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

Процедура определения температурной зависимости контактного давления заключается в периодическом измерении и записи в рабо­ чую тетрадь температуры моделей и соответствующей величины отно­ сительной окружности деформации цилиндров Ед на каждом из ка­

налов усилителя. Результат для каждой температуры определяется как среднее значение суммы деформаций. В случае неполадок в аппа­ ратуре или нестабильной работы тензодатчика показания одного из каналов могут значительно отличаться от среднего значения (более чем тіа 15—20%). В таком случае результаты измерения на этом канале исключаются из расчета.

Контактное давление рассчитывается по измеренной величине относительной окружной деформации по формуле расчета тонкостен­

где /■= (г0+Гі)/2 — средний радиус цилиндра. Чувствительность по деформации определяется следующим образом.

Тензодатчики типа ПКП-15-200 имеют среднее значение коэффи­ циента тензочувствителыюсти, равное 2,17. С усилителем типа 4ДЗ эти датчики имеют чувствительность по деформации е*=4 - 10~G еди­ ниц относительной деформации на одно деление показывающего при­ бора. (Расчет чувствительности производится по инструкции к при­ бору 4ДЗ с учетом допустимого тока тензодатчика, коэффициента усиления усилителя, схемы включения тензодатчика и других факто­ ров.)

Чувствительность цилиндра модели к контактному давлению мо­ жет быть рассчитана по формуле

Р * = е * £ гД/г ( 1— jj,/2).

Чувствительность цилиндра, принятого в описанной модели (рис. 2.2), составляет

4-10 - с6,86 • І0К'0,

1 6 , 5 ( 1 — 0,35/2) = 8 ' 103 Н/м’

на одно деление показывающего прибора. Чувствительность цилиндра с тензодатчиками других типов определяется аналогично.

■При условии тщательного изготовления моделей их фактическая чувствительность соответствует расчетной п дополнительной тариров­ ки цилиндров не требуется. Периодический контроль и тарировку датчиков можно выполнить при помощи консольной балочкн равного сопротивления изгибу, изготовленной из сплава Д16. Применяемые при статическом тензометрированпи методы и аппаратура детально изложены в ряде работ, например [20].

Ниже подробно описана технология наклейки тензодатчиков, обеспечивающая высокое качество моделей [21].

Наклейка тензодатчиков включает в себя операции по подготов­ ке поверхности модели и тензодатчиков, собственно наклейки тензо­ датчиков и термообработки клея.

Подготовка поверхности. С помощью ватного тампона внутрен­ нюю поверхность цилиндра модели промыть ацетоном, а затем эти­ ловым спиртом. Повторять эту операцию, меняя тампон, до тех пор, пока он не будет совершенно чистым. Нанести па подготовленную

40

поверхность кисточкой равномерным слой клея БФ-2. ) Іросушить клеи прм комнатном температуре 7,2- ІО-1 с, а затем в термостате по ре­ жиму: 3,6- ІО3 с при температуре 343 К п 7,2- ІО3 с при температуре 393 К. Нанести еще одни слой клея и сушить по указанному выше режиму. Толщина слоя клея должна составлять (0,02—0,03) мм.

Подготовка тензодатчиков. Измерить сопротивление каждого тензодатчика. Сгруппировать датчики так, чтобы в каждой группе их сопротивления отличались друг от друга «е более чем на 0,1 Ом.

Наклейка тензодатчиков. Из фторопластовой пленки толщиной 0,1 мм вырезать ленту, длина которой равна развертке внутренней поверхности цилиндра, ширина ее 12— 15 мм. Произвести разметку лепты исходя из того, что на внутренней поверхности каждого ци­ линдра должно быть наклеено по два датчика, расположенных диа­ метрально противоположно.

Ленточку смазать клеем БФ-2 н прижать к ней тензодатчики на участках, показанных разметкой. Пока клей полностью не высох, си­ лы адгезии достаточно велики, чтобы удержать датчики на фторо­

окончания сушки модели охладить в термостате. Охлажденную струбцину снять, порошок высыпать, после чего фторопластовая лен­ точка легко отделяется от датчиков и поверхности цилиндра.

