книги из ГПНТБ / Кан К.Н. Механическая прочность эпоксидной изоляции
.pdfхарактеристик и считая среднее квадратическое отклонение нормального за кона равным S, можно принять так называемые двухсигмовые границы для х: A;c=2S. Тогда значение величины х с вероятностью 0,95 будет находиться в пределах
х — 2S < х < х + 2 S ,
а относительная ошибка в процентах будет равна
Рис. 34. Проверка нормального |
Рис. |
35. |
Проверка нормального |
|||
закона |
распределения |
вероятно- |
закона |
распределения |
вероятно |
|
стей модуля упругости |
компаун- |
стей |
К Л Т Р компаунда |
ЭТ50-65 |
||
да |
ЭЗК-31 (Т=20°С) |
|
|
( Г = 0 ° С ) |
|
|
Относительная ошибка для всех физико-механических характеристик, рас смотренных выше, находится в пределах от 5 до 2 0 % .
Учитывая разброс характеристик между разными партиями, следует при нять относительную ошибку для всех физико-механических характеристик рав ной 2 5 % .
13. Электрические свойства
Эпоксидные компаунды обладают высокими электроизоляционными свойствами, благодаря чему они широко применяются в высоковольтной ап паратуре (21, 22, 66, 73, 94]. В работе {91] отмечается, что 12% общего про изводства эпоксидных смол потребляется в электротехнической промышлен ности. При оценке пригодности эпоксидных компаундов для тех или иных целей электрические свойства часто являются определяющими. Лишь после выбора компаунда по электроизоляционным характеристикам обращают вни мание на физико-механические характеристики. Поэтому в данной работе, по священной механической прочности эпоксидных компаундов, следует дать также краткое описание их электрических свойств.
Представляет также интерес выявить некоторые качественные аналогии между механическими и электрическими свойствами эпоксидных ком паундов.
Эпоксидные смолы и компаунды на их основе относятся к твердым ди электрикам. Для оценки их электрических свойств используются такие ха-
рактеристики, |
как диэлектрическая |
проницаемость |
є, тангенс угла |
диэлектри |
|
ческих |
потерь |
t g 6, электрическая |
прочность Еар, |
вольт-секундная |
характе |
ристика |
£ Я р ( і ) |
и др. |
|
|
|
Общая оценка диэлектрических свойств эпоксидных смол дана в работах |
|||||
[81, 84]. В них |
показано, что эпоксидные смолы, |
отвержденные аминными и |
|||
кислотными отвердителями, являются полярными диэлектриками. Дипольные потери и поляризация связаны в отвержденных эпоксидных смолах и компа ундах с процессами релаксации. В настоящее время нет законченной теории
диэлектрической |
поляризации |
полимеров |
[136], однако во многих случаях |
||||||||||||||||||
удается найти правильное качественное объяснение молекулярного |
механизма |
||||||||||||||||||||
поляризации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
'Поляризация |
полярных |
диэлектриков |
возникает |
в |
результате |
ориентации |
|||||||||||||||
полярных |
групп |
в |
микромолекулах |
под действием |
электрических |
сил |
и |
тор |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мозится |
|
|
взаимодействием |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
между |
молекулами, |
т. |
е. |
для |
|||||
|
О1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
перехода в равновесное со |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стояние |
требуется |
|
определен- |
||||||||
10\ |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
У-—| |
|
1 |
— |
н о е |
время, |
оцениваемое |
вре |
||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
менем |
|
релаксации. |
Поэтому |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
л |
|
|
||
|
|
|
|
|
2-1 |
|
|
|
|
|
|
|
0,16 |
|
і |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,12 |
|
|
|
|
N |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1v w |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОМ |
/ \ J |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О175-125 - 75 -25 |
|
|
|
т |
|||||
|
15 |
50 |
15 |
100 125 |
150 |
|
115 |
"О |
|
|
25 |
75 |
°С |
