Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы создания полимерных материалов повышенной теплопроводности. Цель и задачи исследования 11
1.1. Современные представления о механизме переноса тепла в полимерах 11
1.2. Анализ современных методов повышения теплопроводности полимерных материалов 15
1.3. Цель работы и задачи исследования 21
ГЛАВА 2. Моделирование процесса формирования теплопроводя-щих структур в дисперсно-наполненных полимерных материалах (ДНПМ) под действием постоянного электрического поля и процесса теплопроводности в электрообработанных ДНПМ 23
2.1.. Природа процесса формирования проводящей структуры полимера с дисперсным наполнителем в постоянном электрическом поле 23
2.2. Модель процесса теплопроводности ориентированных структур из частиц наполнителя в электрообработанных ДНПМ 27
ГЛАВА 3. Экспериментальные методы и установки для электрической обработки и определения теплопроводности образцов из ДНПМ 38
3.1. Методика и установка для электрической обработки образцов из ДНПМ 38
3.2. Методика и установка для определения коэффициента теплопроводности электрообработанных образцов из ДНПМ 42
3.3. Статистическая обработка результатов исследований и методика определения погрешностей 49
ГЛАВА 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и их анализ 53
4.1. Зависимость теплопроводности ДНПМ от напряженности электрического поля 53
4.2. Зависимость теплопроводности электрообработанных ДНПМ от концентрации и дисперсности наполнителя 56
4.3. Влияние электрической обработки на физико-механические характеристики ДНПМ 66
4.4. Практическая реализация научных решений при воздействии электрическим полем на ДНПМ 68
4.4.1. Исследование термосопротивлений электрообработанных полимерных прокладок в теплоконтактных переходах термоэлектрических батарей 68
4.4.2. Применение электрообработанных клеевых соединений для крепления режущих пластин сборных токарных резцов 78
4.5. Метод системного подхода для создания изделий из ДНМП с заданными свойствами 82
Основные результаты и выводы 88
Список использованной литературы 89
Приложение 99
- Анализ современных методов повышения теплопроводности полимерных материалов
- Модель процесса теплопроводности ориентированных структур из частиц наполнителя в электрообработанных ДНПМ
- Методика и установка для определения коэффициента теплопроводности электрообработанных образцов из ДНПМ
- Зависимость теплопроводности электрообработанных ДНПМ от концентрации и дисперсности наполнителя
Введение к работе
Актуальность темы.
Современный мировой и отечественной научный потенциал нацелен на решение глобальной задачи, а именно: использование нанотехнологий для получения новых материалов и создание перспективных технологий. Особенно остро ставится вопрос разработки технологий получения новых материалов с заранее заданными, в целом ряде случаев экстремальными свойствами. Для реализации такой задачи требуется нестандартный подход, когда структура материала формируется под воздействием силовых полей в направлении, необходимом для технических систем.
В таких наукоемких областях техники как авиация, космонавтика, радиоэлектроника, малая энергетика, системы связи широко применяются дисперсно-наполненные полимерные материалы (ДНПМ). Особенно часто ДНПМ используются в виде полимерных прокладок, пленок, покрытий и клеевых прослоек. Перед технологами современных производств ставится задача получения изделий из ДНПМ с механическими, электрическими и те-плофизическими свойствами, значительно превосходящими по своим параметрам получаемыми по современным технологиям.
ДНПМ относятся к классу композиционных материалов, главная специфическая особенность которых заключается в том, что их основу составляет .непрерывная полимерная фаза, в которую внедрены твердые зернистые частицы наполнителя. Введение наполнителя позволяет направленно регулировать физико-механическими свойствами конечного продукта. Принципы создания подобных полимерных композиционных материалов базируются на исследованиях по химии, физике и механике композитов.
Условия эксплуатации многих технических систем из указанных выше разделов техники зачастую требуют применения изделий из ДНПМ с повышенной теплопроводностью при сохранении высоких механических характеристик. В тоже время применяемый в настоящее время метод создания теп-
лопроводных полимерных материалов путем введения в полимерную матрицу наполнителей в виде металлических порошков не решает в полной мере эту проблему. Даже при достаточно высокой степени наполнения теплопроводность полимерного материала не превышает 0,5 - 0,6 Вт/м-К. При этом значительно снижаются механические характеристики полимерного материала.
