книги из ГПНТБ / Герметизация полимерными материалами в радиоэлектронике

К числу полимерных материалов, сохраняющих еще пластичность при криогенных температурах, относятся некоторые фторорганнческие материалы, а также не­ которые органические полимеры, например полиурета­ ны, полиэтилентерефталат, полиамиды, этилцеллюлоза и др. Для слабокристаллического политетрафторэтиле­ на удлинение при разрыве при 20 К еще составляет около 2%, для среднекристаллического 1%, для фтори­ рованного этилена и пропилена (ФЭП) как для слабокристаллического, так и для сильнокрнсталлпческого полимера удлинение при 20 К равно 2%; для полнхлор-

В табл. 4-4 приведены приблизительные значения предела прочности при растяжении и модуля упругости для некоторых пплимеоов при различных температурах. ПО

Рис. 4-5. Зависимости удельной теплопровод­ ности некоторых полимеров от температуры (в области криогенных температур).

/ — найлон; 2 — полиметилметакрилат; 3 — политетра­ фторэтилен; 4 — натуральный каучук.

При армировании полимеров стекловолокном увели­ чивается прочность при растяжении, а модуль упругости остается примерно неизменным; улучшается также стойкость материала к температурам.

Для диэлектрических материалов зависимость удель­ ной теплопроводности Я от температуры выражена срав­ нительно не резко; общий характер зависимости — уменьшение Я при снижении температуры. Это иллю­ стрирует рис. 4-5.

В табл. 4-5 приведены значения удельной объемной теплоемкости при комнатной температуре и при криоген­ ных температурах.

Таблица 4-5

Удельная объемная теплоемкость некоторых полимерных материалов при различных температурах, №Дж (м3-°С)

1 1 1

Тепловое сокращение. Большое значение При кон­ струировании и эксплуатации различных устройств, работающих при криогенных температурах, имеет теп­ ловое расширение материалов или, если иметь в виду уменьшение размеров при охлаждении, «тепловое со­ кращение». Тепловое сокращение важно для конструк­ ций герметизирующих устройств, которые должны со­ хранять герметичность при изменении температуры в широких пределах, а также для расчета стабильности электрических параметров (емкости, индуктивности п пр.) различных компонентов радиоэлектронной аппа­ ратуры и т. п.

Температурный коэффициент расширения металлов (вдали от температуры плавления), как правило, су­ щественно меньше температурного коэффициента рас­ ширения неорганических и тем более органических твердых диэлектриков. При приближении к абсолютно­ му нулю температурный коэффициент материалов умень­ шается.

В табл. 4-6 приведены значения температурного коэффициента линейного расширения ТК/ для двух зна­ чений температуры для полистирола, полипропилена, полиэтилена.

Таблица 4-6

Механическая прочность большинства полимерных диэлектриков, в особенности без наполнителей, резко снижается при глубоком охлаждении. Вопросы поведе­ ния полимерных материалов при охлаждении связаны с вопросами внутренних напряжений, изучению кото­ рых в последнее время уделяется большое внимание.

112

4-6. Внутренние напряжений

Изделия радиоэлектроники, герметизированные компаундами на основе синтетических полимеров, под­ вергаются воздействию механических напряжений, вы­ званных химической и термической усадкой смолы.

Физико-химические процессы в полимерах приводят к тому, что воздействие внутренних напряжений иногда проявляется после изготовления изделий и принятия их заказчиками. С состоянием полимера связан особый комплекс физико-механических свойств со сложными закономерностями их изменений в рабочем диапазоне температур, а также в процессе старения.

Различают два основных вида напряжений в поли­ мерах.

1) Напряжения, возникающие вследствие несвобод­ ного изменения объема при отверждении и образовании сшитых структур. Их возникновение объясняется тем, что при полимеризации происходит ориентация и пере­ стройка молекул с изменением межмолекулярных рас­ стояний. В результате происходит усадка. При наличии в компаунде инородных включений, препятствующих свободному изменению межмолекулярных расстояний, возникают внутренние напряжения от «химической» усадки.

При отсутствии инородных включений могут возник­ нуть напряжения из-за неравномерного хода процесса отверждения и замедления релаксационных процессов при отверждении. Такие напряжения называют «зака­ лочными». Внутренние напряжения от «химической» усадки весьма малы и не оказывают существенного влияния па работу герметизированных деталей и не вызывают растрескивание компаундов, поэтому при расчетах напряжениями от «химической» усадки пре­ небрегают.

2) Напряжения, обусловленные различием темпера­ турных коэффициентов расширения компаунда и дета­ ли. В сопряженной монолитной системе компаунд — деталь температурные изменения размеров компаунда при охлаждении изделия ниже температуры полимери­ зации происходят не свободно. Температурный коэф­ фициент линейного расширения ТК/ компаундов, как правило, больше ТК/ неорганических материалов (ме­ таллов, стекла, керамики). При охлаждении компаунд

должен изменить размеры в относительно большей сте­ пени, чем находящаяся в нем деталь; деталь препятст­ вует свободному изменению размеров компаунда. Так возникают «термические» внутренние напряжения.

Существует несколько методов измерения внутренних напряже­ ний. Наиболее совершенным методом является метод проволочной тензометрии, обеспечивающий высокую чувствительность и хорошую воспроизводимость измерений и заключающийся в следующем.