||||||||
Рис. 36. Зависимость е |
(кривая |
/ ) |
и t g б |
|
Рис. |
37. |
Температурная |
за |
|||||||||||||
(кривая |
2) |
от температуры |
для |
компа |
|
висимость |
t g 6 M e i в |
интер |
|||||||||||||
унда на основе смолы ЭД-6, отвержден- |
|
вале |
частот |
от |
200 |
до |
|||||||||||||||
ной диметилтетрагидрофталевым |
|
анги |
|
1200 |
гц |
|
для |
полиэтилена |
|||||||||||||
|
|
дридом |
[124] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[116] |
|
|
|
|||
скорость |
поляризации, |
так |
же, |
как |
и |
скорость |
деформации |
под |
действием |
||||||||||||
механических воздействий, зависит от температуры и частоты внешнего сило
вого поля. Температурные |
зависимости |
t g S |
полярных |
диэлектриков |
имеют |
|||
характерные максимумы и минимумы. В качестве |
иллюстрации |
приведем |
||||||
график |
из работы [124], |
представленный |
на рис. |
36. |
Между зависимостью |
|||
' g ^ ( ^ ) |
и зависимостью тангенса угла |
механических |
потерь t g 6 M e x |
от |
темпе |
|||
ратуры существует корреляционная связь. Для сравнения на рис. 37 дан при
мер зависимости tg8Mej(T), |
заимствованный из работы |
[116] . |
Как показывает сравнение, характер обеих зависимостей одинаков, что |
||
подтверждает одинаковый |
молекулярный механизм рассматриваемых явле |
|
ний. В стеклообразном состоянии поляризация невелика, |
t g б незначителен и |
|
почти не изменяется в температурном интервале, соответствующем этому со стоянию.
В переходной области и в области температур, соответствующей высоко эластическому состоянию, повышение температуры увеличивает поляризацию,
но |
одновременно уменьшает и внутреннее трение из-за снижения вязкости. |
||
Ход |
кривой tg6(7" ) |
есть результат воздействия этих двух |
факторов. |
|
Д о максимума |
кривой трение велико, поэтому потери |
растут, а после |
максимума потери уменьшаются, так как сильно уменьшается трение. Даль нейшее возрастание t g б после минимума кривой связано с увеличением элек тропроводности.
В отечественной литературе [17, 136] диэлектрические |
потери, |
связанные |
с тепловым движением кинетических сегментов, называются |
дипольно-сегмен- |
|
тальными. Процессы дипольной релаксации, связанные с |
тепловым движе |
|
нием меньших по размерам чем сегменты, групп атомов основной |
или боко |
|
вых цепей называются дипольно-групповыми процессами поляризации, а со
ответствующие |
потери — дипольно-групповыми. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Большой практический интерес представляет вопрос о влиянии наполни |
|||||||||||||
телей на диэлектрические свойства компаундов. В работе (7] отмечается |
воз |
||||||||||||
растание t g S |
у |
наполненных |
компаундов |
по |
сравнению |
с |
ненаполненными. |
||||||
В этой же работе отмечается и влияние количества отвердителя |
на |
t g 6. |
|||||||||||
Однако это влияние при разных температурах различно. При Т<ТС |
увели |
||||||||||||
чение количества |
отвердителя |
сопровождается |
увеличением |
t g б, а |
при |
Г > |
|||||||
> Г 0 — с н и ж е н и е м . |
Величина |
диэлектрической |
проницаемости |
мало |
зависит |
||||||||
от количества |
отвердителя. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В работе [91] также указывается на |
увеличение t g 6 |
у |
наполненных |
за |
|||||||||
ливочных эпоксидных компаундов по сравнению с |
ненаполненными, |
а также |
|||||||||||
на малую зависимость е от наполнителя. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Более обширные |
сведения |
о влиянии |
различных |
факторов |
на диэлектри |
||||||||
ческие свойства |
компаундов |
приведены |
в |
работе |
[124]. |
В |
частности, отме |
||||||
чается отрицательное |
влияние на величины |
|
8 и t g S |
пластификаторов. |
|
|
|||||||
Значительное улучшение диэлектрических характеристик достигается вве дением наполнителей с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими потерями. К таким наполнителям относятся окись титана ТЮг и титанат кальция СаТіОз [124].