Достаточно перспективным представляется обработка ДНПМ на стадии отверждения связующего в постоянном магнитном поле. Однако, ограниченность использования наполнителей ферромагнитной природы, отличающихся невысокой теплопроводностью, создает определенные трудности при реализации метода в производственных условиях. Более универсальным выглядит предлагаемый в данной работе метод обработки ДНПМ с наполнителем различной природы в постоянном электрическом поле.
Решение данной проблемы осуществлялось автором в рамках выполнения работ по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», программа «Новые материалы», тема «Разработка технологии создания теплопроводных клеевых прослоек и пленок на основе полимеров» (номер государственной регистрации 07.02.006) и входит в план выполнения проекта № 07-08-00819 гранта РФФИ от 2007г.
Цель и задачи исследования.
Целью данного исследования является разработка и обоснование метода получения дисперсно-наполненных полимерных материалов с повышенной теплопроводностью путем ориентации частиц наполнителя в постоянном электрическом поле. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие научные и практические задачи:
- проведение анализа существующих методов повышения теплопроводности полимерных материалов;
разработка моделей формирования теплопроводящих структур в ДНПМ под воздействием постоянного электрического поля и процесса теплопроводности в электрообработанных ДНПМ;
экспериментальные исследования зависимости теплопроводности электрообработанных ДНПМ от напряженности поля, концентрации, дисперсности и природы наполнителя;
разработка практических рекомендаций по технологии создания ДНПМ с заданными теплофизическими и механическими характеристиками.
Научная новизна работы.
Обоснована возможность создания теплопроводящих структур в массиве ДНПМ путем обработки полимерных композиций с дисперсным наполнителем в процессе их отверждения в постоянном электрическом поле.
Разработаны физическая и математическая модели процесса теплопроводности в электрообработанных ДНПМ.
Экспериментально установлено влияние напряженности электрического поля, концентрации, дисперсности и природы наполнителя на теплопроводность и механические характеристики электрообработанных ДНПМ, позволяющее создавать ДНПМ с заданными свойствами.
Указанные составляющие научной новизны являются положениями, выносимыми на защиту.
Практическая ценность и реализация результатов.
Приведенные в работе результаты экспериментально-теоретических исследований позволяют в условиях производств:
Создавать электрообрабатывающие комплексы по изготовлению ДНПМ с повышенной теплопроводностью.
Прогнозировать теплофизические и механические характеристики изделий из ДНПМ при обработке их в электрическом поле.
Результаты исследований получили внедрение при выполнении работ по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники».
Результаты работы приняты к практическому использованию в ООО ВСПП «Спецэнергоавтоматика» и ОАО «Воронежэнергоремонт».
Материалы диссертации применяются в учебном процессе кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики ВГЛТА.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XV школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Калуга, 2005); Международной научно-практической конференции «Наука и образование на службе лесного комплекса» (Воронеж, 2005); Межвузовской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, 2005); 25й Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2005); Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2005); Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006); Всероссийской научно-практической конференции «Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов» (Воронеж, 2006).
Тематика исследований входит в ежегодные планы научно-исследовательской работы кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики Воронежской государственной лесотехнической академии.
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных
работ. Из них публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Попов В.М. Теплопроводность полимерных материалов, обработанных в постоянном электрическом поле [Текст] / В.М. Попов, М.Н. Остроушко // Вестник ВГТУ. - 2005. - Т. 1. - № 6. - С. 47 - 49.
Статьи и материалы конференций:
Остроушко М.Н. К созданию клеевых соединений с полимерной прослойкой повышенной теплопроводности [Текст] / М.Н. Остроушко // Мате-мат. моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. Межвуз. сб. науч. тр. - ВГЛТА. - 2005. -Вып. 10.-С. 32-39.
Остроушко М.Н. К созданию клеевых соединений с полимерной прослойкой повышенной теплопроводности [Текст] / М.Н. Остроушко // Материалы междунар. молодежной научной конф. «Туполевские чтения». - Казань.-2005.-Т. 1.-С. 119-120.
