Теплопроводность дисперсно-наполненных полимерных материалов, обработанных комбинированным физическим полем
На правах рукописи
ПОПОВ Дмитрий Викторович
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ КОМБИНИРОВАННЫМ ФИЗИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
Специальность: 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая
теплотехника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2010
Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Мозговой Николай Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Кретинин Александр Валентинович;
кандидат технических наук, доцент
Шестакова Валентина Васильевна
Ведущая организация ГОУВПО “Воронежский государственный архитектурно-строительный университет”
Защита состоится 16 декабря 2010 г. в 1000 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Автореферат разослан « » ноября 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Бараков А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении охарактеризовано современное состояние вопроса создания дисперсно-наполненных полимерных материалов повышенной теплопроводности, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, раскрыты ее научная новизна и практическая значимость.
В первой главе диссертации на основании обзора научно-технической литературы дан анализ современного состояния проблемы получения полимерных материалов повышенной теплопроводности. Показано, что в производственных условиях в основном применяется способ повышения теплопроводности полимерных материалов путем введения в полимерную матрицу дисперсных металлических наполнителей. Однако этот способ недостаточно эффективен в плане повышения теплопроводности материала и сопровождается снижением механических характеристик. В известной степени более эффективным представляется способ воздействия на полимерную композицию в неотвержденном состоянии магнитным или электрическим полем.
На основе анализа данных из области физхимии, влияния различных физических полей на полимерные композиции в данной работе предлагается метод, в основу которого положен эффект от воздействия комбинированных физических полей на дисперсно-наполненную полимерную композицию в неотвержденном состоянии. За счет комбинированного воздействия термомагнитоультразвуковым, термомагнитовибрационным или термоэлектровибрационным полем в матрице полимера образуются стержневые структуры из плотноупакованных частиц наполнителя, способствующие повышению теплопроводности и прочности композиционного материала.
Во второй главе рассматривается механизм формирования теплопроводящей стержневой структуры из частиц дисперсного наполнителя под воздействием комбинированного физического поля (рис. 1).
Показано, что определяющее влияние на процесс формирования теплопроводящих стержневых структур в полимерной матрице оказывают напряженность поля, концентрация и дисперсность наполнителя.
1 2
Рис. 1. Микрофотография частиц наполнителя ПНК в композиции на основе смолы ЭДП.
1 – необработанная композиция;
2 – композиция, обработанная в термомагнитоультразвуковом поле (Н=16·104 А/м, частота 20 кГц).
Коэффициент теплопроводности обработанного в комбинированном физическом поле ДНПМ находится через термосопротивление при условии, что тепловой поток при прохождении через слой материала раздваивается: часть тепла идет через полимерную матрицу, а другая часть через стержни из контактирующих между собой частиц наполнителя, т.е.
(1)
где 
, 
и 
– соответственно термосопротивление ДНПМ, полимера и стержней; 
– коэффициент теплопроводности полимера; 
– толщина слоя.
Сложность расчета 
сводится к нахождению термосопротивления 
, основной вклад в которое вносят термосопротивления в зоне контакта частиц наполнителя, действие которых идентично удлинению стержней. Число контактных переходов легко находится по значению концентрации наполнителя.
Выделим в системе с дальним порядком элементарную ячейку в виде сферы (шара), находящейся в контакте с двумя другими сферами сверху и снизу.
Введем следующие допущения:
1) радиус круговой площадки контакта сфер 
задается;
2) на контактных площадках задан постоянный тепловой поток, одинаковый по величине и противоположный по знаку;
3) остальная поверхность шара адиабатна.
Стационарную задачу теплопроводности решаем в сферических координатах (r,, ), когда температурное поле Т не зависит от окружного угла, т.е. Т=Т(r, ). Область шара разбиваем на три области: области 1 и 3 конические, между которыми находится средняя часть шара 2. Области i определяются неравенствами
(2)
Здесь 
.
Уравнение теплопроводности представим в виде
(3)
Здесь температуры 
и 
- в областях верхнего 
и нижнего 
полярных конусов. В остальной части шара при 
температура 
соответствует средней его части 
между полярными конусами.
Граничные условия для уравнения (3) запишем в форме Неймана
(4)
На смежной границе верхнего и среднего конусов должны выполняться условия сопряжения между температурными полями 
и 
, которые выражаются в равенстве температур и тепловых потоков:
(5)
Аналогичные условия имеют место и на границе раздела областей 
и 
.
