CC BY
66
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.7.073
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-111-118
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРА, НАПОЛНЕННОГО АЛЮМИНИЕМ
© Н.С. Любимый1, М.С. Чепчуров2, В.А. Грудина3
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Определение коэффициента теплопроводности металлополимерного состава. МЕТОДЫ. На основании данных эксперимента по измерению изменения температуры поверхности металлополимерного образца во времени под воздействием нагревательного элемента рассчитывается коэффициент теплопроводности. Расчет теплопроводности металлополимера производится методом продольного теплового потока. РЕЗУЛЬТАТЫ. В работе рассчитан коэффициент теплопроводности металлополимера, наполненного алюминием. Временной промежуток, в течение которого производилось снятие показаний, составил 960 с. Разработана схема нагрева и снятия температурных показаний с поверхности образца. Установлено, что с увеличением температуры образца увеличивается коэффициент теплопроводности, выявленная зависимость поясняется графиком изменения коэффициента теплопроводности во времени. Произведены сравнения коэффициентов теплопроводности алюминия и полимерной матрицы, наполненной алюминием. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В работе получено значение коэффициента теплопроводности, что позволяет сделать рекомендации по конструкции системы охлаждения пресс-форм с металлополимерными формообразующими.
Ключевые слова: коэффициент теплопроводности, металлополимер, формообразующая пресс-форма, тепловой поток, литье пластиков.
Формат цитирования: Любимый Н.С., Чепчуров М.С., Грудина В.А. Определение теплопроводности металлополимера наполненного алюминием // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 111-118. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-111-118
ALUMINUM FILLED METALLOPOLYMER THERMAL CONDUCTIVITY DETERMINATION N.S. Liubimyi, M.S. Ohepchurov, V.A. Grudina
Shukhov Belgorod State Technological University, 46, Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia.
ABSTRACT. THE PURPOSE of research is determination of thermal conductivity coefficient of metal polymer composition. METHODS. The thermal conductivity coefficient is calculated on the basis of the experimental data on the measurement of metallopolymer sample surface temperature changes in time when the sample is exposed to the action of a heating element. The calculation of metallopolymer thermal conductivity is performed by the method of longitudinal heat flow. RESULTS. The thermal conductivity coefficient of the aluminum filled metallopolymer has been calculated. The readings were taken within the period of 960 seconds. A scheme of heating and taking temperature readings from the sample surface has been developed. It was found that the rise in sample temperature increases the coefficient of thermal conductivity. The revealed dependence is supported by the graph of thermal conductivity coefficient change in time. The thermal conductivity coefficients of aluminum and aluminum filled polymer matrix have been compared. CONCLUSION. The value of the thermal conductivity coefficient has been obtained, which allows to make recommendations for designing a cooling system for molds with metallopolymer shaping parts.
Keywords: rnefficient of thermal conductivity, metallopolymer, shaping mold, heat flow, plastic casting
For citation: Liubimyi N.S., Chepchurov M.S., Grudina V.A. Aluminum filled metallopolymer thermal conductivity determination. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 9, pp. 111-118. DOI: 10.21285/18143520-2016-9-111-118
1Любимый Николай Сергеевич, аспирант, e-mail: pershin26@yandex.ru Liubimyi Nikolai, Postgraduate, e-mail: pershin26@yandex.ru
2Чепчуров Михаил Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, e-mail: avtpost@mail.ru
Chepchurov Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Technology of Mechanical Engineering, e-mail: avtpost@mail.ru
3Грудина Виктория Андреевна, аспирант, e-mail: vika260792@yandex.ru Grudina Viktoria, Postgraduate, e-mail: vika260792@yandex.ru
Введение
Металлополимерные композиционные материалы, представляющие собой эпоксидодиеновую матрицу с мелкодис-перстным металлическим наполнителем4, находят все большее применение в изготовлении технологической оснастки для литья термопластов. При изготовлении формообразующей оснастки с использованием металлополимера применяется технология получения отпечатка мастер-модели изделия в жидком металлополиме-ре. В общем случае технология подразумевает изготовление металлической обоймы с необходимыми конструкционными отверстиями, в которую заливается жидкий ме-таллополимер, затем в жидкую металлопо-лимерную композицию помещается мастер-модель изделия. Далее металлополимер затвердевает, мастер-модель извлекается, а полученный металлополимерный отпечаток используется как формообразующая поверхность пресс-формы. Мастер-модель изделия изготавливается путем послойного выращивания на 3D-принтере. Ввиду отсутствия операций механической обработки при изготовлении металлополимерной формообразующей уменьшается технологическое время, а следовательно, и себестоимость изготовления пресс-формы, что в конечном счете приводит к уменьшению себестоимости изделия, особенно в мелкосерийном производстве. Авторами статьи проводятся исследования в области изготовления из металлополимерных составов формообразующих поверхностей пресс-форм. Многочисленные экспериментальные работы, проведенные на базе производств, занимающихся литьем термопластов, и теоретические исследования на кафедре технологии машиностроения Белгородского государственного технологического университета показали, что производство формообразующих поверхностей
пресс-форм для литья термопластов из ме-таллополимерных составов является перспективным направлением в области технологии производства оснастки для формования пластмасс.