Остроушко М.Н. К вопросу создания теплопроводных термоконтактных переходов для современных термоэлектрогенераторов [Текст] / М.Н. Остроушко // 25— Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы. Миасс. - 2005. - С. 142 - 143.
Остроушко М.Н. Влияние постоянного электрического поля на тепло-физические свойства полимерных материалов [Текст] / М.Н. Остроушко // Сб. статей по матер, межвуз. науч.-практ. конф. «Проблемы и перспективы лесного комплекса». - Воронеж. - ВГЛТА. - 2005. - Т.2. - С. 37 - 39.
Остроушко М.Н. К вопросу повышения теплопроводности полимерных прослоек клеевых соединений [Текст] / М.Н. Остроушко, В.М. Попов // 15я школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». - Калуга. - 2005. - Т. 1. - С. 382 - 384.
Остроушко М.Н. Технология создания клеевых соединений с полимерной прослойкой повышенной теплопроводности [Текст] / М.Н. Остроушко, И.Ю. Кондратенко // Сб. статей по матер, междун. научно-практ. конф. «Наука и образование на службе лесного комплекса». - Воронеж. - ВГЛТА. -2005.-С. 103-106.
Остроушко М.Н. К созданию полимерных материалов с повышенной теплопроводностью [Текст] / М.Н. Остроушко, СВ. Захаров // Математ. моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж. - ВГЛТА. -2006.-Вып. 11.-С. 99-10169.
Остроушко М.Н. Соединения на клеях в теплонапряженных конструкциях [Текст] / М.Н. Остроушко, СВ. Захаров // Сб. матер, по итогам научно-
иссл. работы молодых ученых за 2005 - 2006 гг. «Лес, Наука, Молодежь -2006». - Воронеж. - ВГЛТА. - С. 269 - 271.
9. Остроушко М.Н. Повышение надежности работы термоэлектрогенера
торов на предприятиях лесного комплекса [Текст] / Матер. Всеросс. науч.-
практ. конф. «Организационно-методические вопросы деятельности научно-
образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных
ресурсов ». - Воронеж. - ВГЛТА. - 2006. - С. 143 - 145.
10. Попов В.М. Влияние магнитного и электрического полей на тепло
проводность клеевых прослоек на основе наполненных полимерных компо
зиций [Текст] / В.М. Попов, А.П. Новиков, А.Н. Швырев, И.Ю. Кондратенко,
М.Н. Остроушко // Матер. 4 Российской Национальной конференции по теп
лообмену. - Москва. - 2006. - Т. 7. - С. 312 - 314.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, используемой литературы из 87 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 99 страниц, основное содержание работы изложено на 88 страницах машинописного текста, включает 25 рисунков и 1 таблицу.
Анализ современных методов повышения теплопроводности полимерных материалов
За последние три десятилетия отечественными и зарубежными учеными проведен большой объем исследований, преследующих цель разработки технологий повышения теплопроводности полимерных материалов. Анализ проведенных исследований показывает, что в подавляющем большинстве случаев применяется метод, основанный на введении в полимерную матрицу дисперсного наполнителя металлической природы. Введение таких наполнителей в полимеры оказывает усиливающее действие, вызванное эффектом направленной ориентации структурных элементов полимера вокруг частиц наполнителя [18]. При незначительной концентрации наполнителя в системе ее свойства определяются свойствами дисперсионной среды. Высокая степень наполнения системы приводит к возникновению небольших цепочек или сетки из частиц дисперсной фазы, разделенных прослойками из полимера. Вместе с тем отмечается, что значительное наполнение полимера сопровождается нарушением каркаса и, как следствие, приводит к снижению механических характеристик системы.
Одним из специфических проявлений взаимодействия полимера с наполнителем является нарушение классического правила аддитивности. Так, введение в полимер 10 % алюминиевого и 25 % графитового порошков по массе повышает теплопроводность композиции до 0,5 Вт/м-К [19].
В тоже время композиция на основе компаунда МБК и 50 % малотеплопроводного порошка маршалита имеет теплопроводность выше 0,7 Вт/м-К [22]. Причина подобных аномалий заключается в проявлении объемного эффекта, обусловленного формой и размером частиц наполнителя. Основной смысл объемного эффекта заключается в том, что повышение теплопроводности через материал частиц наполнителя имеет меньший вклад, чем снижение теплопроводности через полимерные прослойки между частицами. Отсюда суммарная теплопроводность композиции растет интенсивнее при введении большого числа частиц, т.е. при повышении объемной концентрации наполнителя в полимере.
