CC BY
25
Расчет средних термических напряжений в материале в зависимости от температуры нагрева и объемного содержания включений карбида был проведен согласно приведенному ранее физико-математическому описанию с использованием пакета программ MathCad v14.
Результаты и обсуждение
В результате моделирования были получены расчетные зависимости температурных напряжений в материале в зависимости от объемной доли включений карбида титана в матрице из никеля. Установленные зависимости приведены на рис. 2.
Рис.2 - Зависимость напряжений в композиционном материале от объемной доли включений карбида титана в матрице из
никеля при температуре 200.. .500°С (а) и 600.. .1000°С (б)
На основании полученных результатов можно утверждать, что зависимость напряжений, вызванных нагревом, не является линейной относительно концентрации элементов неоднородности. Рост напряжений связан с увеличением доли частиц второй фазы прямопропорционально.
При увеличении температуры изменение напряжений носит более сложный характер. При увеличении температуры до 500°С напряжения в материале возрастают, а свыше 500°С до 1000°С - снижаются. Такие результаты могут быть обусловлены исходными значениями физических величин, которые являются справочными.
Установленные значения напряжений колеблются в пределах 8,3.10,5 Н/мм2.
Заключение
В результате проведенного моделирования были получены данные о термических напряжениях в композиционном материале на основе никеля с включениями карбида титана (радиусом 5 мкм) при температуре 200.1000°С.
Были установлены следующие закономерности:
1) Зависимость напряжений, вызванных нагревом, не является линейной относительно концентрации частиц карбида титана.
2) Рост напряжений связан с увеличением доли частиц второй фазы прямопропорционально.
3) При увеличении температуры до 500°С напряжения в материале возрастают, а свыше 500°С до 1000°С - снижаются.
Полученные значения напряжений лежат в диапазоне 8,3.10,5 Н/мм2.
Используемый метод моделирования является достаточно чувствительным как к исходным значениям физических и механических величин, так и к методам прогнозирования этих значений для высоких температур нагрева. Следовательно, уменьшение погрешности, вносимой указанными факторами, является направлением для дальнейшего совершенствования данного метода установления уровня термических напряжений в композиционных материалах.
Литература
1. Колесников В.И., Бардушкин В.В., Сычев А.П., Яковлев В.Б. Напряженное состояние композиционных материалов в условиях воздействия термодинамических факторов // Вестник Южного научного центра РАН. - 2005. - № 4. - с. 9-13.
2. Кузнецов С.В. Эффективные тензоры упругости дисперсных композитов // Прикладная математика и механика. - 1993. -вып.1. - с. 103-109.
3. Ошмян В.Г, Кнунянц Н.Н., Товмавсян Ю.М., Тополкараев В.А., Маневич Л.И. Теоретико-экспериментальное исследование статистического деформирования дисперсно-наполненных композитов // Механика композиционных материалов. -1984. - № 3. - с.431-438.
4. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М. Металлургия, 1977, 496 с.
5. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник. М.: Атомиздат, 1968, 485 с.
6. Дриц М.Е. Свойства элементов. Справоник. М.: Металлургия, 1985, 672 с.
Попов В.М. 1, Лушникова Е.Н.2, Шатилова Е.А.3
Доктор технических наук, профессор; 2кандидат технических наук, доцент; 3студентка, Воронежская государственная
лесотехническая академия
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта №210-08-00087)
К ВОПРОСУ О ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИИ В ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С
КЛЕЕВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ
Аннотация
Предлагается технологический прием создания клеевых соединений металлических конструкций с клеевыми прослойками повышенной теплопроводности с условием сохранения высокой прочности соединений. Исследованиями установлено, что воздействием на неотвержденную клеевую прослойку из дисперснонаполненного клея магнитоволновым полем можно значительно повысить ее теплопроводность и сохранить требуемую прочность соединения.
Ключевые слова: клеевые соединения, магнитное поле, волновое поле, прочность, теплопроводность.
Popov V.M. 1, Lushnokova E.N.2, Shatilova E.A.3
!DSc (Engineering), professor; 2PhD (Engineering), associate professor; 3student, Voronezh State Academy of Forestry and
Technologies
TO THE QUESTION OF THERMOREGULATION IN HEAT-STRESSED TECHNICAL SYSTEMS WITH ADHESIVE
JOINTS
Abstract
Technological method of producing adhesive joints of metal structures with adhesive layers of high thermal conductivity with condition for preserving of highstrength compounds is proposed. Studies have found that impact on uncured adhesive layer made of dispersed-filled the adhesive by magnetic wave field can significantly improve its thermal conductivity and save the desired bond strength.
Keywords: adhesive joints, magnetic field, wave field, strength, thermal conductivity.
48
В таких наукоемких областях техники, как самолетостроение, космические летательные аппараты, системы военного назначения широкое применение находят клеевые соединения на основе синтетических клеев [1]. Это объясняется рядом существенных преимуществ, которые соединения на клеях имеют по сравнению с такими традиционными видами соединений, как сварка, клепка, пайка [2].
