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

На рис. 2-9 представлена зависимость параметра G от расстояния между узлами h Cj полученная расчетным путем. Значение параметра G определялось по формуле (2-12), при этом разность ДА, находилась методом, ана­ логичным описанному для двухосноориентированных пленок, величина ДА, рассчитывалась для пленок при заданной температуре испытаний, внутренние напряже­ ния о и модуль упругости определялись эксперименталь­ но. Значения расстояний h c рассчитывались с помощью формулы (2-13) по замеренным модулям упругости для

клеевых прослоек из ПС. Как 'видно из рис. 2-9, величи­ ны G и h c связаны зависимостью вида G = K /h nс, где показатель п практически мало отличается от 1. Посто­ янная К физически выражает кратчайшее расстояние между соседними узлами, т. е. имеет место условие G = l, реализация которого практически маловероятна даже для клеевых прослоек (табл. 2-1).

Полученное выше соотношение между G и /г0 осуще­ ствимо лишь в тех пределах значений переменных, в ко­ торых свойства полимера описываются энтропийной теорией высокоэластичности. Это подтверждается равен­ ством между значениями GR, подсчитанными по анизот­ ропии термического сопротивления, и значениями Ge (рис. 2-10), определенными по измерению модуля упру­ гости клеевой прослойки на основе ПС. Отсюда можно видеть, что процесс ориентации обусловлен исключитель­ но энтропийным механизмом упругости. При этом плот-

61

ность сетки физических связей снижается с увеличением разницы между температурами отверждения и стеклова­ ния полимера прослойки.

Приведенные выше положения позволяют рассмотреть условия, при которых имеет место наибольшая ориента­ ция структурных элементов клеевой прослойки, а следо­ вательно, и анизотропия термического сопротивления. Поскольку модуль упругости падает с ростом темпера­ туры (так же как и плотность сетки физических связей),

турой и свойством клеевой прослойки представляет инте­ рес возможная корреляция между когезионной проч­ ностью и анизотропией термического сопротивления, а следовательно, и степенью ориентации ее структурных элементов. С этой целью автором исследовались образ­ цы из стали 45 с клеевой прослойкой на основе ПС в ксилоле толщиной 0,22 мм. Исследования термического сопротивления и прочности при разрыве проводились при

62

температурах 303 и 323 К- Величина усилия при разры­ ве замерялась на машине МР-05. Предел прочности <тв рассчитывался для цилиндрических образцов при когези­ онном разрушении по формуле g b = P/Sckя, где Р — раз­ рывное усилие; 5 СКл — площадь склеивания.

На рис. 2-11 представлена зависимость прочности образцов на разрыв от величины относительного терми­ ческого сопротивления ARIRo■ Из опытных данных сле­ дует, что прочность растет с увеличением ARIRo, при этом повышение температуры образцов ведет к уменыпе-

Рис. 2-11. Зависимость между пределом прочности при рав­ номерном разрыве клеевого соединения с прослойкой из ПС и относительной величиной изменения анизотропии терми­ ческого сопротивления.

/ — при 303 К: 2 — при 323 К.

нию наклона кривых GB = f (AR/Ro)- Также следует отме­ тить, что величина AR/R0 достаточно полно определяет значение когезионной прочности клеевого соединения.

Зависимость предела прочности при разрыве от ве­ личины AR/Ro для напряженных клеевых прослоек из ПС описывается соотношением вида

Наличие корреляции между прочностью и относи­ тельным термическим сопротивлением AR/Ro ставит за­ дачу получения предельных величин AR/Ro для напря­ женных клеевых прослоек. Это позволит получить наи­ большую когезионную прочность клеевых соединений.

Представленные выше соображения по вопросу при­ роды тепловой анизотропии клеевых прослоек позволя­ ют, варьируя условия отверждения, создавать соедине­ ния с заранее заданным комплексом оптимальных теп­ лофизических и прочностных свойств. В этой связи несомненный интерес представляют изложенные ниже

63

результаты исследований теплообмена на объектах, не­ посредственно представляющих собой соединения на кон­ струкционных клеях.

2-2. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КЛЕЕВЫХ ПРОСЛОЕК НА ОСНОВЕ НЕНАПОЛНЕННЫХ КЛЕЕВ

Решение задачи осуществлялось автором путем ком­ плексного исследования термического сопротивления кле­ евых прослоек н внутренних напряжений в них.

