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

риментальному исследованию термического сопротивления со­ единений в процессе формирования клеевого слоя. В качестве объектов исследования применялись соединения на эпоксидном

клеях. Для испытаний изготавливались алюминиевые образцы цилин­ дрической формы, склеиваемые поверхности которых имели среднюю высоту микронеровностей порядка 0,5 мкм. Исследования проводи­ лись на установке с электрическим нагревателем и холодильником. В целях снижения радиальных тепловых потерь с боковых поверхно­ стей образцов применялись три автономно регулируемых компенса­ ционных электронагревателя. Для измерения температур по длине образцов устанавливались шесть термопар. Для контроля работы компенсационных нагревателей в теплоизоляционном слое размеща­ лись 12 вспомогательных термопар. Определение термического сопро­ тивления, создаваемого слоем клея, проводилось по методике, исполь­ зуемой в работе [Л. 56]. Результаты опытов приведены на рис. 1-20 и '1-21. На основании опытных данных в работе сделан вывод, что термическое сопротивление клеевого слоя зависит от температуры и давления, при которых протекает процесс отверждения клея. Эпо­ ксидный и полиэфирный клеи, имеющие малую вязкость до начала отверждения, при давлении порядка 0,14 кг/см2 создают соединения с термическим сопротивлением значительно меньшим, чем для более вязких термопластичного и силиконо-резинового клеев (рис. 1-20).

ЯНО^м^-Ч/Вт

р*10~*,Па

Авторы объясняют такой характер формирования термического с о ­ противления, в частности для маловязких клеев, их способностью хорошо заполнять впадины микронеровностей склеиваемых поверхно­ стей. Высоковязкие клеи предрасположены к образованию соединений со значительным термосопротивлением и тем большим, чем меньше

41

давление отверждения (рис. 1-21). Повышение давления отверждения снижает термическое сопротивление и особенно заметно для высоко­ вязких клеев. Такой характер зависимости термосопротивления от давления для высоковязких клеев объясняется интенсивным уменьше­ нием толщины клеевого слоя. Авторы не исключают возможности

58—60]. В опытах использовалась установка, основным элементом которой являлась рабочая камера (рис. 1-22). Склеенная пара образцов длиной 58 мм и диаметром 30 мм каждый помещалась между электронагревателем и водяным холодильником. В целях обеспечения минимальных тепловых потерь образцы монтировались внутри компенсационной камеры. Для замера температур по длине образцов устанавливались по четыре хромель-алюмелевых термопа­ ры. Замер температур осуществлялся после установления стационар­ ного теплового режима. Расчет термического сопротивления произво­ дился по методике, описанной в работе (Л. 56]. Исследовались соеди­ нения на маловязком эпоксидном клее ВК-1 и высоковязком феноло­ каучуковом клее ВК-3. Склеивались образцы из сплава дюралюмин Д16Т и твердого сплава ВК-8 со сталью 45. На основании экспери­ ментальных данных получена зависимость термического сопротивле­ ния клеевого слоя от давления отверждения (рис. 1-23), которая показывает, что при идентичных давлениях соединения с маловязким клеем имеют значительно меньшее термосопротивление, чем соедине-

42

ния с высоковязким клеем. Характер кривых R—f(p) для соединений с высоковязким клеем ВК-З объясняется форсированным снижением толщины клеевой прослойки с одновременным протеканием, процесса вытеснения воздушных включений при повышении давления. Отсюда рекомендуется для снижения термического сопротивления R приме­ нять маловязкий клей или повышать давление отверждения для вы-

ичо*, м*-Т/вт

соковязких клеев до максимально возможного. Обнадеживающие ре­ зультаты по снижению термического сопротивления получены при склеивании клеевыми композициями на основе клея ВК-1 и графито­ вого или медного порошка (рис. 1-24).

Кроме экспериментальных исследований предпринимается попыт­ ка получения простейших расчетных зависимостей, которые могут быть использованы для приближенного расчета термического сопро­ тивления соединений на клеях.

