книги из ГПНТБ / Кан К.Н. Механическая прочность эпоксидной изоляции

Напряжения от вибрации, как правило, значительно ниже оста­ точных напряжений и в большинстве случаев могут не учиты­ ваться.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИМЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

4.Комплекс физико-механических характеристик,

необходимый для оценки свойств заливочных компаундов

Основу всех заливочных компаундов составляет полимерное связующее (табл. 5), вследствие чего эти материалы ведут се­ бя как типичные полимерные композиции. Из большого комп­ лекса свойств, которыми обладают полимерные материалы, не все в одинаковой степени важны для оценки механической проч­ ности изделий из компаундов. Поэтому неизбежно возникает задача выделить минимальный комплекс наиболее важных фи­ зико-механических характеристик, достаточный как для сравне­ ния компаундов, так и для оценки их работоспособности в изде­ лиях. При выборе характеристик необходимо исходить из осо­ бенностей технологии и эксплуатации компаундов. Отметим основные из этих особенностей.

Во-первых, эпоксидные компаунды не поставляются в виде готового материала или же комплектно в соответствии с соста­ вом и соотношением компонентов, а приготовляются непосред­ ственно на месте их потребления. Эта технологическая особен­ ность эпоксидных компаундов делает желательным определение каких-то основных физико-механических характеристик для каждой партии компаунда, чтобы иметь возможность сравнить друг с другом различные партии и марки компаундов, а также контролировать технологический процесс.

Таким образом, комплекс характеристик должен быть удоб­ ным для сравнения различных марок компаундов и их партий, потому их определение должно быть простым.

Во-вторых, заливочные компаунды всегда находятся под дей­ ствием механических напряжений, развивающихся внутри литой конструкции. Эта эксплуатационная особенность компаундов делает необходимым определение таких физико-механических характеристик, которые позволили бы произвести расчет меха­ нической прочности и долговечности конструкции из эпоксидных компаундов.

В-третьих, необходимо иметь в виду, что компаунды в из­ делиях работают обычно в условиях малых деформаций и мед­ ленного статического нагружения. Действительно, максимально возможные механические деформации в компаундах определя-

ются разностью КЛТР заливаемых материалов и компаундов, которая не превышает значения 5 0 - Ю - 6 , и разностью техноло­ гических и эксплуатационных температур, которая для большин­ ства случаев не превышает 200° С. Таким образом, максимально

ния температур. Так, охлаждение залитого изделия при его изго­ товлении производится со скоростью естественного охлаждения

ческие характеристики путем испытания на растяжение. Мно­ гие механические характеристики, такие, как удельная ударная вязкость, предел прочности и модуль упругости при изгибе, пре­ дел прочности при срезе, не могут быть непосредственно исполь­ зованы для оценки прочности заливочных компаундов в изде­ лиях.

Изложенные соображения были приняты во внимание при вы­ боре комплекса физико-механических характеристик для описа­ ния свойств компаундов. Наиболее общую характеристику поли­ мерных материалов дают термомеханические кривые [61]. На рис. 4 представлены эти кривые для трех марок эпоксидных компаундов, где относительная деформация є дается в зависи­ мости от температуры Т. Термомеханические кривые показы­ вают, что для полимерных компаундов четко прослеживаются два физических состояния: стеклообразное и высокоэластическое. Граница между этими состояниями находится вблизи темпера­ туры стеклования. В работе [75] показано, что эта граница сме­ щается при увеличении напряжения в область более низких температур. Так, при увеличении напряжения от 1000 до

3000 н/см2 замечено смещение температуры стеклования на 10— 15° С [88].

Однако для компаундов в изделиях в области температуры стеклования характер-ны весьма малые напряжения, при кото­ рых температуру стеклования можно считать стабильной.

Механические свойства компаундов в стеклообразном и вы­ сокоэластическом состоянии резко отличаются.

Таким образом, знание температуры стеклования при малых напряжениях для компаундов является совершенно необходимым.

Определение температуры стеклования Тс путем построения термомеханической кривой является довольно трудоемкой опе­ рацией. Поэтому для общей характеристики компаундов, и в ча­ стности для определения температуры стеклования, можно ре­ комендовать рассматриваемую ниже терморелаксационную ха­ рактеристику (ТРХ). Эта характеристика используется также для сравнения компаундов по их склонности к образованию остаточных напряжений и может быть использована для опре­ деления равновесных модулей упругости, а также коэффициента линейного теплового расширения.

Для оценки деформационных свойств компаундов достаточно знание таких характеристик, как равновесные модули упругости Е и коэффициент поперечной деформации Пуассона ц. Для стеклообразного и высокоэластического состояний эти характе­ ристики вполне правомерны и достаточны для инженерных рас­

Прочностные свойства компаундов оцениваются, с одной сто­ роны, кратковременным пределом прочности о в в зависимости от температуры и, с другой стороны, температурно-временной зависимостью статической прочности. Для оценки прочности компаундов в изделиях необходим, помимо отмеченных прочно­ стных характеристик, еще и критерий прочности. Поскольку наполненные компаунды относятся к материалам, различно со­ противляющимся растяжению и сжатию, то критерий прочности должен учитывать эту особенность.

Так как в компаундированных конструкциях часто встреча­ ются различные концентраторы напряжений, то появляется необ­ ходимость в определении коэффициента чувствительности q ком­ паундов к концентрации напряжений.

характеристики связано с техническими трудностями. Один из вариантов решения этой задачи рассмотрен ниже.

