Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие многих областей техники требует разработки новых конструкционных материалов, среди которых заметное место занимают полимерные композиционные материалы. Среди последних часто встречаются композиты на полимерной матрице с дисперсными наполнителями. Дисперсно-наполненные полимерные материалы (ДНПМ) широко применяются в таких наукоемких областях техники, как космонавтика, авиация, радиоэлектроника, малая энергетика. Условия эксплуатации различных технических систем с деталями и узлами из ДНПМ зачастую требуют высокой теплопроводности материала. В то же время применяемый в настоящее время метод повышения теплопроводности ДНПМ повышенной теплопроводности путем простого введения в полимерную матрицу металлических порошков малоэффективен и, как правило, сопровождается снижением механических свойств и эластичности изделий из ДНПМ.
ДНПМ относится к системам с многоуровневой неоднородностью, развитой межфазной поверхностью и микрогетерогенной структурой, для которых характерно проявление нелинейных эффектов. Одним из эффективных направлений решения проблемы упорядочения структуры ДНПМ и придания им необходимых свойств является воздействие на расплав материала физическими полями.
В данной работе предлагается метод получения ДНПМ повышенной теплопроводности за счет образования стержневых структур из плотноупакованных частиц наполнителя путем воздействия на полимерную композицию в неотвержденном состоянии комбинированными физическими полями типа термомагнитоультразвуковых, термомагнитовибрационных, термоэлектровибрационных.
Решение указанной задачи осуществлялось автором в рамках научного направления “Физико-технические проблемы энергетики и экологии” по теме ГБ 07.35 ГР 01.2.007-07556 и исполнения работ победителя конкурса по Программе “Участник молодежного научно-инновационного конкурса – 2008” (У.М.Н.И.К.) (проект № 8697) по теме “Разработка способов получения клеевых соединений повышенной теплопроводности”.
Целью диссертационной работы является исследование, разработка и обоснование метода получения дисперсно-наполненных полимерных материалов с повышенной теплопроводностью путем
направленной ориентации частиц наполнителя при воздействии комбинированными физическими полями.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ состояния проблемы получения ДНПМ повышенной теплопроводности.
2. Разработка математической модели процесса теплопроводности ДНПМ, подвергнутых воздействию комбинированными физическими полями.
3. Экспериментальные исследования зависимости теплопроводности ДНПМ от параметров физических полей, природы, концентрации, дисперсности наполнителя и вязкости полимера.
4. Опытные исследования зависимости теплопроводности и прочности клеевых соединений на наполненных клеях от параметров физических полей, природы субстрата и адгезива, температуры и давления отверждения.
5. Разработка практических рекомендаций по созданию ДНПМ с заданными теплофизическими и механическими свойствами.
Объектом исследования являются полимерная композиция на основе эпоксидной смолы ЭДП и отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА) и полимерные клеи марки ВК–3, ВК–9 и К–153, а также дисперсные наполнители в виде металлических порошков ПЖВ, ПНК, латунный и алюминиевая пудра.
Предметом исследования является механизм повышения теплопроводности ДНПМ путем воздействия комбинированными физическими полями на расплав полимерной композиции.
Методы исследования. Исследования осуществлялись на основе теоретического и экспериментального изучения процесса формирования структуры ДНПМ под воздействием комбинированных физических полей.
Научная новизна. Научная новизна результатов исследований заключается в разработке нового подхода к получению ДНПМ повышенной теплопроводности путем направленной ориентации частиц наполнителя под воздействием комбинированных физических полей.
К числу существенных результатов диссертации, обладающих научной новизной, относятся:
1. Обоснована возможность создания ДНПМ повышенной теплопроводности путем воздействия на расплав композиции с дисперсным наполнителем комбинированными физическими полями, отличающаяся образованием теплопроводящих структур из плотноупакованных частиц наполнителя.
2. Разработана математическая модель процесса теплопроводности ДНПМ, подвергнутых воздействию комбинированными физическими полями, учитывающая влияние контактного термосопротивления между частицами наполнителя.
3. Экспериментально исследовано влияние параметров физический полей, концентрации, природы, дисперсности наполнителя и вязкости полимера на теплопроводность, позволяющее создавать изделия из ДНПМ заданной теплопроводности.
4. Опытным путем исследована зависимость теплопроводности и прочности клеевых соединений на наполненных клеях от параметров физических полей, природы субстрата и адгезива, температуры и давления отверждения, позволяющая оптимизировать процесс создания клеевых соединений с заданными свойствами.
Указанные составляющие научной новизны являются положениями, выносимыми на защиту.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для новых технических и технологических решений в области получения полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими и механическими свойствами.
Предложенные в работе технологические приемы применены в практике ООО “Метизы Черноземья”. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций для магистров на кафедре “Теоретическая и промышленная теплоэнергетика” ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”.
Апробация основных результатов диссертационной работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов кафедры ТиТТТЭ “Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения” (Воронеж, 2004), Международной молодежной научной конференции “XII Туполевские чтения” (Казань, 2004), Всероссийской студенческой научно-технической конференции “Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи XXI века ЭЭЭ – 2006” (Воронеж, 2006), VIII Всероссийской с международным участием научно-технической конференции и школе молодых ученых и студентов “Авиационные технологии. АКТ – 2007” (Воронеж, 2007), Всероссийской научно-технической конференции “Приоритетные направления развития науки и технологий” (Тула, 2009), Международной молодежной научной конференции “XVI Туполевские чтения” (Казань, 2008), XVII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях” (Жуковский, 2009), XXIX Российской школы, посвященной 85-летию со дня рождения академика В. П. Макеева “Наука и технологии” (Миасс, 2009), X Всероссийской научно-технической конференции и школе молодых ученых, аспирантов и студентов “Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем. АКТ – 2009” (Воронеж, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 – в издании, рекомендованном ВАК РФ, получены 2 патента РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1–3] – физическая модель процесса теплопроводности обработанных в физическом поле ДНПМ, анализ и обобщение опытных данных; [9–11] – разработка экспериментальной установки и определение теплопроводности магнитообработанных образцов из ДНПМ; [13] – разработка инженерной методики определения коэффициента теплопроводности ДНПМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 99 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 120 страницах, содержит 34 рисунка и 7 таблиц.
Похожие диссертации на Теплопроводность дисперсно-наполненных полимерных материалов, обработанных комбинированным физическим полем