Если сделать замену переменной
(6)
то уравнение теплопроводности (3) примет форму
(7)
Граничные условия (4), (5) в новых переменных запишутся в виде
(8)
Задачу достаточно рассмотреть только для верхней части шара от его экватора при 
.
Затем используется метод быстрых рядов Фурье-Чернышева. Согласно этому методу 
по переменной можно представить следующими быстрыми рядами Фурье по синусам
(9)
(10)
(11)
В выражениях (9)-(11) все слагаемые перед рядами представляют собой граничные функции, обеспечивающие быструю сходимость этих рядов и возможность их двукратного почленного дифференцирования по переменной.
Неизвестные величины в (9) и (10), зависимые только от радиуса 
, находим, используя дифференциальное уравнение (7) и граничные условия (8). Подставив 
из (9), (10) в граничные условия в (8) для 
и 
, получим
(12)
Отсюда получаем следующие граничные условия
(13)
Также из граничных условий (8) будем иметь еще два уравнения
(14)
Путем подстановки 
из (9, 10) в уравнение теплопроводности (3), разложения полученного выражения в ряд Фурье по 
, интегрирования по переменной 
в пределах 
, умножения второго уравнения на 
и интегрирования по переменной 
в пределах 
, получим замкнутую систему дифференциальных уравнений второго порядка относительно 
.
Решение этих уравнений относительно 
дает
(15)
где 
– произвольные постоянные, которые находятся с помощью граничных условий (4).
После решения линейной системы подставим найденные 
в (15), полученные 
и 
из (13) в (9), (10), получим искомое решение задачи, позволяющее найти термосопротивление в зоне контакта шаров.
Графическая интерпретация температурного поля контактирующих шаров представлена на рис. 2.
Рис. 2. Графическое решение задачи для частного случая теплового контакта частиц наполнителя при N=1.
Полученное решение позволяет находить термосопротивление Rст и с помощью выражения (1) определять RДНПМ и в конечном счете прогнозировать величину коэффициента теплопроводности ДНПМ. Предлагаемая методика нахождения теплопроводности обработанных в комбинированных физических полях ДНПМ имеет перспективу к совершенствованию при условии разработки более близких к реальным моделей структурообразований из частиц наполнителя в полимерной матрице, получения данных по усилию прижима частиц между собой.
Третья глава посвящена описанию программы, методики, объектов исследований и установок для обработки образцов из ДНПМ в комбинированных физических полях, а также установки для исследования теплопроводности обработанных в комбинированных физических полях образцов.
Установка для обработки образцов в термомагнитоультразвуковом поле позволяла создавать магнитное поле напряженностью до 24·104 А/м, при ультразвуковом облучении с рабочей частотой до 22 кГц при температуре 60 С. На установке для термомагнитовибрационного воздействия на образцы частота колебаний составляла 18 Гц при напряженности магнитного поля до 24·104 А/м и температуре 60 С. При обработке образцов в термоэлектровибрационном поле напряженность электрического поля доводилась до 2270 В/см при частоте колебаний 18 Гц и температуре 60 С.
Для определения коэффициента теплопроводности обработанных в физических полях образцов использовался модернизированный вариант установки, в основу функционирования которой заложен метод двух температурно-временных интервалов. Для повышения тепловой активности, а следовательно и разрешающей способности установки, использовался теплоприемник, изготовленный из свинца.
На всех трех установках, применяемых для воздействия на ДНПМ физическими полями, в качестве образцов использовались полимерные композиции в неотвержденном состоянии, помещенные во фторопластовые кюветы. После обработки и отверждения получались полимерные прокладки диаметром 30 мм и толщиной 1 мм. Изготавливались также образцы в виде клеевых прослоек толщиной 0,5 – 1 мм, которые располагались между блоками диаметром 30 мм из стали 30.
Завершается глава анализом возможных источников погрешностей при определении коэффициентов теплопроводности образцов из ДНПМ. Средняя ошибка по отношению к среднеарифметическому не превышала 15%.
В четвертой главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований с анализом опытных данных. Отдельная серия опытов проводилась по исследованию зависимости теплопроводности ДНПМ от параметров комбинированных физических полей.