Путем измерения |
s |
и t g б |
на |
образцах компаундов, выдержанных в воде, |
||||
можно |
косвенно судить |
об их |
влагостойкости. У образцов |
из |
компаундов |
|||
Д-1, Д-2, Д-3 и Д-4, |
выдержанных |
в воде в течение 65 000 |
ч, tg |
б и є |
мало |
|||
изменились, что свидетельствует о высокой влагостойкости эпоксидных |
ком |
|||||||
паундов |
[124]. |
|
|
|
|
|
|
|
В целом эпоксидные компаунды как диэлектрики характеризуются срав нительно большими диэлектрическими потерями и не могут быть исполь зованы как электроизоляционные материалы в высокочастотной аппаратуре.
|
Одной из важнейших электрических характеристик диэлектриков |
явля |
||||||||||||||
ется |
электрическая прочность Епр. |
Величина |
электрической |
прочности, |
опре |
|||||||||||
деляемая для |
одного |
и |
того ж е материала, |
очень |
сильно зависит |
от |
метода |
|||||||||
испытания на электрическую прочность. Для |
эпоксидных |
компаундов приняты |
||||||||||||||
две |
методики |
испытаний — в однородном |
и |
резко |
неоднородном |
электриче |
||||||||||
ском |
поле |
с |
переменным |
напряжением. |
Эти |
методики |
подробно |
описаны |
||||||||
в работе |
([124], там |
ж е |
приводятся |
результаты |
испытаний |
большого |
числа |
|||||||||
компаундов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Между электрической и механической прочностью |
эпоксидных |
компаун |
|||||||||||||
дов |
наблюдается довольно |
четкая аналогия. |
На |
рис. |
38 |
приведена |
темпера |
|||||||||
турная зависимость электрической прочности компаунда Д-2 [124], относя щегося к жестким компаундам. Если сопоставить эту зависимость с темпе ратурными зависимостями кратковременного предела механической прочности жестких компаундов (см. рис. 22), то обнаруживается явная аналогия в ходе этих зависимостей. Характерно наличие максимумов на обеих зави
симостях и значительное снижение |
электрической и механической |
прочности |
|
в области температур, соответствующей высокоэластическому |
состоянию. |
||
Однако можно также заметить, |
что кривая зависимости ЕШр(Т) |
по срав |
|
нению с кривой зависимости ов(Т) |
сильно сдвинута в область |
положитель |
|
ных температур. По-видимому, этим можно объяснить малое изменение
электрической |
|
прочности |
по сравнению с механической прочностью при темпера |
||||||||||
турах |
выше |
Тс |
у компаунда Д-132. Электрическая |
прочность |
этого |
компа |
|||||||
унда мало |
меняется |
в диапазоне |
температур |
20—ПО С и постепенно сни |
|||||||||
жается |
с |
40 |
кв/мм |
при |
110° С до |
30 |
кв/мм |
при |
150° С. |
Механическая ж е |
|||
прочность |
у |
жестких |
компаундов |
при |
150° С |
более |
чем |
на |
порядок |
ниже |
|||
прочности |
при |
комнатной |
температуре. |
|
|
|
|
|
|
||||
Одной из важнейших характеристик диэлектриков является временная зависимость электрической прочности. Эта зависимость при высоких уровнях
напряжений и малом времени воздействий? электрического поля представляется вольт-секундной характеристикой. В ра. те [74] вольт-секундные характери стики определялись путем приложения импульсов напряжения разной длитель ности. В качестве объекта исследований был выбран эпоксидный компаунд двух составов на основе смолы ЭД-6 (ненаполненный и наполненный П К П в коли
те
|
|
|
|
30$ |
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
^ |
1 |
20 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
№ |
|
|
|
|
|
т |
10' |
1р |
t |
О |
25 |
50 75 100 |
115 150 115 °С |
ЙГЙИГ |
||
Рис. |
38. |
Зависимость |
электрической |
Рис. 39. Вольт-секундная ха |
||
прочности |
эпоксидного |
компаунда Д-2 |
рактеристика |
эпоксидного |
||
|
от |
температуры |
[124] |
компаунда в |
электрическом |
|
|
|
|
|
поле «стержень—плоскость» |
||
|
|
|
|
[74] |
|
|
|
|
|
|
/ — компаунд |
с наполнителем; |
|
|
|
|
|
2 — компаунд |
без |
наполнителя |
честве 200 в. ч.). Пробой производился в резко неоднородном поле с помощью электродов «стальная игла — латунный диск». На рис. 39 изображены вольтсекундные характеристики для наполненного и ненаполненного компаунда. Вольт-секундные характеристики пока
зывают, что напряжение пробоя умень шалось с увеличением продолжитель ности импульса напряжения.