Для соединений на высоковязких клеях, предрасположенных к образованию сплошной клеевой прослойки даже в случае действия значительных давлений отверждения, приближенное значение терми-

43

ческого сопротивления рекомендуется находить из выражения

(1-36)

где 6в ■— эквивалентная по площади склеивания толщина клея, за ­ полняющего впадины неровностей; бп — толщина клеевой прослойки; Як — теплопроводность клея.

Для маловязких клеев, образующих соединения с непосредствен­ но контактирующими склеиваемыми металлическими поверхностями, приближенное значение термического сопротивления рекомендуется находить по формуле [Л. 59]

(1-37)

где В и т — параметры, зависящие от высоты неровностей склеивае­ мых поверхностей.

Из расположения кривых рис. 1-23 видно, что расчетные значе­ ния удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

На основании обзора работ по экспериментальному исследова­ нию термического сопротивления клеевых соединений можно сделать следующие основные выводы.

При наличии клеевой прослойки между двумя металлическими телами вследствие малой теплопроводности клеевой композиции на пути теплового потока возникает дополнительное термическое сопро­ тивление, приводящее к температурному скачку в зоне клеевой про­ слойки. Величина термического сопротивления соединений на клеях зависит от вязкости клея, давления и температуры отверждения.

Одновременно с этим. следует отметить, что объем проведенных исследований по данному вопросу носит явно ограниченный ха­ рактер.

Для дальнейшего выяснения особенностей теплообмена в систе­ мах с соединением на клеях и разработки аналитических методов расчета их термических сопротивлений необходимо осуществить ком­ плекс теплофизических исследований с учетом новейших достижений по изучению физико-химических и механических свойств гомогенных и гетерогенных полимерных систем.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ТЕПЛООБМЕН В ЗОНЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ НЕНАПОЛНЕННЫХ КЛЕЕВ

2-1. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ КЛЕЕВЫХ' ПРОСЛОЕК НА ОСНОВЕ НЕНАПОЛНЕННЫХ КЛЕЕВ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Процесс теплопереноса блочных полимеров, освещен­ ный в предыдущей главе, закладывает основу для рас­ смотрения проблемы формирования внутреннего темпе­ ратурного поля клеевых соединений на основе ненапол-

44

6 покрытиях и клеевых прослойках показывает {Л. 66], что величина внутренних напряжений в прослойках значительно больше, чем в по­ крытиях. Это связано с повышением на поверхностях субстрата числа активных центров етруктурообразования.

Внутренние напряжения в клеевых прослойках, как и в покры­ тиях, зависят от толщины и нарастают с ее увеличением по линейно­ му закону.

На характер формирования внутренних напряжений и их конеч­ ные значения существенное влияние оказывают режимы отверждения

53

20

10

О

Рис. 2-2. Зависимость теплофизических свойств и внутренних напряжений поли­ эфирных покрытий (2, 4, 5) и свобод­ ных пленок (/, 3) от их толщины

[Л. 64].

прослоек [Л. 67]. 'При этом особенно заметное злияние на внутрен­ ние напряжения оказывают как температура отверждения, так и ско­ рость повышения или понижения температуры клеевой прослойки. Время достижения предельной величины внутренних напряжений уменьшается с повышением температуры отверждения, в то время как абсолютная величина внутренних напряжений резко нарастает.

Клеевые прослойки постоянно находятся в неравновесном со­ стоянии, поскольку в них как в процессе отверждения, так и эксплуа­ тации протекают процессы релаксации напряжений. В последнее время выявлены эффективные средства искусственного регулирова­ ния релаксационных свойств клеев путем совмещения синтетических смол с эластомерами. При этом значительно снижаются внутренние напряжения на границе адгезив — субстрат и увеличивается их ре­

47»

лаксация за счет роста высокоэластической -составляющей деформа­ ции. Такой модификации обычно подвергаются эпоксидные, дифеноль. ные и полиэфирные клеевые композиции.

Следовательно, результаты исследований по физико-механиче­ ским свойствам клеевых соединений показывают, что по сравнению с блочными полимерами они обладают целым рядом специфических свойств, обусловленных наличием границ раздела, накладывающих определенные ограничения при формировании прослоек. Особый инте­ рес представляет имеющая место взаимосвязь между внутренними напряжениями и структурой клеевых прослоек в процессе формирова­ ния и эксплуатации клеевых соединений.