Изменение во времени коэффициента теплопроводности и внутренних напряжений в процессе формирования полиэфирных покрытий толщиной 350мкм при 20С (2,4) и 80С (1,3) [25]. лимерного чехла вокруг частиц соизмерима с размерами структурных элементов, ответственных за перенос тепла [23]. В этом случае достигается максимальное увеличение теплопроводности материала. К сожалению в этих работах не отмечается значительное снижение механических характеристик получаемого материала.
Определенную роль в формировании структуры наполненных полимерных материалов играет дисперсность наполнителя [24]. Экспериментально установлено, что наполнитель с большим размером частиц и следовательно, меньшей общей поверхностью взаимодействия с полимером высокоэластического состояния снижает скорость роста теплоемкости при увеличении концентрации наполнителя, Такой характер формирования теплоемкости вызван, очевидно, замораживанием процесса непосредственного взаимодействия надмолекулярных образований с поверхностью наполнителя.
Помимо исследований теплофизики наполненных блочных полимеров изучалось формирование многофазных систем в виде полимерных покрытий с дисперсным наполнителем. Опытами установлено [6,25], что на теплопроводность покрытий существенное влияние оказывают внутренние напряжения, формирующиеся в процессе отверждения покрытий. При этом теплопроводность таких покрытий в процессе их отверждения изменяется анти-батно внутренним напряжениям (рис. 1.3).
Из приведенного анализа имеющихся на сегодняшний день данных опытов по теплопроводности наполненных полимерных материалов следует, что механизм формирования таких систем не позволяет получать структуры, в которых бы имел место непосредственный контакт частиц наполнителя между собой. Наличие малотеплопроводных полимерных прослоек между частицами наполнителя создает на пути теплового потока значительные термосопротивления. Поэтому данный метод даже при высокой концентрации наполнителя не позволяет повысить коэффициент теплопроводности выше 0,5 - 0,6 Вт/м К. Кроме этого высокая концентрация наполнителя провоци H40.A/M
Концентрация наполнителя: 1-10%; 2-20%; 3-30%; 4-40%; 5-50%; 6-60%; 7-70%; 8-80%; 9-90%; 10-100%. рует значительное снижение прочностных характеристик изделий из ДНПМ. Это особенно нежелательно для соединений на клеях [7]. В связи с изложенным выше напрашивается вывод о внешнем воздействии силовыми полями на ДНПМ на стадии отверждения связующего, позволяющем сформировать теплопроводящие структуры из частиц металлического наполнителя. В работах [7,8,26 - 28] предложен и реализован на практике метод формирования теплопроводящих цепочечных структур в полимерном материале, основанный на ориентации и перемещении частиц металлического ферромагнитного наполнителя вдоль силовых линий магнитного поля и последующем отверждении в нем наполненного полимерного материала с целью фиксации образовавшихся металлических цепочек. Предложенный метод позволяет создавать полимерные материалы с коэффициентом теплопроводности, превышающем 1 Вт/м-К при сохранении высоких механических характеристик, в частности, клеевых соединений. Представленные на рис. 1.4 данные опытов свидетельствуют о зависимости теплопроводности полимерного материала с дисперсным ферромагнитным наполнителем от напряжённости магнитного поля.
Предложенный метод имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости применения наполнителей только ферромагнитной природы, отличающихся невысокой теплопроводностью [29]. Более перспективным в плане практического применения представляется метод, позволяющий использовать в качестве дисперсных наполнителей высокотеплопроводные металлические порошки неферромагнитной природы.
Модель процесса теплопроводности ориентированных структур из частиц наполнителя в электрообработанных ДНПМ
Принимаемая во внимание принятые выше допущения, найдем число стержней из частиц наполнителя, образовавшихся под воздействием постоянного электрического поля. Перейдем к моделированию процесса теплопроводности через выделенную в массиве электрообработанного макрослоя ДНПМ элементарную ячейку в форме куба (рис. 2.2), имитирующую систему с дальним порядком, теплофизические свойства которой идентичны теплофизическим свойствам системы в целом.