Из практики применения клеевых соединений в металлических конструкциях особенно теплонапряженных технических систем перед проектировщиками часто ставится задача по обеспечению хорошей теплопередачи через клеевые прослойки, которые в силу низкой теплопроводности клея, создают значительные термосопротивления на пути тепловых потоков, приводящие к перегреву отдельных узлов и в целом систем [3]. До последнего времени проблему снижения термосопротивления, создаваемого клеевыми прослойками, решали путем наполнения клеев металлическими порошками. Однако, даже при достаточно высокой
Вт
концентрации наполнителя коэффициент теплопроводности клеевой композиции не превышает 0,6-0,7 ------. Вместе с тем
м • К
чрезмерное введение наполнителя в клей значительно снижает прочность клеевых соединений.
Более перспективным следует считать предложенный ранее способ повышения теплопроводности клеевых прослоек путем воздействия на неотвержденную прослойку из клея с металлическим порошком постоянным магнитным полем [4]. Образовавшиеся в клеевой прослойке цепочки из частиц наполнителя способствуют повышению ее теплопроводности. Однако, как показал анализ фотографий микроструктуры магнитообработанной прослойки, даже при достаточно высокой напряженности магнитного поля в образовавшихся цепочках нет плотной упаковки частиц, что снижает теплопроводность в целом прослойки. Отсюда можно полагать, что при более плотной упаковке частиц наполнителя теплопроводность клеевой прослойки будет выше. Для реализации такой задачи предлагается метод, в основу которого положено воздействие на неотвержденную прослойку волновым и затем магнитным полем.
Модифицирование клея в прослойке волновым полем, как отмечалось ранее при исследовании многофазных гетерогенных систем [5], приводит к образованию однородной композиции, исключающей формирование крупных конгломератов из частиц наполнителя. Дальнейшее воздействие магнитным полем сопровождается образованием более однородных и более плотноупакованных цепочечных структур.
Волновое воздействие на клеевую композицию с наполнителем осуществлялось с помощью виброгрохота марки ПЭ-6800. Частота колебаний рабочего стола виброгрохота изменяется в пределах от 15 до 70 Гц с амплитудой колебаний от 0,25 до 1,5 мм. Продолжительность волновой обработки составляла 5-6 мин. Последующая магнитная обработка производилась на стенде, описанном в работе [4]. Время магнитного воздействия составляло 20 мин.
В качестве объекта исследования применялась клеевая композиция на основе эпоксидной смолы ЭДП с отвердителем ПЭПА и пластификатором ДБФ. В качестве наполнителя вводился никелевый порошок ПНК. А в качестве субстрата применялись пластины из стали 30 толщиной 2 мм и диаметром 30 мм. Толщина клеевой прослойки выдерживалась в пределах 1 мм. Температура клеевой композиции и прослойки на момент волновой и магнитной обработки поддерживалась на уровне 40 С. Обработанные таким образом образцы для полной полимеризации клея и фиксации образовавшейся цепочечной структуры прослоек выстаивались в термошкафу при температуре 60°С в течение суток. После этого образцы исследовались на модернизированной установке, в основу функционирования которой заложен метод двух температурно-временных интервалов [6]. Полученные в процессе исследований результаты приведены в таблице.
Таблица 1 - Зависимость коэффициента теплопроводности обработанных в магнитоволновом поле клеевых прослоек от ________напряженности магнитного поля, частоты механических колебаний и концентрации наполнителя_________
Концентрация наполнителя в % от объема полимера Частота колебаний, Гц Коэффициент теплопроводности X, Вт/м-К при напряженности магнитного поля Н-10 4 , А/м
0 4 12 18 22 28
10 0 0,27 0,33 0,45 0,52 0,54 6 0,5
10 15 0,31 0,38 0,52 0,54 0,56 8 0,5
20 15 0,34 0,42 0,55 0,58 0,61 3 0,6
30 15 0,37 0,48 0,65 0,68 0,75 5 0,7
40 15 0,42 0,64 0,89 1,02 1,1 5 1,1
10 30 0,35 0,43 0,51 0,58 0,62 5 0,6
20 30 0,37 0,46 0,57 0,61 0,64 7 0,6
30 30 0,41 0,51 0,68 0,71 0,77 9 0,7
40 30 0,46 0,67 0,93 1,08 1,14 1 1,2
Из анализа полученных опытных данных можно сделать однозначный вывод, что при комбинированной обработке клеевых прослоек с наполнителем коэффициент теплопроводности выше, чем при обработке только магнитным полем. При этом увеличение частоты механических колебаний в свою очередь также способствует повышению теплопроводности прослоек.
В заключение следует отметить, что предлагаемый технологический прием создания клеевых соединений с клеевыми прослойками повышенной теплопроводности легко реализуем в условиях, где непосредственно создаются клеевые соединения.
Литература
1. Вильнав Ж.Ж. Клеевые соединения. М.: Техносфера, 2007. 384 с.
2. Кейгл И. Клеевые соединения. М.: Мир, 1971. 205 с.
3. Попов В.М. Теплообмен через соединения на клеях. М.: Энергия, 1974. С. 304.
4. Попов В.М. К вопросу о повышении теплопроводности тонкослойных полимерных материалов / В.М. Попов, А.П. Новиков // Вестник Воронежского государственного технического университета. Сер. Энергетика. 2002. Вып.7.2. С.120-122.
5. Ганиев Р.Ф. О влиянии волновых эффектов на полимерные композиционные материалы / Р.Ф. Ганиев, Н.А. Берлин, В.Н. Фомин // Докл. РАН. Химическая технология. 2002. Т.3 85.№4. С.517-520.
6. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л.: Энергия, 1971. 145 с.
49
