книги из ГПНТБ / Попов, В. М. Теплообмен через соединения на клеях

капилляров или зазоров между двумя параллельными плоскостями, в первом приближении для оценки глубины заполнения их адгезивом можно использовать уравнение капиллярного поднятия

поверхности и угла смачивания ср, при этом смачивание

из которого следует, что глубина заполнения h3 макси­ мальна при yL= 1/2(у к + l/b).

Входящее в (4-33) поверхностное натяжение yL на­ ходилось опытным путем для различных клеев и темпе­ ратур методом «неподвижной капли» [Л. 103]. Результа­ ты опытов приведены на графиках рис. 4-18. Обработка опытных данных методом наименьших квадратов показа­ ла, что полученные кривые с погрешностью не более 6% описываются уравнением вида

где уьн ■— начальное значение поверхностного натяжения при 7'=293 К; с и d — коэффициенты.

133

Эмпирическим путем выявлена [Л. 102] линейная за­ висимость между значениями cos ф и уь для каждого гомологического ряда жидкостей, при этом в каждом случае обнаруживается критическое поверхностное на­ тяжение ую которое определяется экстраполяцией зави­ симости co$ty=f(yL) к значению cos<p=l (рис. 4-19),

т. е. при полном растекании жидкости по поверхности субстрата.

Значения поверхностных натяжений yL и ук Для ряда клеев приведены в табл. 4-5, анализ которых свидетель­ ствует'об идентичности величин yL для жидких и ук от­ вержденных клеев.

На глубину проникновения адгезива в микровпадины поверхностей кроме сил капиллярного поднятия и смачи­ ваемости определенное влияние оказывают давление отверждения и сопротивление газовой среды во впади­ нах. Если представить рельеф поверхности субстрата в виде набора конусов на расстоянии шага микронеров­ ностей друг от друга, тогда эквивалентная по всей пло­ щади глубина заполнения адгезивом описывается соот­ ношением

134

Таблица 4-5

Поверхностное натяжение различных веществ

где рн —_начальное давление газов во впадинах неров­ ностей; Л3—эквивалентен по поверхности склеивания глубина заполнения адгезивом межвыступного прост­ ранства силами капиллярного поднятия.

С учетом принятых допущений по геометрии микро­ неровностей поверхностей субстратов в первом прибли­

жении глубину заполнения h3 можно аппроксимировать

135

ления отверждения, так как при р 0тв- ~ 0 вычисленная по (4-35) 83 на порядок меньше 8В.

Для проектных разработок клеевых соединений в теп­ лонапряженных конструкциях представляет интерес воз­ можность прогнозирования толщины отвержденной клее­ вой прослойки и в зависимости от нее термического со­ противления. Как следует из табл. 1-1—-1-4, технология изготовления клеевых соединений регламентирует опти­ мальную толщину клеевой прослойки, задаваемую для

каждого клея его расходом, В идеальном случае толщи­ на прослойки рассчитывается с помощью выражения

где Q — оптимальный расход клея; р — плотность клея. Фактическая толщина адгезива вследствие наличия неровностей и за счет сдвига имеет меньшую толщину и функционально зависит от эквивалентной глубины за­

полнения 83 адгезива, давления р0тв и времени т отверж­ дения, ширины т склеиваемых поверхностей, вязкости т]

136

адгезива й оценивается выражением [Л. 96]

(4-37)

^4" Зт]от2р2 )

Всвою очередь эквивалентая по поверхности склеи­ вания толщина газовой прослойки описывается фор­

В процессе формирования клеевой прослойки одно­ временно с заполнением впадин микронеровностей клей растекается между поверхностями субстратов до образо­ вания бортика на кромках. Снижение толщины про­ слойки за счет растекания, отображаемое знаменателем формулы (4-37), возрастает с увеличением давления Ротв и уменьшается при увеличении значений вязкости ri адгезива и ширины т склеиваемых поверхностей. Наибо­ лее широкие пределы изменений имеет вязкость. В про­ цессе склеивания вязкость адгезива увеличивается за счет протекания реакций отверждения. Для оценки ве­ личины вязкости адгезива в любой момент времени от начала отверждения были проведены испытания на спе­ циально сконструированном вискозиметре, а данные ис­ пытаний представлены на графиках рис. 4-20. В резуль­ тате обработки кривых зависимости г|= /(т) получено соотношение вида

где т]н — начальная вязкость клея; а — коэффициент, ха­ рактеризующий свойства данного клея.

Приведенные выше положения о формировании структуры и геометрических размеров клеевых прослоек на основе высоковязких клеев в процессе их отвержде­ ния дают возможность рассмотреть вопросы теплопереноса через такого рода соединения. В соответствии со схемой составляющих термического сопротивления (см. рис. 4-17,5) общее термическое сопротивление клее­ вой прослойки равно:

где Я„.с, Дв и Rr — термические сопротивления соответ­ ственно сплошного клеевого слоя, клея во впадинах и газовых включений.