У правильно изготовленных моделей не должно быть видимых искажений решетки датчиков, которые проявляются в сдвиге петель, а также в появлении пузырей и вздутий. Искажения решетки сви­ детельствуют о том, что в процессе наклейки давление было слиш­ ком большим II его нужно уменьшить. Пузырьки и вздутия могут быть следствием малого давления. Оптимальная величина давления подбирается экспериментально. У наклеенных датчиков следует про­ верить отсутствие обрывов п сопротивление изоляции, которое долж­ но быть не менее 100 МОм при напряжении 100 В. Для изготовле­ ния моделей могут быть применены датчики других типов, например ФК.ПА, с базой 5— 15 мм и сопротивлением решетки 100—500 Ом. Для датчиков других типов клей и режим сушки следует брать со­ гласно инструкции запода-изготовнтеля датчиков.

41

Преимущество моделей с датчиками, наклейными на их внутреіінеіі поверхности, заключается в том, что датчики не подвергаются воздействию мономеров и после проведения опыта полностью сохра­ няют свои свойства. Это позволяет многократно использовать одну и ту же модель.

Проверка моделей. После наклейки и проверки датчиков готовые модели произвольно разделить иа две равные по количеству части — на рабочие и компенсационные модели. Для каждой рабочей модели выбирается компенсационная модель так, чтобы сопротивление рабо­ чих датчиков отличалось от сопротивления компенсационных не бо­ лее чем на 0,1 Ом. Пары моделей подключить к многоканальному тензометрическому усилителю и подвергнуть плавному '(со скоростью не более 0,02 К/с) охлаждению от предполагаемой температуры отверждения компаунда до низшей испытательной температуры. На­ грев и охлаждение могут производиться любыми способами, доступ­ ными экспериментатору. В идеальном случае, если модели изготов­ лены абсолютно идентично, а датчики (рабочий и компенсационный) имеют совершенію одинаковые характеристики, в процессе охлажде­ ния тензометрический мост должен оставаться в уравновешенном со­ стоянии, а индикатор деформации — на нуле. Фактически добиться абсолютной идентичности не удается, и в рабочем диапазоне темпе­ ратур возможны отклонения индикатора деформаций от нулевого положения.

В каждом конкретном случае экспериментатору приходится са­ мостоятельно решать вопрос о пригодности каждой пары моделей в зависимости от ожидаемой величины контактного давления иссле­ дуемого компаунда. Можно отметить, что «хорошие» пары моделей дают отклонения рассогласования не более ±10 делений показываю­ щего прибора в диапазоне температур от 373 до 213 К. Это соответ­ ствует контактному давлению ± 9 ■10* Н/м2. Для сравнения отметим, что контактное давление эпоксидного компаунда Д-3 при температу­ ре 213 К составляет около 300101 Н/м2.

После того, как необходимое количество пар моделей отобрано, рабочие модели следует установить в литьевую форму, как показано на рис. 2.2. Для предотвращения затекания компаунда во внутрен­ нюю полость цилиндра необходимо промазать клеем его нижний торец, приклеить его к литьевой форме. Наружное кольцо литьевой формы может быть изготовлено из металла или стекла. Перед мон­ тажом модели наружное кольцо необходимо смазать антнадгезнопной разделительной смазкой.

2.5. Математическая интерпретация температурной зависимости контактного давления

Аналитическое выражение температурной зависимости контактно­ го давления P = f ( T ) является слишком сложным для использования при инженерных расчетах, графические методы решения зачастую весьма трудоемки, поэтому для технических приложений целесооб­ разно дать приближенную формулу. Она должна описывать эту зави­ симость с достаточной точностью и не вызывать больших затрудне­ ний при практическом применении.

Всоответствии с резким изменением физико-механических

42

малыш представить ее аппроксимирующим полиномом первой степе,іи вида:

Р = — А 0 \ Т — Т с \ — В о ( Т с— Т ) + С 0.

При Т < Т с

Рт<та= - А 0(Та- Т ) - В 0(Та- Т ) +

+ Со = — (А 4- В0) (Та— Т) + С„.

При Т > Та

Р Т>Та = А (Та- П - А (То - Т) +

+ с о —(А — Во) (та— Т) + с 0.

Для нахождения угловых коэффициентов обозначим:

—Ао—Во= Кі, Ао—Во= к-2,

Таким образом, с помощью приближенной формулы компаунд может быть охарактеризован с точки зрения создания внутренних напряжений тремя параметрами: К\, Ко и Т с. Четвертый параметр Т ш задается при разработке технологического режима отверждения ком­ паунда.

