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

таллических поверхностей с окисными пленками описы­ вается после преобразования выражения для полного

Поскольку величина г01 носит гипотетический харак­ тер, выражение (4-169) нельзя брать за основу при рас­ чете полного сопротивления элементарного канала с окис­ ной пленкой. В то же время очевидно, что из всех воз­ можных сопротивлений, которые получаются при искус­ ственном подборе распределений линий теплового пото­

максимум, дает возможность аппроксимировать действи­ тельное сопротивление стягивания анализируемого кана­ ла.

Выразим через R'K контактное термическое сопротив­

где з]) — коэффициент стягивания, функционально зави­ сящий от а / г д , может быть определен по графику рис. 4-45,

203

Относительное повышение термического сопротивле­ ния при наличии окисной пленки аппроксимируется за­ висимостью

где Ямакс — максимальное результирующее термическое сопротивление единичного канала с окисной пленкой, определяемое согласно (4-170).

^манс!як

выражения'(4-171) для "каждого'частного случая соотно­

204

значений ДмаКс/^'к в функции отношения а/г0 для различ­ ных величин параметра 80/а при трех значениях Ям/Я0

влияние окисной пленки (повышение сопротивления кон­ такта) возрастает с увеличением Ь0/а и Ям/Я0, причем отношение теплопроводностей Яи/Я0 накладывает ограни­ чение на величину Ruакс/Я'к-

Следует отметить, что полученные данные не явля­ ются результатами точных решений, а основываются лишь на модельных представлениях, использующих гипо­ тетическую площадь сечения канала w 2oi, но они позво­ ляют оценивать величину термического сопротивления контакта окисленных поверхностей.

Для оценки надежности предлагаемой модели боль­ шой интерес представляют результаты эксперименталь­ ных исследований термического сопротивления на образ­ цах, имитирующих элементарный тепловой канал с окис­ ной пленкой в зоне контакта. Исследовалась модельная

Рис. 4-51. Схема образца, имитирующего половину элементарного канала с окисной пленкой (а), и распределение температур (б).

205

система, представляющая собой составные образцы, из­ готовленные по специальной технологии и имеющие фор­ му, приведенную на рис. 4-51,а. Изготовление образцов производилось следующим образом. Цилиндрическая за­ готовка 1 из меди марки М2 припаивалась торцом к ци­ линдру 2 из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т. Оба цилиндра имели диаметр 80 и длину 70 мм. Создание оптически плоских поверхностей и качественная пайка позволили получить монолитное соединение, практиче­ ски исключающее наличие теплового сопротивления пе­ рехода. Путем механической обработки стальной части составному цилиндру придавалась окончательная фор­ ма. Опытные образцы одновременно выполняли роль тепломеров, для чего по их длине устанавливались хро- мель-алюмелевые термопары.

На рис. 4-51,6 приводится схема распределения тем­

[Л. 16]. Параллельно с исследованиями термического сопротивления образцов, имитирующих соединение

206

6 окисной пленкой, проводились испытания по определе­ нию контактного термического сопротивления R K для об­ разцов, изготовленных из одного металла (меди) с таки­ ми же геометрическими параметрами.

Сравнение экспериментальных данных и результатов расчета по формуле (4-171) показано на рис. 4-52. При­ веденные данные свидетельствуют об удовлетворитель­ ном согласовании между этими величинами. Наибольшее расхождение, достигающее 20—25%, относится к обла­ сти низких значений б-о/а.

Предлагаемая модель позволяет обобщить получен­ ные результаты на соединения с множеством контактов при сопряжении окисленных металлических поверхно­ стей. Применим введенное в § 4-3 допущение о равно­ мерном распределении микроскопических контактных пятен (или элементарных каналов) на поверхности кон­ такта. В соответствии с этим допущением для парал­ лельно включенных сопротивлений на номинальной по­

где п — число пятен контакта на единицу поверхности.

Х Ю ~5 м, получаем:

Объединяя выражения (4-171) и (4-173), получаем расчетную зависимость, описывающую сопротивление контактного соединения с окисной пленкой, т. е.

Входящую в (4-174) относительную площадь факти­ ческого контакта т)з можно найти расчетным путем с по­ мощью одной из зависимостей, приведенных в § 4-3, со­ гласно превалирующему виду деформации неровностей. В случае известной временной зависимости роста тол­ щины пленки So (см. формулы (4-125) — (4-128)], а также

соотношения Х0/Хы можно В Ы Ч И С Л И Т Ь Ямакс/Я'к с помо­ щью графиков рис. 4-48—4-50, прибегая в случае необ­ ходимости к экстраполяции.