Перенос тепла в микрообъеме, подобном изображенному на рис. 2.2, осуществляется на молекулярном и атомном уровне. В тоже время в феноменологическом приближении закон теплопроводности описывается уравнением Фурье. Здесь же следует отметить, что, поскольку вектор теплового потока направлен вдоль стержней из частиц наполнителя, то поперечный градиент температуры рассматриваемой ячейки равен нулю.
С учетом высказанных предпосылок температурное поле изображается двояко - периодической функцией переменных, периоды которой полностью совпадают с периодами структуры. Продольный тепловой поток в составляющих компонентах среды из стержней и полимера при одном для ячейки продольном градиенте температуры ввиду различия их теплопроводности будет различен. Поэтому изотермическая поверхность в каждой элементарной ячейке имеет максимум в области, имеющей более высокотеплопроводные стрежни и минимум в остальной части ячейки. За счет изгиба изотермической поверхности в каждой выбранной ячейке возникает локальный попе речный тепловой поток, выравнивающий температуру в массиве макрослоя изДНПМ.
Если принять допущение, что изотермическая поверхность представляет собой плоскость, перпендикулярную стержням, то при постоянном продольном тепловом потоке функция температуры будет линейно зависеть от координаты х и тогда T = xT0(y,z) (2.8) Здесь Т0- гармоническая функция переменных уиг. Исходя из равенства (2.8), продольный тепловой поток в ячейке будет выражен д = -Я = -ЛТ0, (2.9) ах где Я - приведенная теплопроводность двухкомпонентного материала ячейки. Одновременно среднее значение теплового потока в общем случае выразится в виде интегралов q = \JT0dydz- HT0dydz (2.10) О „ О л, Здесь S,Sn,SH- площади поперечного сечения, занимаемые соответственно полимерной композицией, полимером и стержнями из наполнителя в элементарной ячейке; Яп,Лн- соответственно коэффициенты теплопроводности полимера и наполнителя. Поскольку в данном случае Т0= const, то выражение (2.10) преобразится в вид д = Лп(\-С)Т0-АнСТ0 (2.11) Отсюда приведенный коэффициент теплопроводности, вдоль стержней в массиве макрослоя из ДНПМ описывается выражением Л=Яп(1 С)Т0 + ЛнС (2.12) Так как в практике тепловых расчетов слоевых изделий основной интерес представляет информация о термическом сопротивлении слоя, выразим в аналитической форме этот показатель [37]. При переходе к поверхности электрообработанного макрослоя из ДНПМ тепловой поток раздваивается, а именно часть тепла идет через полимер, другая часть через стержни из частиц наполнителя, т.е. 1 --U-L (2.13) R R R макр. п cm Расшифровав составляющие выражения (2.13), получим = i + — (2.14) R S R макр. cm Основная сложность проведения расчетных операций по определению термосопротивления макрослоя R заключается в нахождении термосопротивлений от стягивания линий теплового потока в местах контакта частиц наполнителя Rcm. Из теории контактного теплообмена [38 - 40] известно, что на формирование термосопротивления стягивания Rcm основное влияние оказывают контактные термосопротивления RK, возникающие на пути теплового потока за счет малой поверхности касания частиц наполнителя между собой.
На сегодняшний день проведен большой объем исследований по вопросам передачи тепла через системы с плотноупакованными шарами [41 -44]. Узким местом проблемы остается аналитическое нахождение контактно Рисунок 2.3 - Модель элементарной ячейки из контактирующих частиц наполнителя в электрообработанном ДНПМ го термосопротивления на местах касания шаров. Предлагаемые модели, как правило, далеки от реальных условий теплопереноса в подобных системах. Контактное термосопротивление для одной частицы R K по своей природе носит объемный характер и является внутренним [45,46]. Действие этого сопротивления идентично удлинению стержня, составленного из отдельных частиц. Для вывода аналитической зависимости, описывающей R K, для единичного микроконтакта выделим в системе элементарную ячейку в виде сферы между двумя сферическими поверхностями (рис. 2.3). Введем следующие значения: 1) радиус круговой площадки касания сфер а определяется по известному соотношению Герца для шаров радиусом р. 2) на поверхности контакта существует постоянный тепловой поток; 3) поверхность шара за исключением поверхности контакта адиабатна. Последнее условие можно считать справедливым, поскольку теплопроводность полимера прилегающего к боковым поверхностям частицы наполнителя значительно меньше теплопроводности материала наполнителя (ЛИД, «200-220) [47].