Описание зависимости контактного давления от температуры с использованием четырех параметров значительно упрощает пере­ дачу информации по сравнению с графическим представлением этой функции. Все четыре параметра могут быть получены разработчика­ ми соответствующих компаундов и внесены в справочную литературу наряду с другими физико-механическими и электроизоляционными характеристиками.

Коэффициенты к, и ю, могут быть найдены из выражения (1.13) или определены по результатам эксперимента. Графически щ и к г

туры стеклования, ее можно найти приближенно в точке пересечения касательных к этой кривой.

3.Методы снижения внутренних напряжений

вкомпаундах

3.1.Классификация методов

Существуют два основных метода снижения внутрен­ них напряжений: а) модификация свойств компаундов;

43

б) конструктивные методы защиты деталей и компаун­ дов от воздействия внутренних напряжений. Первый из методов предусматривает снижение внутренних напря­ жений путем введения наполнителей, пластификаторов и других компонентов или изменения их соотношения. Иногда снижение внутренних напряжений достигается изменением технологического режима отверждения ком­ паунда.

Второй метод предусматривает разработку демпфи­ рующих прокладок и т. п. элементов, задача которых— защитить наиболее уязвимые детали аппаратуры, чачнстично компенсировать разность деформаций детали и компаунда и принять на себя часть нагрузки.

Каждый из методов имеет достоинства и недостатки. Исследованы общие закономерности температурной зави­ симости внутренних напряжений, а также эффективность различных методов модификации компаундов для сни­ жения внутренних напряжений. В меньшей степени изу­ чена эффективность конструктивных методов защиты деталей.

Зная особенности и достоинства каждого из методов, можно выбрать наиболее целесообразный для данного изделия с учетом климатических условий и механиче­ ских воздействий при транспортировке, эксплуатации и хранении.

Предполагается, что конструктору известен эффект возникновения концентрации напряжений в компаундах па острых углах, при неравномерной толщине слоя ком­ паунда и в других случаях. Поэтому случаи растрески­ вания компаунда, объясняющиеся нерациональным на­ бором и расположением деталей, в книге не рассматри­ ваются.

3.2. Общие закономерности температурной зависимости внутренних напряжений

Для изучения общих закономерностей температурной зависимости внутренних напряжений выбраны стандарт­ ные, широко применяющиеся в промышленности жест­ кие, рогоподобные и эластичные компаунды и пеногерметикп различных по химической природе классов полимеров. Отверждались они по рекомендованным ре-

44

жимам. Составы компаундов и режимы отверждения приведены в табл. 3.1.

Здесь и далее марки, рецептуры и режимы отверж­ дения компаундов взяты по справочнику К. И. Черняка [23]. Далее в книге рецептуры и режимы отверждения компаундов марок, взятых из справочника, не приводят­ ся. Кроме них в работе использованы «модельные» ком­ паунды. Они составлены на базе существующих таким образом, чтобы удобно было исследовать и оценить

45 .

влияние модифицирующих компонентов и технологиче­ ских факторов на величину контактного давления; в тексте они пронумерованы.

Методом проволочной тензометрии определена тем­ пературная зависимость контактного давления компаун­ дов, приведенных в табл. 3.1. Графики температурной

Рис. 3.1. Температурная зависимость контактного давления ком­ паундов:

/) СКТН-І; 2) кт-102; 3) МБК-3; 4) МБК-1; 5) Д-3.

зависимости контактного давления представлены на рис. 3.1 и 3.2. Каждый из материалов имеет три области с различным характером температурной зависимости и величиной контактного давления. Существование этих областей объясняется особенностями физико-механиче­ ских характеристик полимерных материалов в высоко­ эластическом и стеклообразном состояниях.

В области высокоэластического состояния контакт­ ное давление имеет пренебрежимо малую величину и слабо выраженную зависимость от температуры. Это соответствует теоретически ожидаемому характеру по­ ведения полимерных материалов, так как в высокоэла-

Рис. 3.2. Температурная зависимость контактного давления пеноматериалов:

/ — Силпеи; 2 — пенопласт ЖК.Т-1.

46

с'ічіческой области модуль упругости мал, а релаксаци­ онные процессы протекают с большой скоростью [24]. Равновесное состояние системы достигается за время, меньшее длительности опыта.

Затем начинается переходная область, в которой по­ является тенденция к увеличению контактного давления с понижением температуры. Она более четко выражена у эластичных и менее четко у жестких компаундов, одна­ ко во всех случаях перегиб кривой температурной зави­ симости контактного давления совпадает с тем­ пературой стеклования соответствующих материалов (табл. 3.2). Увеличение контактного давления в этой

области объясняется увеличением модуля упругости и времени релаксации высокоэластической деформации компаундов.