В тонкостенный металлический цилиндр (рис. 4-6) заливается исследуемый компаунд. На внутренней поверхности цилиндра на­ клеиваются тензодатчики для измерения окружных и осевых дефор­ маций цилиндра. Цилиндр помещается в разъемную литьевую фор­ му, в которой он снаружи обволакивается компаундом. При усадке

Рис. 4-6. Эскиз приспособления для измерения внутренних напряжений методом проволочной тензометрии.

пара; 4 — исследуемый компаунд.

(химической или термической) компаунда возникают силы, сжимаю­ щие цилиндр. Деформации цилиндра измеряются с помощью тензо­ датчиков, и по ним рассчитываются напряжения по формулам тео­ рии упругости. Удобство этого метода заключается в том, что он позволяет осуществлять контроль внутренних напряжений в широком диапазоне температур (от —150 до +200 °С) на любых материалах (жестких и эластичных, прозрачных и непрозрачных). При исполь­ зовании высококачественной аппаратуры может быть достигнута высокая точность измерений.

В области высокоэластичного состояния внутренние напряжения имеют незначительную величину и почти не зависят от температуры, так как в высокоэластичной области модуль упругости мал, а релаксационные про­ цессы протекают с большой скоростью. В области температуры стеклования существует переходная об­ ласть с тенденцией к увеличению напряжений при по­ нижении температуры. Увеличение напряжений объяс­ няется увеличением модуля упругости.

В области стеклообразного состояния наблюдается близкая к линейной зависимость величины внутренних напряжений от температуры.

114

МПа

Рис. 4-7. Зависимость внутренних напряжении крсмпинорганического каучука от темпера­ туры.

/ — СК.ТН-1 с молекулярной массой 60 000; 2 — СК’ГН-1 с молекулярной массой 30 000; 3 — СКТН-1 с молеку­ лярной массой 13 000.

Величина внутренних напряжении зависит от моле­ кулярной массы исходного продукта. Внутренние напря­ жения увеличиваются при увеличении молекулярной массы, что видно из рис. 4-7, 4-8. Это объясняется понижением температуры стеклования и уменьшением

По

8*

зависит от количества и вида наполнителя, температуры

полимеризации и других факторов.

Введение наполнителя также приводит к увеличению

1,6 МПа.

Для расчета внутренних напряжений в цилиндриче­ ской полимерной отливке, армированной стержнем из инородного материала, может быть применена следую­ щая приближенная формула:

D2 — + ^

где р —давление компаунда на деталь, Па; Е — модуль упругости, Па; ТКП и ТКФ— температурные коэффи­ циенты линейного расширения компаунда и материала стержня соответственно; ДТ — перепад температур от температуры полимеризации до испытательной, °С; D — диаметр отливки компаунда, м; d —диаметр стержня, м; ц —коэффициент Пуассона компаунда.

Из формулы (4-13) видно, что величина внутренних напряжений зависит от перепада температур и соотно­ шения физико-механических свойств компаунда и гер­ метизированной детали.

Вследствие различий в характере нарастания внут­ ренних напряжений в жестких и эластичных компаун-

116

По конечному изменению массы (среднему для не­ скольких образцов) производится оценка химостойкости материала.

Метод определения химостойкости по изменению линейных размеров основан на определении изменения линейных размеров образцов после 42-суточного воздей­ ствия реагента.

По изменению линейных размеров при воздействии химического реагента можно судить о возможности использования данного полимера в производстве изде­ лий, для которых сохранение формы при воздействии химически агрессивных веществ имеет первостепенное значение.

Метод определения химостойкости по изменению ме­ ханических свойств основа!! на определении устойчиво­ сти полимеров в отношении их механических свойств при 42-суточпом воздействии на полимер химического реагента.

4-8. Вязкость

Вязкость многих лаков и компаундов, применяе­ мых в качестве герметизирующих материалов в радио­ электронике, имеет существенное значение для про­ ведения соответствующих технологических процессов. Существует несколько различных видов вязкости: ди­ намическая (абсолютная), кинематическая и условная. Определение динамической вязкости производится па основе закона Стокса или закона Пуазейля.

Согласно закону Стокса скорость v движения твер­ дого шара радиусом г в неограниченной среде с дина­ мической вязкостью г) под действием непрерывно воз­ действующей на шарик небольшой силы / определяется формулой

Согласно закону Пуазейля количество жидкости Q, обладающей динамической вязкостью т|, протекающее под действием небольшого давления р за время т сквозь капилляр длиной / и радиусом г (при /, зиачи-

118

т е л ь н о п р е в о с х о д я щ е й г ), о п р е д е л я е т с я ф о р м у л о й

Кинематическая вязкость v равна отношению дина­ мической вязкости жидкости г| к ее плотности (>, т. е.

Условная вязкость — параметр, получаемый при ис­ пользовании сравнительных методик, например сравне­ ние времени истечения разных жидкостей. Эта величина связывается с динамической и кинематической вяз­ костью приближенными эмпирическими соотношениями.

Определение вязкости производится с помощью вискозиметров различного типа. На практике достаточ­ но широко пользуются вискозиметром ВЗ-4, с помощью которого определяется условная вязкость. Вискозиметр ВЗ-4 представляет собой воронку определенных диа­ метра и высоты. Воронка заливается до краев испы­ туемым лаком или компаундом; при определении конца истечения секундомер останавливают в момент первого появления прерывающейся струи. В табл. 4-6 дан при­ близительный перевод условной вязкости (по ВЗ-4) в динамическую вязкость в пуазах (единицы СИ дина­ мической вязкости Па-с, а кинематической вязкости

Таблица 4-6

Перевод условной вязкости (по ВЗ-4) в динамическую вязкость

119