207

ющее около 20%, имеет место при низких значениях дав­ ления, т. е. при малых величинах а/г0.

Таким образом, несмотря на сложный характер тем­ пературного поля в зоне непосредственного контакта соединяемых поверхностей с окисной пленкой, предла­ гаемая модель и полученные с ее помощью расчетные зависимости представляют практический интерес при со­ здании и эксплуатации такого рода соединений.

208

ГЛАВА ПЯТАЯ

МЕТОДЫ ИСКУССТВЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КЛЕЕВЫХ ПРОСЛОЕК

5-1. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ОБРАБОТАННЫХ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Применение клеевых соединений в таких областях техники, как авиастроение, космическая техника, радио­ электроника, предъявляет к этим соединениям целый ряд специфических требований. В частности, при приме­ нении клеевых соединений в теплонапряженных узлах требуется обеспечение соединения повышенной теплопро­ водности при сохранении оптимальных прочностных ха­ рактеристик. В то же время известно, что наиболее рас­ пространенный способ повышения теплопроводности кле­ ев путем их наполнения высокотеплопроводными порош­ ками (см. гл. III) сопровождается резким снижением прочности и эластичности соединений. В связи с этим большой интерес представляет разработка способов ис­ кусственного формирования по толщине клеевой про­ слойки теплопроводящих структур из частиц металличе­ ского наполнителя при значительно меньших концентра­ циях последнего. Наиболее эффективна в этом случае обработка наполненных клеевых прослоек в магнитном и электрических полях, позволяющая управлять образо­ ванием структуры клеевой прослойки с заданными свой­ ствами.

Одним из способов создания клеевых соединений с теплопроводной клеевой прослойкой является ориента­ ция частиц металлического ферромагнитного наполните­ ля вдоль силовых линий магнитного поля. Создание по­ добных систем требует проведения комплексных иссле­ дований факторов, которые могут оказать влияние на формирование клеевых соединений с оптимальными теп­ лофизическими и прочностными характеристиками.

К числу таких факторов относятся концентрация, форма

идисперсность наполнителя, напряженность магнитного поля, вязкость композиции, режим отверждения и т. д.

Способ ориентации ферромагнитных частиц в магнит­ ном поле находит применение в производстве магнитных сердечников с целью повышения их коэрцитивной силы [Л. 123], для изготовления пигментированных декоратив­ ных лаковых пленок (Л. 124], при получении электропро­ водящих полимерных материалов [Л. 125]. Электронно­ микроскопические исследования структур, образованных коллоидными дендритными частицами a-железа в силь­

допущения: применяется монодисперсный ферромагнит­ ный наполнитель, состоящий из частиц, по форме близ­ ких к сферическим; под действием внешнего магнитного поля частицы наполнителя в полимерном связующем образуют однородные, выстроенные в направлении сило­ вых линий поля, изолированные друг от друга, и равно­ мерно распределенные цепочки.

Найдем в общем виде количество цепочек наполните­ ля, которые образуются в клеевой прослойке при нало­ жении магнитного поля. Полный объем клеевой компо­

зиции, составляющей клеевую прослойку, У = 5 Склб, а объем, занимаемый наполнителем, равен:

(5-1)

210

стиц наполнителя представляют собой стержни эквива­ лентного диаметра 3. Рассмотрим распределение темпе­ ратуры неоднородного тела при постоянном среднем про­ дольном тепловом потоке. Поскольку теплопроводность составляющих компонентов различна, температурное по­ ле в ячейке будет двоякопериодической функцией пере­ менных. Так как сложность реализации решения такой задачи очевидна, то рационально допустить, что имеем выравненное температурное поле с изотермическими по­ верхностями, перпендикулярными направлению ориента­ ции наполнителя. Отсюда при постоянном продольном тепловом потоке функция температуры линейно зависит от координаты х, т. е.

где Я — приведенный'коэффициент теплопроводности двух­

Полное термическое сопротивление клеевой прослой­ ки для данной модели, в частности для плоскошерохо­ ватых поверхностей, в соответствии с (4-24) равно:

так как при выводе практически не принимались во вни­ мание эффекты, оказывающие влияние на процесс теплопереноса как на микро-, так и на макроскопическом уровнях. Несомненный интерес представляет рассмотре-

212