Третья область на кривой температурной зависимо­ сти контактного давления соответствует стеклообразному состоянию компаундов. В этой области контактное дав­ ление на порядок выше давления в высокоэластиче­ ском состоянии, что объясняется значительным увеличе­ нием модуля упругости при переходе компаундов из высокоэластического в стеклообразное состояние. Линей­ ная зависимость величины контактного давления от тем­ пературы объясняется тем, что модуль упругости иТКЛР компаундов в стеклообразном состоянии в незначитель­ ной степени зависят от температуры.

У пеноматериалов эти характерные области выраже­ ны слабо. Контактное давление эластичного пеногерметика (Силпен) и пенопласта ЖКТ-1 значительно мень­ ше, чем давление соответствующего не вспененного компаунда СКТН-1 и полиуретанового компаунда КТ-102, что объясняется пористостью и весьма малым значением модуля упругости пеноматериалов.

При всем несходстве исследованных компаундов об­ щим в характере температурной зависимости их контакт­

47

ного давления является сравнительно невысокое значе­ ние давления в области высокоэластического состояния независимо от величины химической усадки. Действи­ тельно, усадка эпоксидных компаундов не превышает 1,5—2%, а усадка компаунда МБК-3 значительно боль­ ше. Однако и в том и другом случае при температурах выше температуры стеклования величина контактного дав­ ления не превышает (30—50) • ІО4 Н/м2, в связи с тем, что в основном химическая усадка компаундов протека­ ет в период, когда они находятся в высокоэластнческом состоянии п их модуль упругости достаточно мал.

Необходимо отметить, что контактное давление ком­ паунда МБК-3 при температурах ниже 233 К становится больше, чем давление компаунда КТ-102, хотя темпера­ тура стеклования последнего выше. Объясняется это тем, что ТК.ЛР компаунда МБК-3 больше, чем КТ-102. Отсюда угловой коэффициент /Сі компаунда МБК-3 больше и кривые температурной зависимости контактно­ го давления пересекаются при понижении температуры.

Следовательно, при выборе компаундов, обеспечи­ вающих минимальную величину внутренних напряжений в рабочем диапазоне температур, пониженное значение Тс является критерием необходимым, но не достаточ­ ным.

Для объективной оценки компаундов кроме темпера­ туры стеклования необходимо знать угловые коэффици­ енты кі и К2 интерполирующей функции. Они могут быть получены либо аналитически по результатам измерений

48

при температуре отверждения и монотонно увели­

ХЮ4 Н/м2 и возрастает до 590ІО4 Н/м2 при температу­ ре 213 К (рис. 3.3).

Для компаундов этого типа пригоден метод прово­ лочной тензометрии при экспериментальном изучении контактного давления, однако аналитическое выраже­ ние (1.13), по-видимому, должно быть подвергнуто кор­ ректировке.

3.3.Применение пластификаторов для снижения

внутренних напряжений

Один из известных способов снижения внутренних напряжений заключается в модификации компаундов пластификаторами. Пластификаторы снижают темпера­ туру стеклования и модуль упругости компаундов и та­ ким образом должны снижать внутренние напряжения.

Этих общих соображений недостаточно дЛя объек­ тивного выбора марки пластификатора и расчета его количества, необходимого для снижения напряжений в компаунде на заданную величину. Для оценки влия­ ния различных пластификаторов на величину контакт­ ного давления и физико-механические свойства компа­ ундов исследовайы свойства модельных компаундов на основе смол ЭД-5 и ЭД-6, пластифицированных полиэфиракрилатом МГФ-9, кастровым маслом, дивинильиым карбоксилатным каучуком СКД-1 и алифатически­ ми эпоксиэфирными смолами ДЭГ-1 и ДЭГ-Ж. Составы пластифицированных компаундов приведены в табл. 3.3. Все компаунды отверждались при температуре 343 К в течение 16 ч. Для отверждения компаундов использо­ ваны полиэтиленполиамин і(ПЭПА) и низкомолекуляр­ ная полиамидная смола Л-20. Определены величина контактного давления, температура стеклования и ТКДР компаундов в зависимости от вида и процентного содер­ жания пластификаторов.

Анализируя результаты измерений свойств компаун­ дов № 1—8, следует отметить различный характер влия­ ния иа величину контактного давления больших коли-