137

Расшифровывая каждое Из состайляющйх уравнения (4-40), с учетом вышеприведенных формул получаем расчетное выражение в развернутом виде (для поверх­ ностей с одинаковой чистотой обработки):

С целью проверки расчетной формулы (4-41), а так­ же выяснения роли различных технологических факторов в процессе теплопереноса отверж­

/верхностей и клеевыми прослой­

отверждения для ВС-10Тдо5- 104Па и ВК-Здо20-105 Па при различных расходах Q клея. Результаты испытаний представлены кривыми на рис. 4-21, из расположения которых видно, что абсолютное значение термического

138

сопротивления уменьшается при повышении давления от­ верждения, и эта тенденция особенно выражена для соединений на менее вязком клее (см. кривые 1—3). Такой характер кривых зависимости R = f(p0тв) можно объяснить, в частности, изменением толщины клеевой прослойки при повышении давления. На формирование

рхЮ ~5,Па

Рис. 4 -21. Зависимость термического сопротивления клеевых про­ слоек на основе клеев ВС-10Т (1—3; l'—З') и ВК-3 (4, 5; 4', 5') от давления отверждения при различном удельном расходе клея.

1. д — Q/P-0.1I7 мм; 2, 2' — 0,195 мм; 3, З1— 0,313 мм; 4, 4' — 0,125 мм; 5. 5' — 0,24 мм.

Штриховые и штрихпунктирные линии — расчет по формуле (4-41).

термического сопротивления в зависимости от давления отверждения определенное влияние оказывает геометрия поверхности субстратов. Симптоматично в этом смысле сравнение результатов исследований шероховатых (кри­ вые 1—5) и практически гладких (V —5') поверхностей. Видно, что кривые зависимости R = f(p отв) для сосдине-

139

ний с гладкими поверхностями, обработанными шлифо­ ванием до 116 класса чистоты, носят менее выраженный характер и, кроме того, при тех же расходах Q клея термическое сопротивление по абсолютной величине зна­ чительно меньше. Это объясняется тем, что законсерви­ рованные во впадинах микронеровностей шероховатых поверхностей (образец 3, табл. 4-4) малотеплопроводные газовые включения в значительной степени повышают сопротивление клеевой прослойки. Так, согласно расчету

1 • 105 Па доходит до 50%. Повышение давления отверж­ дения ведет к сжатию, а в ряде случаев и выдавливанию газовых включений, в результате чего полости заполня­ ются более теплопроводной клеевой композицией, приво­ дящей к снижению общего термического сопротив­ ления R.

Как для шероховатых, так и гладких поверхностей повышение вязкости адгезива, а также в большинстве случаев и расхода сопровождается увеличением абсо­ лютного значения термического сопротивления R. Это вызвано тем, что более вязкие клеи менее интенсивно растекаются между поверхностями субстратов при фор­ мировании прослойки. Результаты обработки опытных данных (рис. 4-22) в координатах ARIRэ к с .ш —f( отв)< где А^ = /?экс.ш Rskco (R экс.пъ RdKco экспериментальные зна­ чения термических сопротивлений соответственно шеро­ ховатых и гладких поверхностей), наглядно свидетель­ ствуют о том, что вклад термических сопротивлений

газовых и клеевых вклю-

140

клея ВС-ЮТ (кривые 1—3) в диапазоне давлений (1-г-5) -105 Па на изменение общего термического сопро­ тивления примерно равное влияние оказывают сопротив­ ления R K .c и R k + > R t, т о д л я более вязкого ВК-3 превали­ рующим является вклад от сопротивления RK.C, который наиболее выражен при давлении до 5 *105 Па. Увеличе­ ние расхода клея оказывает на термическое сопротивле­ ние R влияние, по характеру адекватное повышению вязкости клея.

Сопоставление опытных данных с результатами рас­ чета по формуле (4-41) указывает (см. рис. 4-21), что в большинстве случаев в области, начиная с давления (2-=-'3) • 105 Па и выше, наблюдается удовлетворительное соответствие между экспериментальными и расчетными кривыми. В то же время для малых давлений отвержде-

Рис. 4-23. Зависимость термического сопротивления клеевой прослойки при Г=373К от геометрии по­ верхности субстратов при различном расходе клея и давлении отверждения.

141

ния имеют место значительные расхождения, достига­ ющие 10—15%. Это обусловлено, очевидно, влиянием побочных факторов, которые не учтены при выводе соот­ ношения (4-41).

О характере влияния геометрии поверхности субстра­ та на термическое сопротивление клеевой прослойки на основе клея ВС-ЮТ свидетельствуют результаты опы­ тов, представленные на рис. 4-23 в виде зависимости.

Из расположения кривых следует, что с уменьшением

шероховатости поверхностей (26в— >-0) снижается абсо­ лютное значение термического сопротивления. С повы­ шением давления скорость снижения термического со­ противления R тем ощутимее, чем больше шерохова­ тость. При этом зависимость

менее выражена для соединений, прослойки которых от­ верждены при большем давлении. Сравнение эксперимен­ тальных и расчетных данных указывает на хорошее согласование, которое нарушается при возрастании зна­

чения отношения 26Bp/Q-

Таким образом, зная влияние основных технологиче­ ских факторов на термическое сопротивление клеевых прослоек, можно при определенных условиях предска­ зать процесс теплообмена через такие соединения. С дру­ гой стороны, меняя технологические режимы склеивания, представляется возможным в заметных пределах изме­ нять термическое сопротивление клеевой прослойки и, таким образом, направленно регулировать процесс теп­ лообмена.

4-3. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ НАЛИЧИИ МЕСТ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО КОНТАКТА СКЛЕИВАЕМЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В производственной практике встречаются соединения на прессовой посадке, для увеличения прочности которых в последнее время все шире применяются клеевые ком­ позиции. Теплообмен через такого рода комбинирован-

142