Аналогична зависимость механи ческой прочности от времени.
Очень показательны с точки зре
ния аналогии |
между механическими |
|
и электрическими свойствами |
также |
|
зависимости, |
представленные |
на |
рис. 40. |
|
|
На электрическую прочность, как и на диэлектрические свойства, влия ют количество и тип наполнителей и других компонентов.
И при импульсном пробое, и при испытаниях на переменном на
пряжении |
промышленной |
частоты |
||||||
электрическая |
прочность |
компаунда |
||||||
с наполнителем |
оказывалась |
|
выше, |
|||||
чем |
электрическая |
прочность |
нена |
|||||
полненного |
компаунда |
[74]. |
|
Введе |
||||
ние |
пластификаторов |
вызывает |
более |
|||||
резкое |
снижение электрической |
проч |
||||||
ности |
при |
повышении |
температуры. |
|||||
В |
условиях |
комнатной |
температуры |
|||||
0. |
а/мм |
|
|
|
|
V |
6,0 |
|
|
2^ |
|
|
|||||
я/см2 |
|
|
f |
|
||||
|
|
|
|
|
||||
5000 |
180\ |
|
|
|
5,2 |
|||
tOOOYWO] |
|
і |
т |
7 |
|
\ |
|
|
3000 |
1Щ |
|
|
|
|
|
|
3,6 |
|
|
|
|
|
3 |
/ |
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
2,8 |
10ОО |
100 |
-Ы |
О |
W |
80 |
т |
2,0 |
|
|
9 |
"С |
|
|||||
Рис. |
40. |
Зависимость |
|
механической |
||||
прочности |
при |
растяжении |
а в |
(кри |
||||
вая |
1), |
импульсной |
|
электрической |
||||
прочности |
£пр |
(кривая |
2) |
и диэлек |
||||
трической |
проницаемости |
е |
(кри |
|||||
вая |
3) от |
температуры |
стеклования |
|||||
|
|
|
То [74] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 10 |
|
Характеристики |
электрических |
свойств |
|
|
|
|
|
|
Марка компаунда |
|
|
|
|
|
Характеристика |
|
|
|
|
|
|
|
Д-2 |
Д-132 |
ЭЗК.-Ю |
КЭП-1 |
КЭ-2 |
ЭК-20 |
CY-175 |
C Y -179 |
tg s
при |
т = |
20"С, |
/ |
= 50 |
гц |
0,02—0,03 |
0,007 |
0,013 |
0 , 0 1 - 0 , 0 3 |
— |
|
— |
0,004 |
0,004 |
при |
т = |
100° С, |
/ |
= 50 |
гц |
— |
0,027 |
0,04 |
0,1 |
— |
|
— |
0,004 |
0,0П£ |
при |
Т = |
120° С, |
/ |
= 50 |
гц |
— |
— |
0,06 |
— |
0,08 |
0,03 |
—0,08 |
— |
— |
|
|
є |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
Т |
|
|
|
|
3,95 |
4,85 |
5,0 |
5—6 |
4—6 |
3,8—4,2 |
|
— |
|
|
= |
25° С |
|
|
|
f = 10" гц |
/= 103гц |
/ = 106 гц |
/ = 50 гц |
/ = 50 гц |
/ = |
50 гц |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
ЕПр, кв/мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
Т = 2 0 ° С, |
/ |
= 50 |
гц |
52,5 |
43 |
— |
50—55 |
50—55 |
25 |
—30 |
— |
— |
|
при |
Т = |
100°С, |
f |
= 50 |
гц |
51,1 |
47 |
— |
28 |
38 |
20 |
—25 |
— |
— |
при |
Т = |
120° С, |
/ |
= 50 |
гц |
41,0 |
— |
— |
— |
— |
9 |
—11 |
— |
— |
нельзя отдать предпочтенение какому-либо пластификатору по электрической прочности [124].