Тепловая проводимость упакованных шаров зависит от типа упаковки. Для рассматриваемого случая электрообработанных ДНПМ упаковка частиц наполнителя близка к простой кубической. Таким образом можно считать для каждого в отдельности элемента (частицы наполнителя) только одну пару контактирующих областей, а именно: области притока
Рассмотренная выше природа процесса формирования проводящих структур дисперсно-наполненных полимерных материалов с металлическим порошковым наполнителем в постоянном электрическом поле и математическая модель процесса теплопроводности в таких системах позволяют перейти к отработке технологии их создания. Для выдачи рекомендаций для производств необходимо проведение комплексных исследований по установлению влияния напряженности электрического поля, природы, концентрации и дисперсности наполнителя на теплопроводность образцов из ДНПМ.
Методика и установка для определения коэффициента теплопроводности электрообработанных образцов из ДНПМ
Приготовленные описанным выше способом образцы исследовались затем на теплопроводность. Предварительно был проведен анализ существующих на данный момент методов определения коэффициентов теплопроводности твердых неметаллических материалов в режиме умеренных температур. Предпочтение отдавалось нестационарному методу, позволяющему сократить время эксперимента. Проведенный анализ современных методов нахождения коэффициента теплопроводности неметаллических материалов [53 - 56] свидетельствует об определенных трудностях выбора метода, отвечающего специфике формирования температурного поля в тонкослойных образцах из ДНПМ. Наиболее приемлемым для работы в режиме нестационарности представляется метод двух температурно-временных интервалов [57 -58]. На рис. 3.3 представлена схема системы из нагревателя, теплоприемни-ка (холодильника) и исследуемого образца между ними. Как следует из приведенной схемы, один из спаев дифференциальной термопары помещен на поверхности нагревателя, а второй внутри теплопри-емника. Значения температур соответственно составляют tH и г0. При этом начальное значение No гальванометра, включенного в цепь термопары, соответствует разности температур tH0.
При проведении операций по определению теплопроводности образцов по данной методике необходимо стремиться к увеличению промежутков времени Аг, и Дг2, для чего требуется использовать теплоприемник с наибольшим значением постоянной в. В данном случае при создании опытной установки применялся теплоприемник, изготовленный из свинца, имеющего наибольшую из возможных значений постоянную в.
Предлагаемая методика определения коэффициента теплопроводности образцов из ДНПМ реализовалась на специально спроектированной и изготовленной экспериментальной установке, общий вид которой приведен на рис. 3.5. В состав установки входят три узла: теплоприемник с исследуемым образцом, нагреватель постоянной температуры и измерительный комплекс. В качестве нагревателя использовался латунный блок диаметром 40 мм с пазами для нихромовой проволоки в форме спирали. Мощность электронагревателя составляет 1 КВТ. Как отмечалось выше, теплоприемник изготовлен из свинцовой заготовки диаметром 40 мм и длиной 60 мм. Для создания надежного теплового контакта между образцом с одной стороны, теплоприемником и нагревателем с другой поверхности последних обрабатывались на шлифовальном станке. С этой же целью система нагру жалась постоянным набором грузовых дисков [59,60]. Спай хромель-копелевой термопары из электродов диаметром 0,3 мм заделывался путем пайки с последующей зачисткой на поверхности нагревателя. Второй спай с подводящими проводниками помещался в массив теплоприемника. Электроизмерительная схема установки составлена из дифференциальной термопары, гальванометра марки Ml95 и реостата, включенного последовательно с гальванометром и служащего для установления начального деления TVQ шка-лы прибора. Применяемый в установке электронагреватель функционирует совместно с терморегулирующим устройством, позволяющим создавать постоянную температуру на поверхности нагревателя.
В процессе определения коэффициента теплопроводности образцов из ДНПМ, как правило, имеет место разброс экспериментально полученных данных. Причиной такого разброса являются как объективные, так и случайные или вероятностные ошибки. В целях установления типичной характеристики необходимо вычислить среднеарифметическое значение из совокупности всех наблюдений [61,62].