При литье термопластов технологическая оснастка испытывает значительные нагрузки от давления в полости пресс-формы а также значительное тепловое воздействие [1, с. 78]. Процесс литья термопластичных полимеров происходит при температурах расплава, впрыскиваемого в полость пресс-формы, 220-300°С, в среднем 240°С, при этом температура пресс-формы колеблется в диапазоне от 15 до 100°С в зависимости от материала расплава [2, с. 18]. Температура охлаждения отлитого изделия в пресс-форме существенно влияет на продолжительность цикла прессования изделия. Так, в работе [3, с. 11] приведены данные о продолжительности цикла прессования характерного изделия, при этом продолжительность выдержки составляет 40 с. Время выдержки -это время, необходимое для завершения процесса кристаллизации реактопласта в полости пресс-формы. Выбор конструкции системы охлаждения пресс-формы очень важен, поскольку она оказывает влияние на производительность процесса формования изделий. Однако необходимо учитывать и материал, из которого будет изготовлена формообразующая поверхность пресс-формы. Материал формообразующей поверхности должен обладать хорошей теплопроводностью, чтобы обеспечить отвод тепла от поверхности формообразующей к теплоносителю системы охлаждения. Для проектирования формообразующей пресс-формы из металлополимера необходимо знать теплопроводность металлополимер-ного состава. Металлополимерный состав, коэффициент теплопроводности которого
4Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С. [и др.]. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие; под ред. А.А. Берлина. СПб.: Профессия, 2008. 560 с. / Kerber M.L., Vinogradov V.M., Golovkin G.S. et al. Polymeric composite materials: structure, properties and technology: Learning aids. St. Petersburg, Profession Publ., 2008, 560 p.
определен авторами данной статьи, является общедоступным материалом. В частности, используется металлополимер LEO, наполненный алюминием [4, с. 2]. Для расчета коэффициента теплопроводности был использован метод продольного теплового
потока. Анализ полученных значений коэффициентов теплопроводности металло-полимерного состава осуществлялся путем построоения графиков в программе Microsoft Excel.
Расчет коэффициента теплопроводности металлополимера с алюминиевым наполнителем
В пресс-формах с металлополимер-ными формообразующими необходимо проектировать систему охлаждения пресс-формы с учетом теплопроводности метал-лополимерной композиции. Однако прямых данных о теплопроводности металлополи-меров в общедоступной справочной литературе и специализированной литературе производителей авторами статьи не обнаружено. Ранее авторами был проведен эксперимент по нагреву кубических образцов металлополимерной композиции с алюминиевым наполнителем, один из которых был отвержден в атмосферных условиях, другой - в вакуумной среде. Полученные результаты по изменению температуры граней образцов во времени при одинаковых условиях нагрева были опубликованы в работе [5, с. 159]. При проведении эксперимента была использована схема измерения, показанная на рис. 1.
Рис. 1. Схема определения изменения температуры на поверхности грани
металлополимерного образца Fig. 1. Schematic for the determination of temperature changes on the metallopolymer sample face
Согласно рис. 1, теплоизоляционный элемент 3 с установленным в нем ме-таллополимерным образцом 2 расположен над источником инфракрасного излучения 5 мощностью 75 Вт в корпусе 4. Далее при помощи инфракрасного пирометра 1 (модель CASON CA380) были произведены измерения температуры внешней грани в течение 16 мин 30 с с шагом 30 с. Расстояние D от пирометра 1 до металлополимерного образца 2 рассчитывалось из условия D:S=12:1, где Э - площадь металлополи-мерного образца.
Полученные значения температур действительны для образца металлополи-мерной композиции, отвержденной в вакуумной среде при давлении -0,2 кгс/см2 (табл. 1).