На электрическую прочность в значительно большей степени, чем на ме
ханическую, |
влияет масштабный эффект. При увеличении |
толщины |
образца |
||||||||||
с 1 до 10 |
мм |
электрическая |
прочность |
эпоксидного |
компаунда |
на |
основе |
||||||
смолы ЭД-6 |
снижается |
в 3,6 раза (с 80 до |
22 кв/мм) |
[74]. |
|
|
|
|
|||||
Особенно |
чувствительна |
электрическая |
прочность |
эпоксидных |
компаун |
||||||||
дов к неоднородностям |
структуры, |
и в частности к |
воздушным |
включениям. |
|||||||||
В работе [24] отмечается, что, несмотря на высокую |
кратковременную |
элек |
|||||||||||
трическую |
прочность |
компаундов |
(50—80 |
кв/мм), |
|
при |
расчетах |
высоко |
|||||
вольтных конструкций, в которых применяются эпоксидные компаунды, ве
личина усредненной напряженности поля принимается |
равной 1,7—3 кв/мм. |
|
Это объясняется тем, что в воздушных или газовых |
включениях |
возникает |
напряженность поля, значительно превышающая их |
пробивную |
напряжен |
ность. При этом во включениях возникают частичные разряды, длительное воздействие которых вызывает эрозию полимеров и постепенно разрушает изоляцию и снижает ее электрическую прочность [136].
Частичные разряды, связанные с внутренней ионизацией включений, воз никают при напряжениях, значительно более низких, чем пробивное напря жение. Напряжением ионизации называют наименьшее напряжение, при ко
тором наблюдаются |
серийные |
(не единичные) внутренние частичные |
разряды |
|||
в изоляционном материале [45]. |
|
|
|
|||
Известно, что отверждение компаундов под давлением и |
любой |
другой |
||||
способ |
уменьшения |
газовых |
включений |
способствуют повышению напряже |
||
ния ионизации. |
|
|
|
|
|
|
Для |
иллюстрации электрических |
свойств эпоксидных |
компаундов |
|||
в табл. 10 приведены электрические характеристики некоторых зарубежных и отечественных марок.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
НАПРЯЖЕНИЙ ВНУТРИ ЛИТОЙ ИЗОЛЯЦИИ
14. Обзор методов
При создании конструкций элементов, герметизированных эпоксидной изоляцией, важно заранее оценивать величины механических напряжений в изоляции. Знание ожидаемых величин механических напряжений особенно важно на стадии технического проектирования, когда имеется возможность изменить конструкцию или состав компаунда с целью снижения напряженно сти изоляции. Сведения о предельных значениях напряжений дадут возмож ность прогнозировать срок службы литой изоляции по механическим парамет рам, а также предусматривать отклонение электрических, магнитных и других параметров залитых элементов. В связи с этим весьма актуальной явля ется задача разработки наряду с методами расчета методов эксперименталь ного определения напряжений. Экспериментальные методы могут учесть сложный комплекс конструктивных, технологических и эксплуатационных фак торов, влияющих на величину напряжений, тогда как методы расчета могут учесть пока только основные из этих факторов.
В связи с тем что в области механики эпоксидных компаундов пока от сутствует общепринятая терминология, то необходимо высказать некоторые замечания по этому поводу.
Как было указано, одной из причин появления механических напряжений в литой изоляции из эпоксидных компаундов являются особенности темпера турного режима технологии изготовления компаундов. В связи с этим
механические напряжения внутри литой изоляции могут быть отнесены к так называемым остаточным напряжениям, под которыми обычно понимают макронапряжения, существующие в деталях при отсутствии внешних воздей
ствий [15]. Во всех случаях эти напряжения остаются в деталях |
после про |
цесса их изготовления. |
|
Примем термин «остаточные напряжения» для наименования |
механиче |
ских напряжений в литой изоляции. Известна и другая терминология, встре чающаяся в литературе и на практике: «внутренние напряжения», «техноло гические», «термоупругие» и др. Термин «внутренние напряжения» малопри емлем, так как все механические напряжения являются внутренними. Термин
«термоупругие напряжения», или просто «температурные |
напряжения», |
к о |
|||
торый используется в |
механике |
сплошных |
сред, является |
приемлемым, но |
о » |
имеет более широкий |
смысл, а |
именно: |
этим термином |
называют напряже |
|
ния, возникающие в твердых телах при наличии температурных полей — од нородных и неоднородных, стационарных и нестационарных.
