок.

В области высокоэластического состояния модуль упругости компаундов мал, а скорость релаксации на­ пряжений велика, что характерно для систем с низкой вязкостью. Поэтому уменьшение объема герметизирую­ щего компаунда при охлаждении до некоторого значения вязкости не приводит к возникновению значительных на­ пряжений.

В области температуры стеклования происходит рез­ кое увеличение модуля упругости н вязкости компаунда. При этом нарастание давления на герметизированное тело происходит быстрее его пластического выравнива­ ния. В этих условиях намагниченность ферромагнитного сердечника, помещенного в компаунд, под воздействием приложенных сил изменит свою величину. Этот эффект

27

используется в измерительной технике для измерения усилий.

Поместив в компаунд ферромагнитный сердечник с до­ статочно высокой магнитоупругой чувствительностью, можно зафиксировать начало возникновения давлений и проследить их температурную зависимость. Для испы­ таний могут быть использованы стандартные ферритовые сердечники тороидальной формы, например, марки 800НМ, диаметром 20 мм. Эти сердечники обладают сравнительно высоким значением начальной магнитной

нитная проницаемость цо в ожидаемом рабочем диапа­ зоне температур. Затем кольца герметизируются так, что­ бы толщина слоя компаунда составляла 4—5 мм (неод­ нородность слоя и его абсолютная толщина практически не влияют на точность измерений). После отверждения компаунда при плавном (или ступенчатом) охлаждении производятся измерения начальной магнитной проницае­ мости залитого сердечника цѴ В области температур, соответствующих высокоэластическому состоянию ком­ паунда, начальная магнитная проницаемость залитого сердечника равна его начальной магнитной проницаемо­ сти без заливки, т. е. |.і'о=цо.

В области стеклообразного состояния контактное дав­ ление приводит к уменьшению р'о ферритового сердеч­ ника, так что ц'о<Цо. Зависимость цо/\.і'о=}(Т) отражает зависимость величины контактного давления от темпе­ ратуры. Следовательно, можно записать формулу темпе­ ратурной зависимости контактного давления:

р = ѳ^0к = ѳ / ( Г ) ,

где Ѳ— коэффициент пропорциональности, зависящий от магнитоупругой чувствительности сердечников.

Для измерений разработана мостовая схема [58] (рис. 1.10). Намагничивающие обмотки ферритовых сер­ дечников Ы, L2, L3, ..., Ln с помощью переключателя В поочередно включаются в мостовую схему в процессе измерения. Одновременно можно испытывать до 10 и более образцов. Погрешность измерения ц0 сердечников марки 800 НМ менее 0,5 %.

28

компаундами (рис. 1.11). Из графиков видно, что кон­

способ удобен при сравнительных испытаниях различных компаундов, а также позволяет определить Тс компаун-

Рис. 1.11. Температурная зависимость цо/ц'о сердечников, залитых компаундами.

Рис. 1.12. Графическое определение температуры стеклования ком­ паунда КТ-102;

.' — температурная зависимость Цо/цѴ, 2 —температурная зависимость относительного удлинения образца (А///) • 100%.

29