Для определения теплопроводности металлополимерного образца с алюминиевым наполнителем воспользовались методом продольного теплового потока5, который широко применяется при исследовании металлов и других твердых материалов с относительно большой теплопроводностью. Согласно этому методу на одном из торцов образца с площадью поперечного сечения Э создается равномерный тепловой поток 0. Между двумя сечениями образца, расположенными на расстоянии I один от другого, измеряется разность температур Дt=t2-t1. При отсутствии боковых тепловых потерь теплопроводность образца рассчитывается по формуле
А =
QXI
SX(t2-t1)
Коротких А.Г. Теплопроводность материалов: учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 97 с. / Korotkikh A.G. Thermal conductivity of materials. Tomsk, TPU Publ., 2011, 97 p.
Таблица 1
Изменение температуры грани металлополимерного образца во времени
Table 1
Metallopolymer sample face temperature change in time_
Время нагрева, t / Heating time, t T обр., °С / T sample, °С Время нагрева, t / Heating time, t T обр., °С / T sample, °С
t0 28,9 8 мин 30 с / 8 min 30 sec 65,5
30 с / 30 sec 28,8 9 мин / 9 min 67,6
1 мин / 1 min 30 9 мин 30 с / 9 min 30 sec 68,8
1 мин 30 с / 1 min 30 sec 32 10 мин / 10 min 70,9
2 мин / 2 min 34,3 10 мин 30 с / 10 min 30 sec 72,5
2 мин 30 с / 2 min 30 sec 37,6 11 мин / 11 min 74
3 мин / 3 min 40,6 11 мин 30 с / 11 min 30 sec 75,7
3 мин 30 с / 3 min 30 sec 43,6 12 мин / 12 min 77,2
4 мин / 4 min 46 12 мин 30 с / 12 min 30 sec 78,4
4 мин 30 с / 4 min 30 sec 49,1 13 мин / 13 min 80,1
5 мин / 5 min 51,4 13 мин 30 с / 13 min 30 sec 81,1
5 мин 30 с / 5 min 30 sec 53,8 14 мин / 14 min 82,2
6 мин / 6 min 56,4 14 мин 30 с / 14 min 30 sec 83,5
6 мин 30 с / 6 min 30 sec 58,1 15 мин / 15 min 84,5
7 мин / 7 min 60,2 15 мин 30 с / 15 min 30 sec 85,5
7 мин 30 с / 7 min 30 sec 62,5 16 мин / 16 min 86,3
8 мин / 8 min 64 16 мин 30 с / 16 min 30 sec 87,1
Схема проведенного эксперимента удовлетворяет условиям определения теплопроводности методом продольного теплового потока, следовательно, этим методом можно определить теплопроводность металлополимера, наполненного алюминием.
В проведенном ранее эксперименте мощность теплового потока 0 равнялась 75 Вт, площадь поперечного сечения Э - 400 мм2 (или 0,0004 м2), длина образца I - 20 мм (или 0,02 м). Разность температур указана в табл. 1. Зная значения переменных уравнения теплопроводности, определяем теплопроводность металлополимера, наполненного алюминием, например, в диапазоне времени между 30-й и 60-й секундами нагрева:
,, 75Втх0,02м „.„Вт
л = ---— = 3,13- .
0,0004м2Х(30-28,8) К м-°К
Полученное значение не позволяет сделать вывод о теплопровдности метал-лополимера, наполненного алюминием.
Для более тщательного анализа теплопроводность испытуемого материала определялась через каждые 30 секунд с момента начала эксперимента. Расчетные данные коэффициента теплопроводности А сведены в табл. 2.
Для более наглядного анализа полученных результатов на основе расчетных данных табл. 2 построен график теплопроводности металлополимера, наполненного алюминием, во времени, то есть с увеличением температуры (рис. 2).