Одной из наиболее трудных проблем при исследовании |
остаточных на |
|
пряжений в изделиях из различных материалов является их |
эксперименталь |
|
ное определение непосредственно в изделии. |
|
|
При экспериментальном |
определении остаточных напряжений в изделиях |
|
из полимерных материалов |
предпринимались попытки использования извест |
|
ных ранее методов, разработанных для металлических изделий, а также разрабатывались новые методы, учитывающие структуру и свойства поли
мерных |
материалов. |
|
|
|
|
Рассмотрим существующие |
методы определения остаточных |
напряжений, |
|
а |
также |
возможность их применения для отыскания остаточных |
напряжений |
|
в |
литой |
эпоксидной изоляции. |
Наиболее известными и распространенными |
|
в практике измерения остаточных напряжений являются механические, рент геновский и оптический методы.
В основе всех механических методов лежит следующий основной прин цип: если в теле, в котором существуют остаточные напряжения, удалить- (срезать) какую-то часть, то отсутствие напряжений на освобожденной по верхности можно рассматривать как приложение к поверхности среза напря жений обратного знака, равных по величине остаточным. Измеряя деформа ции на освобожденной поверхности, можно затем вычислить величины оста точных напряжений.
Существуют некоторые общие положения, которые используются для
обоснования механических |
методов. Предполагается, что срезы делаются |
||
таким образом, что они не |
вносят дополнительных |
остаточных |
напряжений. |
Порядок выполнения срезов |
не влияет на конечные |
деформации |
оставшейся |
части тела, т. е. считается возможным применять принцип Сен-Венана. Предпо лагается идеальная непрерывность и изотропность среды.
Наибольшее |
практическое |
применение |
механические методы получили |
при определении |
остаточных |
напряжений в |
телах вращения цилиндрической |
формы. К механическим методам, имеющим наибольшую практическую цен ность, относятся метод Н. В. Калакуцкого, метод Н. Н. Давиденкова и метод
Г.Закса [15, 37, 38, 150].
Кмеханическим методам определения остаточных напряжений в поверх ностных слоях деталей произвольной формы следует отнести метод освобож дения и метод отверстий.
Сущность метода освобождения состоит в замере показаний тензопреобразователей, наклеенных на поверхность детали, до и после вырезания уча стков с преобразователями. Разность показаний тензопреобразователей до и
после |
вырезания позволяет |
вычислить |
деформации |
вырезанной |
пластинки |
||
в двух |
направлениях (єі |
и |
82). |
Считая |
вырезанную |
пластинку свободной от |
|
остаточных напряжений, |
можно |
вычислить действующие в ней |
напряжения |
||||
до вырезания: |
|
|
|
|
|
|
|
|
£ |
0 - 1 = — |
М-ег); |
|
1 — ц 2 |
|
|
°*2= |
— |
-„(Єг + |
ЦЄі). |
|
|
|
|
I — ц2 |
|
|
|
При использовании |
этих выражений предполагается равномерное распре |
|||||
деление напряжений |
оч и а 2 по |
толщине вырезанной пластинки. Обычно |
для |
|||
определения величин |
и |
направлений |
главных |
напряжений используются |
пло |
|
ские розетки из трех преобразователей. Одним из вариантов метода осво бождения является метод столбиков, предложенный С. О. Цобкало, Л. А. Гликманом и др. [32].
При определении остаточных напряжений по методу отверстий в испы туемой детали высверливается отверстие и измеряются деформации в по
верхностном слое вблизи отверстия с помощью специальных |
экстензометров |
||
или |
тензопреобразователей. По величине |
деформаций определяются остаточ |
|
ные |
напряжения. |
|
|
|
Использование рентгеновского метода |
[2] для определения |
остаточных на |
пряжений основано на |
рассеянии |
монохроматических рентгеновских лучей при |
|||
прохождении их через кристаллическую решетку. Интерференция |
отраженных |
||||
лучей, происходящая |
при |
этом |
рассеянии, |
усиливает интенсивность лучей |
|
в одном направлении и ослабляет |
их в другом. Наибольшей интенсивностью |
||||
обладают лучи, отраженные |
под |
каким-то |
определенным углом |
Усиление |
|
интенсивности лучей происходит в том случае, если разность длин волн отра женных лучей равна целому числу волн. Это условие выражается зависи мостью
|
|
2d sin г)) = rik, |
где d — расстояние |
между |
кристаллографическими плоскостями; % — длина |
волны рентгеновского |
луча; |
п—целое число волн. |
Определение расстояния между кристаллографическими плоскостями и является основной задачей рентгеновского метода. Если измерено расстояние между кристаллографическими плоскостями d, то, зная его величину do при отсутствии напряжений можно вычислить деформацию кристаллической ре шетки.