Таким образом, комплекс физико-механических характери­ стик компаундов включает в себя ТРХ, Тс, Е и ц, кривые ползу­ чести, вв(Т), параметры температурно-временной зависимости прочности, параметры критерия прочности, q и а.

5. Терморелаксационная характеристика

Терморелаксационной характеристикой (ТРХ) называется температурная зависимость напряжения, возникающего в ком­ паунде при совместной тепловой деформации системы «ком­ паунд—залитый элемент».

Название этой характеристики обусловлено двумя обстоя­ тельствами. Во-первых, напряженное состояние в компаунде возникает вследствие изменения температур. Во-вторых, из-за

ризации Гп . При этой температуре могут возникнуть напряже­ ния вследствие химической усадки. При Т<С.Та ТРХ представля­ ется в виде кривой, состоящей из двух участков 1 и 2. Участок / соответствуем высокоэластическому состоянию компаунда. На этой стадии рост напряжения сопровождается его быстрой ре­ лаксацией, поэтому значение напряжения на этом участке не­ велико. По достижении температуры стеклования релаксацион­ ные процессы резко замедляются и происходит интенсивный рост напряжений, характеризующийся прямолинейным участком 2.

По ТРХ легко определяется температура стеклования. Для этого прямолинейный участок 2 следует продолжить до пересе­ чения с осью температур. Точка пересечения дает значение Тс. Угол наклона | прямолинейного участка кривой ниже Тс харак­ теризует склонность исследуемого компаунда к образованию остаточных напряжений: чем больше этот угол, тем большие

представляет собой цилиндрический стержень с головками, опи­ рающимися на верхнюю и нижнюю части рамки. Образец отли­ вается непосредственно в рамке, причем формой для отливки служат расточки в рамке и съемные вкладыши 2. Заливка образ­ цов производится через воронку 6, которая сообщается с помощью канала в плите 3 с тремя рамками разной жесткости. Компаунд из воронки поступает в формы снизу, что создает благоприятные условия для вытеснения воздуха. После отверждения компаунда по обычному для него режиму съемные вкладыши удаляются. При медленном охлаждении компаунда вместе с прибором уменьшается длина образца и базы рамки, измеряемая как рас­

Определение ТРХ произво-

Рис. 8. Диаграмма взаимодействия ДИТСЯ В следующей последовательности. Прежде всего терморелаксометр подвергается

силовой и температурной тарировке. Заливка прибора и поли­ меризация образца осуществляется в соответствии с технологи­ ческими требованиями для данного компаунда. В головку об­ разца заливается термопара для контроля температуры в ком­ паунде. Температуры от значений температуры полимеризации до комнатной измеряются в термостате, а более низкие — в криостате.

Снижение температуры при снятии отсчетов производится или ступенчато через 5—10° С, с выдержкой в течение I — 2 ч при установленной температуре, или непрерывно со скоростью ох­ лаждения 10° С в час.

По окончании измерений образец разрезается посредине, и обе его части легко извлекаются благодаря антиадгезионной смазке, предварительно наносимой на поверхности формы. Взаи­ модействие образца и рамки может быть изображено диаграм­ мой, представленной на рис. 8.

ние прямых P=f(Al) для компаунда (2) и рамки (1) дает зна-

дящей за нижние границы эксплуатационных температур боль­ шинства изделий.

Сравнение же компаунда 1 с компаундом 2 показывает, что при меньшей Тс компаунд 2 при отрицательных температурах дает большее значение напряжений.

ТРХ оказалась весьма чувствительной к составу компаундов. На рис. 10 приведены для примера терморелаксационные кривые компаунда ЭЗК-1, отвержденного различными отвердителями. Эта особенность терморелаксационной характеристики дает воз­ можность использовать ее при разработке новых марок ком­ паундов.

6.: Деформационные характеристики

Эпоксидные компаунды относятся к реономным материалам, деформационные свойства которых зависят от временных фак­ торов — скорости нагружения, длительности воздействия на­ грузки и т. п. В настоящее время имеются общие представле­ ния о поведении таких материалов, вскрыты принципиальные молекулярные механизмы, обусловливающие особенности сопро­ тивления этих материалов деформированию. Однако общей тео­ рии, позволяющей вывести реологические зависимости исходя из данных о молекулярной и надмолекулярной структуре полиме­ ров, не существует. Поэтому вывод уравнений, описывающих деформационные свойства полимеров, производится на феноме­ нологической основе исходя из экспериментальных данных [44, 79, 96, ПО, 116].

Известно, что полимеры и материалы на их основе обла­ дают широким сплошным спектром времен релаксации. Однако для полимеров с жесткими молекулами можно учитывать две

лекул в целом. Времена релаксации зависят от температуры. При температурах выше температуры текучести большие времена релаксации становятся соизмеримыми со временем испытания, т. е. перемещение макромолекул относительно друг друга стано­ вится наблюдаемым. В области более низких температур, соот­ ветствующей высокоэластическому состоянию, большие времена релаксации настолько увеличиваются, что практически пере­ стают сказываться. Наблюдаемая в этой области ползучесть обусловлена малыми временами релаксации. Переход к равно­ весному состоянию в высокоэластической области происходит за сравнительно небольшое время, поэтому становится возмож­ ным рассмотрение модуля равновесной высокоэластичности, тео­ ретическому расчету которого посвящено много работ в физике полимеров [26, 97, 98, 111, 117]. С дальнейшим понижением