В практике измерений часто одно или несколько значений Я значительно отличаются от среднего значения и от остальных данных опытов. Подобное имеет место в результате ошибки эксперимента. В обычной практике также явно «выпадающие» значения отбрасываются и при анализе не учитываются. При этом вопрос о том, при каких условиях эти значения следует исключить и при каких условиях их необходимо учитывать решает аппарат теории вероятностей.
Среднеквадратическое значение вычисляется из небольшого числа измерений с той же степенью точности. Его характеристикой является средняя ошибка среднеарифметического т. Она позволяет судить об общем его значении. w = ± (3.12) Коэффициент однородности образцов из ДНПМ изменяется в пределах 0,3 - 0,75. Результаты обработки опытных данных и определение ошибки приведены в Приложении 1. Частное от деления среднеарифметического на среднюю ошибку Л/т 6, что говорит о надежности результатов измерений. Средняя ошибка в процентах по отношению к среднеарифметическому не превышает 15 %.
Зависимость теплопроводности электрообработанных ДНПМ от концентрации и дисперсности наполнителя
Явно просматривается меньшее абсолютное значение теплопроводности для композиции с этим наполнителем при идентичных значениях напряженности поля. И это несмотря на то, что теплопроводность меди выше, чем алюминия. Объяснение этому факту можно найти, если принять во внимание низкую поверхностную активность меди [63,64], не позволяющей создавать жесткие структуры полимер-наполнитель при отверждении композиции, подвергнутой электрообработке в постоянном поле. Таким образом, при создании изделий из ДНПМ путем электрообработки следует учитывать природу наполнителя.
Требует отдельных исследований влияние концентрации наполнителя на теплопроводность для электрообработанных полимерных систем. При проведении этих экспериментов на тех же композициях, при той же напряженности электрического поля изменялась концентрация наполнителя от 10 до 50 % по объему.
Результаты проведенных опытов представлены на рис. 4.2. Из расположения кривых видно, что повышение концентрации наполнителя при идентичных значениях напряженности поля сопровождается ростом теплопроводности конечного продукта. Единственное, чем можно объяснить этот эффект - это увеличение числа теплопроводящих цепочечных образований с ростом концентрации наполнителя. Находит также свое логическое объяснение и сдвиг в сторону меньшей напряженности поля момента наступления пробоя для системы с большей концентрацией наполнителя, когда вероятность образования металлической нити между электродами возрастает. На рис. 4.3 приведены результаты опытов с полимерными прокладками, выполненными на основе той же эпоксидной смолы ЭДП с наполнителем в виде алюминиевой пудры, обработанной растворителем, с d «1-1,3 мкм. Как видно из расположения кривых, сохраняется их характер как и для приведенной выше обычной алюминиевой пудры. Это говорит об аналогичной О 400 800 1200 1600 2000 2400 ВУВ/см Рисунок 4.2 - Зависимость коэффициента теплопроводности электро обработанных полимерных прокладок с наполнителем в виде алюминиевой пудры от напряженности электрического поля при различной концентрации наполнителя. Зависимость коэффициента теплопроводности электро-обработанных полимерных прокладок с наполнителем в виде обработанной растворителем алюминиевой пудры от напряженности электрического поля при различной концентрации наполнителя. Концентрация наполнителя: 1 - 10%; 2 - 20%; 3 - 40%; 4 - 50%. природе влияния концентрации наполнителя на формирование структур в полученных в процессе электрообработки системах.
Если руководствоваться положениями работ, посвященных исследованиям различных факторов на электропроводность жидких суспензий в процессе обработки их в электрическом поле, то складывается мнение в превалирующем влиянии на конечный результат дисперсности наполнителя [32,33]. В связи с указанным выше была проведена серия экспериментов с наполнителями различной дисперсности. Исследовались образцы из эпоксидной композиции с наполнителями в виде обработанной в растворителе алюминиевой пудры и медного порошка.