На рис.3 приведены кривые зависимости коэффициента теплопроводности полимерной прокладки из композиции ЭДП + ПЭПА + наполнитель ПНК, подвергнутой воздействию термомагнитоультразвукового поля, при температуре 60 С и ультразвуковом облучении с частотой 20 кГц, от напряженности постоянного магнитного поля при различной концентрации наполнителя.
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерной прокладки с порошком ПНК, обработанной в термомагнитноультразвуковом поле от напряженности магнитного поля при различной концентрации наполнителя по объему от полимера:
1 – 10%; 2 – 20%; 3 – 30%, 4 – 40 %. (Штрихпунктирная линия – данные при магнитной обработке для композиции с концентрацией 40 %, штриховая линия – расчетные данные по формуле (1)).
Из приведенных опытных данных видно, что теплопроводность ДНПМ растет с повышением напряженности магнитного поля, стабилизируясь при Н > 20·104 А/м. Увеличение концентрации наполнителя повышает теплопроводность, сохраняя тенденцию её роста с повышением Н. Наконец, обработка в комбинированном поле дает больший эффект роста по абсолютной величине по сравнению с воздействием только магнитным полем. Подобное повышение теплопроводности ДНПМ при обработке в комбинированном магнитном поле можно объяснить образованием стержневых структур из частиц наполнителя с более плотной упаковкой, чем только при магнитной обработке. Можно полагать, что ультразвуковое облучение способствует, как показал микроструктурный анализ, формированию более упорядоченной структуры полимерной основы композиции, что также способствует подъему теплопроводности ДНПМ. Приведенная на графике расчетная кривая показывает, несмотря на неопределенность ряда параметров, на удовлетворительную сходимость с опытными данными.
Испытания проводились также на установке, создающей магнитные и вибрационные поля при температуре 60 С. Механические колебания составляли 18 Гц с разовой продолжительностью 20–30 мин. Испытывались образцы из той же полимерной композиции.
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерной прокладки с порошком ПНК, обработанной в термомагнитновибрационном поле, от напряженности магнитного поля при различной концентрации наполнителя по объему от полимера: 1 – 10 %; 2 – 20 %; 3 – 30 %; 4 – 40 %.
На графиках рис. 4 видно, что подобная приведенная выше картина зависимости 
прослеживается и для полимерных прокладок при воздействии термомагнитовибрационного поля. Наблюдается некоторое снижение по асолютной величине значений коэффициентов теплопроводности в сравнении с данными, полученными при воздействии на образцы термомагнитоультразвуковым полем. Это можно, в частности, отнести за счет менее плотной упаковки частиц наполнителя.
Предлагаемые выше методы повышения теплопроводности ДНПМ имеют узкую область применения за счет ограниченного набора наполнителей ферромагнитной природы, обладающих, кстати, недостаточно высокой теплопроводностью. Более перспективным представляется использование в качестве наполнителей латунного и алюминиевого порошков.
Для реализации задачи применения указанных наполнителей предлагается обработка образцов из полимерных композиций в термоэлектровибрационном поле. В качестве наполнителя в полимерную матрицу вводились алюминиевая пудра дисперсностью 
1,3-1,5 мкм, та же алюминиевая пудра, подвергнутая обработке в растворителе, и латунный порошок с 
1,6 – 2 мкм. Концентрация наполнителя составляла 35 % по объему к смоле ЭДП с ПЭПА. Частота колебаний вибростенда доводилась до 20 Гц. Температура отверждения композиции составляла 60 С, время обработки 30 мин. Результаты исследований приведены на рис. 5.
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерной прокладки из ДНПМ, подвергнутой воздействию термоэлектровибрационного поля, от напряженности электрического поля для наполнителей: 1 – алюминиевая пудра; 2 – алюминиевая пудра, обработанная в растворителе; 3 – латунный порошок. Штриховая линия – обработка в электрическом поле.
Видно, что с повышением напряженности электрического поля растет коэффициент теплопроводности ДНПМ и особенно заметно для композиции с алюминиевой пудрой, обработанной растворителем. Рост теплопроводности образцов из ДНПМ также можно объяснить образованием стержневых структур из частиц наполнителя. При этом обработка в комбинированном поле более эффективна, чем только в электрическом поле. Такое повышение теплопроводности следует объяснить более плотной упаковкой частиц наполнителя при электровибрационном воздействии. Более высокая теплопроводность образцов с наполнителем из алюминиевой пудры, обработанной растворителем, объясняется удалением с поверхности частиц наполнителя малотеплопроводных пленок оксида 
.