С помощью рентгеновского метода определяются напряжения только в поверхностном слое детали глубиной 5—20 мкм. Точность метода в прак тических исследованиях составляет величину порядка ± (50-7-200) н/см2.
Оптический метод используется для определения напряжений в деталях с применением специальных оптически активных материалов {4, 93]. Такими
материалами обычно служат искусственные смолы, бакелит, хлористое |
се |
ребро и т. д. Эти материалы оптически изотропны в ненапряженном |
со |
стоянии, а при деформации становятся оптически анизотропными. При про хождении через нагруженный оптический материал поляризованного света наблюдается появление черных или разноцветных полос (изоклинные или изохроматические кривые в зависимости от того, освещена ли модель моно
хроматическим |
или белым светом), по которым можно определить |
направле |
||||
ние и величину главных |
напряжений. |
|
|
|
||
|
Известны |
две основные схемы исследования |
напряженного |
состояния |
||
с |
помощью оптического |
метода. Сущность первой схемы состоит в |
том, |
что |
||
из |
оптически |
активного |
материала изготавливается |
модель исследуемой |
де |
|
тали. После этого модель нагружается при высокой температуре, а затем охлаждается. Таким образом, оптическая картина при охлаждении модели
сохраняется («замораживается»). После |
этого модель либо разрезается |
на |
от |
|
дельные пластинки, либо исследуется без разрезки в зависимости |
от |
слож |
||
ности и конфигурации детали. |
|
|
|
|
Сущность второй схемы состоит в том, что исследование проводится не |
||||
посредственно на заданных элементах |
(например, металлических) |
при |
по |
|
мощи фотоупругих покрытий. При использовании этой схемы на поверхность
исследуемого |
изделия наносится тонкий слой покрытия из оптически актив |
|||
ного материала. Этот |
слой |
обладает малой жесткостью и не |
оказывает |
|
существенного |
влияния |
на |
напряженное состояние исследуемого |
изделия, |
повторяя деформации на его поверхности. Деформация оптически активногослоя исследуется оптическим методом, после чего выявляется картина рас пределения напряжений и их величина в поверхностном слое исследуемогоизделия.
Оптический метод достаточно полно разработан для исследования пло ского напряженного состояния деталей постоянной толщины. В настоящее
время |
оптический метод широко применяется при исследовании |
напряженного |
||
состояния полимерных материалов. |
|
|
||
Исследование остаточных напряжений в эпоксидных композициях |
свя |
|||
зано с |
тремя основными направлениями использования эпоксидных смол: |
|||
1. |
Защита поверхностей |
(лаки и смолы для покрытий). |
|
|
2. |
Изготовление изделий |
из стеклопластиков (связующие |
на основе |
э п о |
ксидных смол).
Рис. 41 . Консольный метод [105]
3. Заливка электротехнического и радиоэлектронного оборудования (гер метизирующая изоляция).
Анализ причин возникновения остаточных напряжений в покрытиях, ки нетика их нарастания и методы определения рассмотрены в работах [76,
102—106, 135, |
140, 151]. |
Наиболее распространенными методами исследова |
ния являются |
оптический |
и консольный. |
Измерения оптическим методом производятся следующим образом. Н а прозрачную, оптически активную подложку наносится полимерное покрытие. Напряжения, возникающие в покрытии в процессе его формирования, оцени ваются по напряжениям в оптически активной подложке.