Из графика, представленного на рис. 2, видно, что в первые 30 секунд эксперимента коэффициент теплопроводности имеет отрицательное значение. Это связано с тем, что в тридцатисекундный промежуток времени с момента начала эксперимента тепловая энергия не успела распространиться на противоположную грань образца, а разница температур объясняется погрешностью измерения. В начальный промежуток времени показатель теплопроводности стремится к нулю. 990-ую секунду измерения необходимо исключить из рас-
чета ввиду отсутствия следующего показа- полимера в промежутке времени от 30-й до теля. Для дальнейшего анализа использо- 960-й секунды измерения (рис. 3). вался график теплопроводности металло-
Таблица 2
Теплопроводность металлополимера, наполненного алюминием
Table 2
Thermal conductivity of aluminum filled metallopolymer_
Время нагрева, t, с / Heating period, t, sec T обр., °С / T sample, °С A Время нагрева, t, с / Heating period, t, sec T обр., °С / T sample, °С A
0 28,9 -37,50 510 65,5 1,79
30 28,8 3,13 540 67,6 3,12
60 30 1,88 570 68,8 1,79
90 32 1,63 600 70,9 2,34
120 34,3 1,14 630 72,5 2,50
150 37,6 1,25 660 74 2,21
180 40,6 1,25 690 75,7 2,50
210 43,6 1,56 720 77,2 3,12
240 46 1,21 750 78,4 2,21
270 49,1 1,63 780 80,1 3,75
300 51,4 1,56 810 81,1 3,41
330 53,8 1,44 840 82,2 2,88
360 56,4 2,21 870 83,5 3,75
390 58,1 1,79 900 84,5 3,75
420 60,2 1,63 930 85,5 4,69
450 62,5 2,50 960 86,3 4,69
480 64 2,50 990 87,1 -0,04
10,00
• ^ ü E
0,00
0
т 25 -10,00
-20,00
-30,00
-40,00
200
400
600
800
время, с / time, sec
1000
Рис. 2. Теплопроводность металлополимера с течением времени Fig. 2. Metallopolymer thermal conductivity in time
5,00 4,50 4,00 3,50 £ 3,00 I -£2,50
ё 5S < 2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0
200
400
600 800
время, с / time, sec
1000
Рис. 3. Теплопроводность металлополимера с 30-й по 960-ую секунду измерения Fig. 3. Metallopolymer thermal conductivity from 30 to 960 second of measurement
Из графика, представленного на рис. 3, видно, что среднее значение теплопроводности металлополимера с алюминиевым наполнителем соответствует значению 2,4 Вт/м°К.
Теплопроводность алюминия соответствует значению 202-236 Вт/м°К [6, с. 340], а полученное расчетное значение теплопроводности металлополимерно-го состава, наполненного алюминием, - 2,4 Вт/м°К. Разница очевидна: теплопроводность металла превосходит теплопроводность металлополимера в 91 раз.
В металлах основным передатчиком тепла являются свободные электроны. Вследствие движения свободных электронов происходит выравнивание температуры во всех точках нагревающегося или охлаждающегося тела металла. Такая разница в теплопроводности металла и металлополимера объясняется тем, что при наличии разного рода примесей теплопроводность металла резко снижается ввиду
увеличения структурных неоднородностей, которые приводят к рассеиванию электронов.
Полимерная эпоксидодиеновая композиция, являющаяся матрицей металло-полимера, также является диэлектриком. Согласно теории теплопроводности твердых тел, в диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается [7, с. 49], что объясняет положительный тренд графика, показанного на рис. 3.
Материалы с коэффициентом теплопроводности ниже 0,25 Вт/м°К обычно применяют для тепловой изоляции конструкций [8, с. 42; 9, с. 53]. Значение рассчитанного коэффициента теплопроводности металлополимера близко к значению коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов и резко отличается от теплопроводности чистых металлов.
Выводы
Полученные результаты позволяют сделать вывод о более низкой теплопроводности металлополимеров по сравнению с металлом. Это объясняется тем, что ме-таллополимер состоит из металла и примеси в виде диэлектрической матрицы, препятствующей движению свободных электронов. Низкая теплопроводность накладывает жесткие требования к конструированию системы охлаждения: каналы охлаждения в пресс-формах с металло-полимерными формообразующими следует располагать вблизи от формообразующей поверхности для лучшего отвода тепла. В производстве металлополимерных формообразующих для деталей типа «звездочка» авторы рекомендуют при проектировании системы охлаждения формообразующих пресс-формы назначать расстояние от стенки канала охлаждения до металлопо-лимерной формообразующей поверхности
с
в пределах 10 мм. Такого размера можно достичь на операциях механической обработки при выполнении каналов охлаждения в обойме пресс-формы. Это обеспечит максимальный теплоотвод при сохранении прочности конструкции комбинированной матрицы (пуансона) пресс-формы, состоящей из металлической обоймы и металло-полимерной формообразующей.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению от 27 октября 2015 г. № 14.577.21.0193 «Разработка роботизированного комплекса для реализации полномасштабных аддитивных технологий инновационных материалов, композитов, конструкций и сооружений».
Библиографический список
1. Першин Н.С., Чепчуров М.С. Изготовление формообразующих деталей пресс-форм из композиционных материалов // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2015. № 6. С. 76-81.
2. Бихлер М. Детали из пластмасс - отливать без дефектов. Гейдельберг: Цехнер. 1999. 110 с.
3. Филатов В.И., Корсаков В.И. Технологическая подготовка процессов формования изделий из пластмасс. Л.: Политехника, 1991. 352 с.