Анализ приведенных на рис. 4.4 кривых не позволяет дать однозначного ответа на вопрос о влиянии дисперсности наполнителя на теплопроводность электрообработанных образцов из ДНПМ. Единственное, что просматривается для всех образцов - это рост теплопроводности систем с более крупными фракциями частиц наполнителя при идентичных значениях напряженности поля. Феноменологию такой тенденции формирования зависимости Л = /() можно объяснить уменьшением числа контактов между частицами грубодисперсного наполнителя в стержневых структурах. Об этом же свидетельствуют положения приведенной во второй главе модели. Так, согласно выражения (2,27) тепловая проводимость прокладки за счет снижения контактных термосопротивлений R K между отдельными частицами возрастает [44,72,73]. Обращает на себя внимание, наоборот, значительное снижение теплопроводности прокладок с грубодисперсным наполнителем в режиме низких значений напряженности электрического поля (до 100 В/см). Можно предполагать, что при такой напряженности поля более тяжелые час О 400 800 1200 1600 2000 ЕДЬ/
Зависимость коэффициента теплопроводности электро-обработанных полимерных прокладок с наполнителем в виде обработанного в растворителе алюминиевого порошка концентрацией 40 % по объему от напряженности электрического поля при различной дисперсности наполнителя. Дисперсность наполнителя: 1 - d = 8,2 - 10,5 мкм; 2 - d = 26,5 - 28,2 мкм; 3 - d = 39,6 - 42 мкм. тицы не реагируют на электрическое воздействие и таким образом не участвуют в построении теплопроводящих структур.
Требует комментария и особенность формирования финишной части кривых зависимостей Я = /[Е). Как видно, для прокладок с грубодисперс ны м наполнителем максимальная теплопроводность наступает при меньшей напряженности поля. Объясняется подобный характер расположения кривых тем, что в грубодисперсных системах наступает электропробой при меньших значениях напряженности поля, чем для систем с высокодисперсным наполнителем.
Зависимость коэффициента теплопроводности электро-обработанных полимерных прокладок с наполнителем в виде окисленного медного порошка концентрацией 40 % по объему от напряженности электрического поля при различной дисперсности наполнителя. Дисперсность наполнителя: 1 - d = 9,1 - 10,6 мкм; 2 - d = 24,2 - 25 мкм; 3 - d = 42,3 - 44,2 мкм. 400 800 1200 1600 2000 KB см Зависимость коэффициента теплопроводности электро-обработанных клеевых прослоек с наполнителем в виде обработанной алюминиевой пудры от напряженности электрического поля при различной концентрации наполнителя. Концентрация наполнителя: 1 - 20%; 2 - 40%; 3 - 50%. Отдельно проводились исследования теплопроводности клеевых прослоек на основе той же композиции из смолы ЭДП, отвердителя ПЭПА и пластификатора ДБФ. Склеивались металлические пластины из стали 12Х18Н10Т. Толщина клеевой прослойки выдерживалась в пределах 0,5 мм.
Коэффициент теплопроводности электрообработанных образцов определялся на той же установке, описанной в главе 3. В процессе испытаний изменялись напряженность поля и концентрация наполнителя, в качестве которого выступала обработанная в растворителе алюминиевая пудра с частицами приведенного диаметра d = 8,2 -10,5 мкм.
Из анализа расположения кривых видно, что их характер аналогичен для полученных ранее полимерных прокладок. Вместе с тем наблюдается некоторый спад абсолютных значений коэффициента теплопроводности по сравнению с идентичными точками для полимерных прослоек. Это снижение теплопроводности наполненных клеевых прослоек, обработанных в электрическом поле, можно объяснить воздействием образовавшихся при отверждении в прослойках внутренних напряжений, как бы растягивающих макромолекулы полимера вдоль поверхностей субстратов [74,75].
Приведенные выше результаты экспериментов показывают, что на процесс формирования теплопроводящих структур в ДНПМ под воздействием постоянного электрического поля оказывают существенное влияние природа, концентрация, дисперсность наполнителя и напряженность поля. Даже при сделанных допущениях о постоянстве вязкости полимера, температурных условий и др., которые заведомо требуют внесения соответствующих поправок, предложенные в главе 3 расчетные модели представляются труднореализуемыми. Их использование может носить больше качественный характер нежели количественный характер.
Похожие диссертации на Теплопроводность дисперсно-наполненных полимерных материалов, обработанных в постоянном электрическом поле