Сущность консольного метода заключается в следующем. На плоскую уп
ругую подложку 1 |
(рис. 41, а) наносится полимерное покрытие (пленка) 2. |
||
При |
полимеризации |
объем пленки, как правило, уменьшается, |
вследствие |
чего |
она стремится |
сжаться. Сжатию мешает подложка, с которой |
покрытие |
связано адгезионными силами. Пленка покрытия оказывается растянутой, а
подложка — сжатой. В |
результате |
на |
подложку |
действует |
сжимающая сила |
||
и изгибающий момент |
(рис. |
4 1 , 6 ) . |
|
|
|
|
|
Сила, с которой пленка |
сжимает |
подложку, |
|
|
|||
|
|
|
Р |
= є £ 2 Д Р , |
|
|
|
где |
е — относительное |
укорочение |
пленки; Ег — модуль |
упругости пленки; |
|||
F — площадь поперечного сечения пленки. |
|
|
|||||
Изгибающий момент, возникающий за счет |
нецентральности приложения |
||||||
силы |
Р, |
|
|
|
|
|
|
Тогда |
напряжения, |
возникающие в подложке |
(рис. 41, д), равны: |
от растя |
|||
жения |
о Р = Р / Л |
от |
изгиба 0 „ = A i „ / № , где |
F |
и W — площадь и |
момент |
с о |
противления подложки. |
|
|
|
|
|||
В работе (105] предлагается несколько вариантов расчета остаточных на |
|||||||
пряжений: |
|
|
|
|
|
|
|
а) |
по величине |
прогиба подложки f m a x |
(рис. 41 , в); |
|
|
||
б) по отклонению свободного конца подложки h при консольном ее за |
|||||||
креплении (рис. |
41 , г ) ; |
|
|
|
|
||
в) по величине напряжений в подложке, определенных на свободной |
от |
||||||
пленки стороне с помощью проволочных тензометров сопротивления; |
|
||||||
г) по величине напряжений, измеренных на подложке у покрытия. |
|
||||||
Наибольшее распространение получил метод измерения по отклонению |
сво |
||||||
бодного конца |
консольно закрепленной подложки (рис. 41, г ) . В |
этом |
слу |
||||
чае остаточные напряжения в покрытии определяются по формуле
g |
^ |
hEit* |
hE2(t+At) |
|
° |
~ |
З/2 (t + |
At) At |
Iі |
где t — толщина |
подложки; |
/ — длина под |
||
ложки. Первый член выражает напряжения, оставшиеся в покрытии, а второй член — напряжения, снятые при прогибе подложки. Если полимерное покрытие наносится на
металлическую подложку и / ^ З Д / , то |
второй |
||||
член |
уравнения |
составляет величину |
менее |
||
1 % |
первого члена. |
|
|
|
|
|
Вопросам возникновения |
и |
распределе |
||
ния |
остаточных |
напряжений |
в |
связующем |
|
на основе эпоксидных смол в стеклопласти
ках |
посвящены работы [ 1 , 20, |
64, 108, 143, |
144, |
149]. Основным методом |
исследования |
остаточных напряжений в связующем, как правило, является оптический метод.
Методы определения остаточных на пряжений в герметизирующей изоляции ра диоэлектронного и электротехнического обо рудования рассматриваются в работах [8, 28, 29, 70, 119, 134, 147].
I Г\ |
Г = |
П 8 |
Рис. 42. Устройство для опре
деления |
остаточных |
напряже |
||
|
ний |
[119] |
|
|
/ — гайка; |
2 — крышка; |
3, |
4 — про |
|
волочные преобразователи; |
5 — тер |
|||
мопары; |
5 —выводы; |
7 — гильза; |
||
8 — форма; |
9 — компаунд; |
10 — |
||
крышка; |
/ / —трубчатый |
чувстви |
||
тельный |
элемент |
|
||
В большинстве случаев оценка прочности герметизирующей изоляции сво дится к качественной оценке заливочного материала по его термостойкости. Обычно для этой цели используются простейшие модели, представляющие собой металлический стержень прямоугольного или шестигранного сечения, устанавливаемый по оси цилиндрической заливочной формы и заливаемый компаундом. В некоторых случаях применяются круглые стержни с лопат ками, П-образные скобы и т. д. [119, 124]. Испытание залитой модели за ключается в ее циклическом охлаждении и нагреве в установленном диапа зоне температур. Растрескивание или сохранение целостности литой изоляции модели служит критерием пригодности заливочного компаунда в заданном диапазоне температур.
Вработах [29, 119, 148] приводится более совершенный метод оценки
материала с помощью специального прибора. Измерительный прибор со стоит из металлической трубки (рис. 42), на внутренней стенке которой вдоль и поперек оси устанавливаются тензопреобразователи. Трубка с установлен ными на ней тензопреобразователями предварительно тарируется на воздей ствие наружного гидростатического давления и температуры. После тари ровки трубка устанавливается по оси цилиндрической формы и заливается исследуемым компаундом.