Объектами исследования были клеи на основе пространственносшнтых полимерных соединений. Применялись полиэфирная смола ПН-1, эпоксидно-полисульфидная композиция КЛН-1 и фенолоформальдегидный клей ВС-ЮТ. В качестве субстрата в опытах (за исключением специальных) использовался дюралюмин Д16Т. Склеи­ ваемые поверхности вначале подвергались шлифовке и затем обрабатывались шкуркой до 8а класса чистоты (Дср= 2,6-т-3,1 мкм). В процессе испытаний число факто­ ров, оказывающих влияние на исследуемые величины, по возможности сводилось до минимума. Исследование тер­ мического сопротивления клеевых соединений проводи­ лось на установке, работающей при нестационарном теп­ ловом режиме (см. § 4-1). Экспериментальные изменения термического сопротивления и внутренних напряжений в процессе формирования клеевых прослоек толщиной 0,1 мм, выполненных на основе различных по химическо­ му составу композиций при различном температурном режиме склеивания, приведены на рис. 2-12. Сравнение кривых показывает, что термическое сопротивление в процессе формирования различных клеевых прослоек изменяется симбатно нарастанию в них внутренних на­ пряжений. Кроме того, характер роста и конечные значе­ ния термического сопротивления и внутренних напряже­ ний зависят от температурного режима формирования клеевых прослоек. Так, для прослоек из смолы ПН-1, отвержденных при 353 К, экстремум значений R и а на­

Из данных рис. 2-13 видно также, что кривые R = f ( т) и c s= f( т) явно коррелируют отдельно для каждой ком­ позиции (кривые 1, 1'; 2, 2'\ 3, 3' и т. д.). Индивидуаль-

G4

ный характер формирования кривых R = f ( т) для каждой композиции невозможно объяснить влиянием коэффи­ циента теплопроводности композиций, поскольку по этой

т,ч

г, ч

Рис. 2-12. Зависимость термического сопротивления {1—5) и внутренних напряжений (Г—5') от времени при формировании клеевых прослоек из различных композиций.

1, V и 4, 4' — ПН-1; 2, 2' и 5, 5' — КЛН-1; 3, 3’ — ВС-ЮТ.

Выносные шкалы времени для 4, 4' и 5, 5'.

характеристике они практически мало отличаются друг от друга. Таким образом, напрашивается вывод, что ос­ новное влияние на изменение и конечное значение тер­ мического сопротивления клеевой прослойки оказывают внутренние напряжения, способствующие, как было от­ мечено выше, плоскостной ориентации структурных эле­ ментов полимера по нормали к направлению теплового потока.

Экспериментальные данные изменения термического сопротивления и внутренних напряжений в процессе фор­ мирования клеевых прослоек из ПН-1 различной толщи-

ны при температуре отверждения 353 К приведены на рис. 2-13. Из опытных кривых видно, что с увеличением толщины прослоек возрастает время достижения пре­ дельных значений термического сопротивления и внут­ ренних напряжений, при этом повышаются их абсолют­ ные величины.

Рис. 2-13. Характер изменения термическо­ го сопротивления (1—3) и внутренних на­ пряжений (/'—3') при формировании клее­ вых прослоек из ПН-1 различной толщины.

К 1' — 0,3 мм; 2, 2' — 0,5 мм; 3, 3' — 0,7 мм.

Процесс формирования внутренних напряжений в за­ висимости от толщины прослойки связан с изменением времени испарения или полимеризации растворителя. Действительно, с ростом толщины прослойки возрастает время испарения или полимеризации растворителя и, следовательно, растет время формирования, а также ве­ личина внутренних напряжений на межфазной границе прослойка — субстрат. Так, при увеличении толщины прослойки с 0,3 до 0,7 мм время достижения предельных значений внутренних напряжений возрастает с 14 до 30ч.

6 6

Максимальные значения внутренних напряжений при этом повышаются с 108105 до 164105 Па. Это связано с тем, что при увеличении внутренних напряжений по вышается степень ориентации структурных элементов прослойки, что в свою очередь ведет к росту термическо­ го сопротивления.

По завершении процесса отверждения зависимость термического сопротивления и внутренних напряжений

как по завершении процесса отверждения (кривые 1,1'; 2,2'), так и после длительной релаксации (3,3'). Следу­ ет отметить, что закономерности изменения термического сопротивления R в зависимости от толщины прослойки оказались общими для соединений с прослойкой на ос­ нове ПН-1 и КЛН-1. Это свидетельствует о том, что не­ зависимо от химического состава связующего вещества основное влияние на свойства прослоек и механизм их формирования оказывают структурные превращения, об­ условленные степенью взаимодействия структурных эле­ ментов между собой и на границе прослойка — субстрат.