Специальные экспериментальные исследования проведены по установлению зависимости теплопроводности ДНПМ от природы, концентрации и дисперсности наполнителей. Для сравнения с ранее приведенными данными опытов для композиций с наполнителем ПНК исследовались образцы из композиции с железным порошком ПЖВ. Приведенные на рис. 6 данные в сравнении с данными рис. 3 свидетельствуют о том, что для наполнителя ПЖВ при идентичных значениях напряженности магнитного поля и концентрации наполнителя теплопроводность ниже, чем для композиции, наполненной ПНК. Эти расхождения можно объяснить более высокой теплопроводностью ПНК. Из этого же графика видно, что повышение концентрации наполнителя для обработанных в комбинированных физических полях образцов сопровождается ростом теплопроводности.
Рис. 6. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерной прокладки с порошком ПЖВ, обработанной в термомагнитоультразвуковом поле от напряженности магнитного поля при различной концентрации наполнителя по объему от полимера: 1 – 10 %; 2 – 20 %; 3 – 40 %; 4 – 70 %; 5 – 80 %.
Это объясняется увеличением количества образовавшихся стержней из частиц наполнителя. Вместе с тем при высокой концентрации наполнителя дальнейшее ее повышение приводит даже к снижению теплопроводности ДНПМ (кривая 5 из рис. 6). Такого рода аномалии, очевидно, объясняются наступлением режима перенасыщения наполнителя, когда полимерное связующее не смачивает отдельные частицы наполнителя, что приводит к образованию малотеплопроводных газовых включений.
Влияние дисперсности наполнителя хорошо просматривается на графике рис. 7. Из расположения кривых зависимости 
видно, что с ростом размера частиц наполнителя повышается теплопроводность образцов, обработанных в термомагнитоультразвуковом поле. Особенно интенсивно растет теплопроводность для частиц с приведенным диаметром до 60 мкм. Дальнейшее повышение размера частиц мало влияет на теплопроводность образцов. Такого рода характер формирования теплофизических свойств образцов объясняется тем, что с увеличением массы частиц повышается сила их магнитного взаимодействия и они более плотно прилегают друг к другу и, во-вторых, за счет уменьшения числа микроконтактов снижается воздействие контактного термосопротивления на общую теплопроводность образцов.
Рис. 7. Зависимость коэффициента теплопроводности полимерной прокладки на основе смолы ЭДП с порошком ПНК концентрацией 20 % (1) и 30 % (2), обработанной в термомагнитоультразвуковом поле при напряженности магнитного поля 20104 А/м и частоте ультразвука 20 кГц, от приведенного диаметра частиц наполнителя.
Согласно механизму формирования теплопроводящих структур из частиц наполнителя в среде полимерной композиции под воздействием комбинированных физических полей можно утверждать, что заметную роль играет вязкость композиции. Для установления влияния вязкости полимерной композиции на формирование стержневых структур под действием физических полей проведены исследования на образцах из ЭДП + ПЭПА + ДБФ и наполнителя ПНК в количестве 30 % по объему при температуре 30С и 70С, подвергнутых обработке в термомагнитоультразвуковом поле. Результаты исследований приведены на рис. 8.
Рис. 8. Изменение коэффициента теплопроводности полимерной прокладки в процессе ее отверждения при температуре 30 С (1) и 70 С (2) при воздействии термомагнитоультразвуковым полем напряженностью 20104 А/м и частотой ультразвукового облучения 20 кГц.
Из рис. 8 видно, что при температуре 70 С, когда вязкость композиции в начальной стадии воздействия полем ниже, чем при температуре 30 С, скорость повышения теплопроводности выше и значение по абсолютной величине больше. Объяснить такой характер формирования можно тем, что при высокой вязкости композиции часть частиц наполнителя не участвует в образовании стержневых структур.