4. Металлополимеры «ЛЕО». М.: Изд-во «ЗАО Ме-таллополимерные материалы ЛЕО», 2013. 33 с.
5. Любимый Н.С., Чепчуров М.С. Влияние применения вакуумирования при отверждении металлопо-лимера на его теплопроводность // Междисциплинарные подходы в материаловедении и технологии. теория и практика: сб. тр. Всероссийского совещания заведующих кафедрами материаловедения и технологии материалов. Белгород: Изд-во БГТУ им.
B.Г. Шухова, 2015. С 7-14.
6. Бабичев Н.А., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. [и др.]. Физические величины. Справочник. М.: Энер-гоатомиздат, 1991. 1232 с.
7. Васильев В.В., Протасов В.В., Болотин В.В. [и др.]. Композиционные материалы. Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
8. Аниканова Т.В., Рахимбаев Ш.М. Погромский А.С. Влияние теплового пристенного слоя на теплопроводность пористы и зернистых материалов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 4.
C. 42-46.
9. Пучка О.В., Сергеев С.В. Вайсера С.С., Калашников Н.В. Высокоэффективные теплоизоляционные материалы на основе техногенного сырья // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С. 51-55.
References
1. Pershin N.S., Chepchurov M.S. Izgotovlenie formoobrazuyushchikh detalei press-form iz kompozitsionnykh materialov [Manufacturing of shaping mold parts from composite materials]. Vestnik Sibirskoi gosudarstvennoi avtomobil'no-dorozhnoi akademii [Bulletin of the Siberian State Automobile and Highway Academy]. 2015, no. 6, pp. 76-81. (In Russian)
2. Bikhler M. Detali iz plastmass - otlivat' bez defektov [Plastic parts - flawless casting]. Heidelberg, Speyer Publ., 1999, 110 p.
3. Filatov V.I., Korsakov V.I. Tekhnologicheskaya pod-gotovka protsessov formovaniya izdelii iz plastmass [Technological preparation of the processes of plastic part molding]. Leningrad, Politekhnika Publ., 1991, 352 p. (In Russian)
4. Metallopolimery "LEO" [Metallopolymers "LEO"]. Moscow, "ZAO Metallopolimernye materialy LEO" Publ., 2013, 33 p. (In Russian)
5. Lyubimyi N.S., Chepchurov M.S. Vliyanie primeneni-ya vakuumirovaniya pri otverzhdenii metallopolimera na
ego teploprovodnost' [The effect of degassing application under metallopolymer curing on its thermal conductivity]. Vserossiiskoe soveshchanie zaveduyushchikh kafedrami materialovedeniya i tekhnologii materialov "Mezhdistsiplinarnye podkhody v materialovedenii i tekhnologii. teoriya i praktika" [Proceedings of the All-Russia meeting of the heads of Materials Science and Materials Technology Departments "Interdisciplinary approaches in materials science and technology. Theory and practice"]. Belgorod, BGTU im. V.G. Shukhova Publ., 2015, pp. 7-14. (In Russian)
6. Babichev N.A., Babushkina N.A., Bratkovskii A.M. et al. Fizicheskie velichiny. Spravochnik. [Physical quantities. Reference book]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991, 1232 p. (In Russian)
7. Vasil'ev V.V., Protasov V.V., Bolotin V.V. et al. Kompozitsionnye materialy. Spravochnik [Composite Materials. Reference book]. Moscow, Mashinostroenie
Критерии авторства
Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов. Все авторы в равной степени ответственны при обнаружении плагиата.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 23.06.2016 г.
Publ., 1990, 512 p. (In Russian)
8. Anikanova T.V., Rakhimbaev Sh.M. Pogromskii A.S. Vliyanie teplovogo pristennogo sloya na teploprovodnost' poristy i zernistykh materialov [Thermal boundary layer influence on thermal conductivity of porous and granular materials]. Vestnik Belgorodskogo gosudar-stvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova [Bulletin of Shukhov Belgorod State Technological University]. 2015, no. 4, pp. 42-46. (In Russian)
9. Puchka O.V., Sergeev S.V. Vaisera S.S., Kalashni-kov N.V. Vysokoeffektivnye teploizo-lyatsionnye materialy na osnove tekhnogennogo syr'ya [High-performance thermal insulation materials on the basis of technogenic raw materials]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstven-nogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova [Bulletin of Shukhov Belgorod State Technological University]. 2013, no. 2, pp. 51-55. (In Russian)
Authorship criteria
The authors declare equal participation on obtaining and formalization of research results. Authors are equally responsible for the manuscript and for avoiding the plagiarism.
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.
The article was received 23 June 2016