Выше отмечалось влияние, оказываемое природой субстрата на формирование и величину внутренних на­ пряжений клеевых прослоек. В связи с этим представ­ ляет интерес сопоставить влияние природы субстрата на формирование внутренних напряжений и термического сопротивления для этих систем. Объектом исследования являлся клей на основе ПН-1. В качестве субстратов применялись дюралюмин Д16Т, медь М2 и сталь 45. Склеиваемые поверхности подвергались шлифовке и об­ рабатывались шкуркой до V8a—V86 классов чистоты. Температура склеивания поддерживалась на уровне 353 К. Экспериментальные данные приведены на рис. 2-15, из которого виден адекватный характер рас­ положения кривых внутренних напряжений н термиче­ ского сопротивления, при этом сопротивление R, как от­ мечалось и выше, изменяется по времени симбатно нара­ станию напряжения о для одинаковых по природе субстратов. Предельные максимальные значения внут­ ренних напряжений и термических сопротивлений сфор­ мировавшихся клеевых прослоек заметно зависят от при­ роды субстрата и развиваются пропорционально проч­ ности адгезионного взаимодействия.

Для полиэфирных покрытий рентгеноструктурным анализом установлена взаимосвязь между природой подложки и структурой сформированных надмолекуляр­ ных образований в зоне раздела [Л. 75], причем замече­ но, что размер надмолекулярных структур покрытия и их распределение зависят от количества активных цент­ ров на поверхности подложки. Таким образом, процесс формирования гетерогенных полимерных систем, в том числе п клеевых, проходит через стадию образования надмолекулярных структур, зависящих от природы суб­ страта. В свою очередь структура надмолекулярных об­ разований определяет прочность адгезионного взаимо­ действия, величину внутренних напряжений и термиче­ ского сопротивления клеевых прослоек.

■Влияние природы субстрата на формирование сопро­

венносшитых полимеров. Так, при увеличении числа ак­ тивных центров на поверхностях субстратов возрастает число зафиксированных на них частей молекулярных це­ пей. Отсюда в процессе усадки 'напряжения растяжения распределяются на весь или на значительную часть кар­ каса сетки, реализуясь в основном во внутренние напря­ жения. Это в свою очередь сопровождается интенсивной ориентацией структурных элементов сетки в плоскости склеивания. В случае, когда на поверхностях субстратов находится незначительное количество активных центров, зафиксированной оказывается лишь часть концов цепей, поэтому напряжение передается на отдельные участки сетки.

в зависимости от условий формирования и толщины кле­ евых прослоек оказался общим для различных по хими­ ческому составу клеев. Это свидетельствует о том, что определяющее влияние на механизм формирования тер­ мического сопротивления оказывает не химический со­ став клеевой композиции, а структурные превращения в объеме прослойки и особенно на границе раздела про­ слойка— субстрат, проявляющиеся в форме плоскост­ ной ориентации структурных элементов. Справедливость

69

указанных суждений апробировалась путём проведений

специальной серии опытов.

Как уже отмечалось, модификация клеевых компози­ ций эластомерами в значительной степени снижает внут­ ренние напряжения на границе раздела адгезив — суб­ страт [Л. 4]. Это связано с ростом высокоэластической составляющей деформации, увеличивающей релаксацию внутренних напряжений и снижающей величину растя­ гивающих усилий клеевой прослойки. Имеет место не­ выраженное скольжение цепей сетки по модифицирован­ ной поверхности субстратов и относительно друг друга. Если взаимосвязь между термическим сопротивлением н внутренними напряжениями действительно определяет­ ся ориентационным эффектом структурных элементов прослойки, то очевидно, что обработка композиций эла­ стомерами наряду с понижением внутренних напряже­ ний должна привести к снижению термического сопро­ тивления.

С этой целью исследовались соединения с клеевыми

Формирование прослоек осуществлялось при темпера­ туре 353 К- 'На рис. 2-16 приведены экспериментальные данные изменения термического сопротивления и внут­ ренних напряжений для клеевых прослоек толщиной 0,1 мм в зависимости от содержания модификатора в си­ стеме. Как видно, увеличение концентрации модификато­ ра снижает абсолютные значения термического сопро­ тивления и внутренних напряжений. Таким образом, под­ тверждается предположение о торможении процесса ориентации структурных элементов прослойки при моди­ фикации клеевых композиций эластомерами.

Необходимо отметить возможное влияние теплопро­ водности модификатора на термическое сопротивление прослойки. Такого влияния следует ожидать при кон­ центрациях модификатора более 30% и значительном отличии его теплопроводности от теплопроводности ис­ ходной клеевой композиции. Так, в случае, когда тепло­ проводность модификатора больше теплопроводности клея, термическое сопротивление прослойки снижается. При введении модификатора с теплопроводностью ниже, чем теплопроводность исходной композиции, термиче­ ское сопротивление прослойки повышается.

70