В современных теплонапряженных технических системах встречаются клеевые соединения. Условия эксплуатации таких систем часто требуют хорошей теплопроводности через клеевые прослойки при высокой прочности соединений. Проводились исследования на образцах с субстратом из стали 30 и адгезивом в виде ЭДП + ПЭПА, клеев ВК – 3 и К – 153. В качестве наполнителя вводился порошок ПНК в объеме 20 % от объема полимера. Обработка проводилась в термомагнитоультразвуковом поле. Данные по теплопроводности представлены в табл. 1.
Таблица 1
Зависимость коэффициента теплопроводности клеевых прослоек, подвергнутых воздействию термомагнитоультразвукового поля, от напряженности поля
| Материал клея (адгезив) | Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) при различной напряженности магнитного поля Н10-4, А/м | ||||
| 0 | 4 | 10 | 16 | 24 | |
| ЭДП + ПЭПА | 0,32 | 0,68 | 0,79 | 0,84 | 0,88 |
| ВК – 3 | 0,29 | 0,61 | 0,72 | 0,76 | 0,79 |
| К – 153 | 0,34 | 0,67 | 0,78 | 0,85 | 0,9 |
Из табл. 1 видно, что с повышением напряженности поля растет теплопроводность клеевой прослойки. Несколько выпадают, как и следовало ожидать, в сторону снижения данные для прослойки из высоковязкого клея ВК–3.
Кроме теплопроводности исследовалась также такая существенная для клеевых соединений характеристика, как прочность. На разрывной машине МИ – 20 испытывалась зависимость предела прочности при равномерном отрыве от концентрации наполнителя ПНК в композиции из смолы ЭДП при обработке в термомагнитоультразвуковом поле (табл. 2).
Таблица 2
Предел прочности на равномерный отрыв клеевых соединений с обработанными в термомагнитоультразвуковом поле и необработанными прослойками
| Состояние клеевой прослойки | Предел прочности при отрыве в (МПа) в зависимости от концентрации наполнителя ПНК, (%) | |||
| 0 | 20 | 40 | 60 | |
| Без обработки | 8,7 | 7,5 | 6,4 | 4,6 |
| Обработка в комбинированном поле при Н=12104 А/м | 10,1 | 8,9 | 8,1 | 7,8 |
Данные табл. 2 свидетельствуют, во-первых, о заметном снижении прочности клеевых соединений при увеличении концентрации вводимого в клей наполнителя и, во-вторых, о повышении прочности соединений на наполненных клеях с прослойками, подвергнутыми воздействию комбинированным физическим полем.
В завершение экспериментальной части работы приводятся практические рекомендации по повышению теплопроводности изделий из ДНПМ. Так, для улучшения теплоотвода из зоны резания в токарных резцах от режущих пластин на державку резца рекомендуется в процессе склеивания пластины с державкой резца на клее ВК – 3 с наполнителем ПНК проводить обработку в термомагнитоультразвуковом поле. Как показали специальные исследования температурных полей, наилучшие показатели по теплоотводу показали резцы с клеевой прослойкой, наполненной ПНК в объеме 40 % от полимера, подвергнутой воздействию термомагнитоультразвукового поля при температуре 60 С, напряженности магнитного поля 20·104 А/м и частоте облучения 20 кГц.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Выполненные в данной работе исследования позволили получить научно обоснованные выводы и рекомендации, направленные на решение вопросов создания дисперсно-наполненных полимеров повышенной теплопроводности.
1. Установлена возможность создания ДНПМ с коэффициентом теплопроводности более 1 Вт/(м·К) путем воздействия на полимерную композицию комбинированными физическими полями.
2. Разработана математическая модель процесса теплопроводности через ориентированные структуры из дисперсного наполнителя в полимерной матрице, полученные путем воздействия комбинированными физическими полями в процессе отверждения полимера.
3. Экспериментально установлено влияние параметров комбинированных физических полей на теплопроводность ДНПМ. Так, при обработке наполненной эпоксидной композиции термомагнитоультразвуковым полем увеличение напряженности магнитного поля с 0 до 27·104 А/м при ультразвуковом облучении с частотой 20 КГц повышает коэффициент теплопроводности композиции в 3 раза.
4. Экспериментально показано влияние природы, концентрации, дисперсности наполнителя и вязкости полимерной композиции на теплопроводность обработанных в комбинированных физических полях ДНПМ.