В гл. 1 отмечалось, что элементами структуры полимера могут быть звенья макромолекул, непосредственно макромолекулы, глобу­ лы, пачки, сферолиты и т. д. Структурные изменения в клеевых про­ слойках в зависимости от механизма протекающего процесса могут осуществляться на различном уровне или одновременно на несколь­ ких структурных уровнях. В частности, ввиду большой асимметрии размеров макромолекул и элементов надмолекулярных структур под действием структурных превращений, а также при наложении сило­ вого или температурного поля протекает деформация полимерной си­ стемы. Последняя в свою очередь может сопровождаться ориента­ цией структурных элементов. -В условиях клеевой прослойки в пер­ вом приближении следует ожидать двухосную ориентацию структур­ ных элементов -в плоскости склеивания. Этому в известной мере способствует воздействие внешнего теплового поля, так как флуктуа­ ции тепловой энергии интенсифицируют ориентацию звеньев -макро­ молекул и структур из них.

Следует остановиться на действии возникающих

впроцессе формирования клеевой прослойки внутренних напряжений. Для этого рассмотрим клеевую прослойку

ввиде полимерной пленки (рис. 2-3). Обозначим длину, ширину, толщину и объем пленки до начала отвержде­ ния соответственно через U, bi, hi и Vi, по завершении

отверждения — через 1Ъ b2, к2 и V2 и разность между на­ чальными и конечными геометрическими размерами че­ рез Д/, Ab, Ah и AV. Очевидно, что относительное изме­ нение размера

Подобная пленка между поверхностями жестких субстратов в процессе отверждения стремится уменьшить свой объем на величину К]/. Однако для клеевой про­ слойки лишь толщина может относительно свободно из­ менять свой размер, поскольку адгезионное сцепление с поверхностями субстратов препятствует ее сокращению по длине и ширине. В результате этого пленка, имити­ рующая прослойку, оказывается растянутой по длине на величину e;= e!/(l + p) и по ширине на величину

48

е?,—ey (1 +|x), где p,— коэффициент Пуассона. По сути дела пленку между поверхностями субстратов можно представить в виде упругой пленки с размерами 1Ъ Ьг, растянутой до размеров /ь bi и приклеенной к поверхно­ стям субстратов, которые препятствуют сокращению.

верхности субстратов. Значение нормальных внутренних напряжений в клеевой прослойке будет:

ском рассмотрении процесса отверждения на молекуляр­ ном уровне. Рассмотрим клеевую прослойку в период отверждения, исходя из предпосылки, что клеевая ком­ позиция представляет собой вязкоэластичный материал, состоящий из непрерывной структурной сетки с элемен­ тами между соседними узлами. Можно утверждать, что до начала отверждения элементы структуры распола­ гаются хаотически. В процессе отверждения в сетке на­ чинают выделяться цепи, составленные из элементов структуры, ориентированные в направлении усадки, как это изображено на рис. 2-5. Обозначим угол между на­ правлением силы F, действующей на сетку, и поверх­ ностью субстрата через у. Сила F является результирую­ щей сил в п элементах структуры, пересекающих пло-

щадку в 1 см2 в ортогональном направлении по отноше­ нию к действию силы F. Отсюда

где pPi ■— реакция t-го элемента структуры и, на его растяжение при усадке сетки; yt —угол между элемен­ том щ и поверхностью субстрата.

Поскольку сила pp=F/n, то с учетом (2-3)

i= 1

Совершенно очевидно, что анализ усадочных дефор­ маций клеевой системы, составленной из п неравноцеи-

пых между собой элементов структуры щ с характери­ стическими параметрами ppi и у*, идентичен рассмотре­ нию тех же деформаций системы, состоящей из п равно­

ценных между собой элементов структуры пт с парамет­ рами рр и у.

Систему, имитирующую клеевую прослойку в виде элементарного микрообъема, можно в первом прибли­ жении рассматривать в координатной сетке х, у. В связи с этим получаем, что площадку в 1 см2, ортогональную

50