5. Экспериментальным путем установлена возможность повышения коэффициента теплопроводности наполненных клеевых прослоек в 2,5-3 раза и предела прочности клеевых соединений при равномерном отрыве более чем на 50 % при воздействии комбинированными физическими полями.
6. Разработанный метод получения ДНПМ повышенной теплопроводности может найти применение при создании теплонапряженных технических систем в авиационной и космической технике, радиоэлектронике, малой энергетике, металлообработке.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Мозговой Н.В. Влияние магнито-механического воздействия на теплопроводность дисперсно-наполненных полимерных материалов / Н.В. Мозговой, Д.В. Попов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т.3. № 6. – С. 21–23.
2. Мозговой Н.В. Теплопроводность дисперсно-наполненных полимерных материалов, обработанных в комбинированном физическом поле / Н.В. Мозговой, Д.В. Попов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т.4. № 12. – С. 7–9.
3. Мозговой Н.В. Тепловая проводимость модифицированных дисперсно-наполненных материалов / Н.В. Мозговой, Д.В. Попов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т.5. № 12. – С. 203–205.
Патенты:
4. Пат. 2327717 РФ, МПК С08L 63/00. Способ получения полимерных композиционных материалов / В.М. Попов, А.П. Новиков, И.Ю. Кондратенко, Д.В. Попов, И.И. Дрындин; 146711/04; заявл. 26.12.2006; опубл. 27.06.2008, Бюл. № 18. – 8 с.
5. Пат. РФ на п.м. 89758 МПК Н01F/13/00. Устройство для поляризации / В.М. Попов, А.В. Иванов, М.А. Шендриков, Н.В. Мозговой, Д.В. Попов, С.И. Мышьянов; По заявке № 149665/22; от 16.12.2008; опубл. 16.12.2009, Бюл. № 34. – 4 с.
Статьи и материалы конференций:
6. Попов Д.В. К созданию тонкослойных полимерных материалов с повышенной теплопроводностью и прочностью / Д.В. Попов, И.Г. Дроздов // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2004. – С. 46-47.
7. Попов Д.В. К созданию тонкослойных полимерных материалов повышенной теплопроводности и прочности / Д.В. Попов // XII Туполевские чтения: материалы Междунар. молодежной науч. конф. Казань: КГТУ, 2004. – С. 121-122.
8. Попов Д.В. К созданию полимерных материалов с повышенной теплопроводностью для теплонапряженных энергетических систем / Д.В. Попов, И.Г. Дроздов // Прикладные задачи электромеханики, энергетики и электроники: труды Всерос. студенческой науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2006. – С. 198-200.
9. Мозговой Н.В. К созданию клеевых соединений с повышенными физико-механическими свойствами / Н.В. Мозговой, Д.В. Попов // Авиакосмические технологии. АКТ–2007: труды VIII Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2007. – С. 104-106.
10. Мозговой Н.В. Технология создания соединений металлических конструкций с повышенными физико-механическими характеристиками / Н.В. Мозговой, Д.В. Попов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2008. – С. 144-146.
11. Мозговой Н.В. Создание дисперсно-наполненных полимерных материалов повышенной теплопроводности / Н.В. Мозговой, Д.В. Попов // Приоритетные направления развития науки и технологий: материалы Всерос. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2008. – С. 105-107.
12. Попов Д.В. Создание клеевых соединений с повышенными физико-механическими свойствами / Д.В. Попов // XVI Туполевские чтения: материалы Междунар. молодежной науч. конф. Казань: КГТУ, 2008. – С. 215-216.
13. Попов Д.В. К созданию полимерных композиционных материалов повышенной теплопроводности / Д.В. Попов, Н.В. Мозговой // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях: труды XVII школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева. Жуковский: МЭИ, 2009. Т. 1. – С. 225-227
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
– коэффициент теплопроводности, 
;
R – термическое сопротивление, 
;
Т – температура, К; t – время, с, ч;
– приведенный диаметр частицы наполнителя, мкм; С – концентрация наполнителя, %;
Н – напряженность магнитного поля, 
;
Е – напряженность электрического поля, 
;
– предел прочности клеевого соединения при отрыве, МПа;
x, y, z – декартовы координаты.
Подписано в печать 09.11.2010.
Формат 6084/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ №
ГОУВПО «Воронежский государственный технический
университет»
394026 Воронеж, Московский просп., 14
