книги из ГПНТБ / Кан, К. Н. Оценка работоспособности полимерных компаундов

Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ДОМ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОПАГАНДЫ

УДК 678.69.002.61

К. H. KAH

ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ПОЛИМЕРНЫХ КОМПАУНДОВ

Серия — Пластмассы и их применение в промышленности

Ленинград

1974

£ -

ВВЕДЕНИЕ

директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану разви­

тия народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. предусматри­ вается увеличить объем производства полимерных материалов бо­

лее чем в два раза, обеспечить совершенствование научных основ

создания и использования полимерных материалов.

В последние годы широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в электротехнической и радиоэлектрон­

ной, получили полимерные компаунды, представляющие собой композиции на основе полимеров, олигомеров и мономеров. Они

предназначены для заливки и пропитки электро- и радиоэлёмен-

тов с целью их изоляции и герметизации. Наибольшее распространение получили компаунды на основе диановых эпоксидных смол,

однако все шире начинают применяться кремнийорганические ком;

паунды типа виксинтов, а также компаунды на основе углеводо-

ррдных олигомеров с концевыми функциональными группами.

''^Позволяя существенно упростить конструкцию и технологию из­

готовления электро- и радиотехнических изделий, полимерные ком­

паунды вместе с тем вызвали появление термоупругих (внутрен­ них, остаточных, технологических) напряжений в изоляционных и

герметизирующих слоях и давление на залитые элементы со сто­ роны компаунда. Причиной этого отрицательного эффекта являет­

ся высокое значение коэффициентов объемного_ТЁПДОвого_расщире-

ния (KTPφ--yыіолимерных компаундов шГс'рйвнспию со значения­ ми KTP у металлов, сплавов, керамики, стекла и других материа­

лов, из которых изготавливаются заливаемые элементы.

До недавнего времени оценка работоспособности литой герме­ тизирующей изоляции из полимерных компаундов производилась

только по электрической прочности-или-пиэлектрическим характе­

ристикам Однако*опыт эксплуатации самых различных залитых и

герметизированных изделий (трансформаторы, дроссели, микро­ модули, блоки резисторов, конДёнсаторов_щ. д.) показываетДчто те'рмоупругие напряжения в компаундах являются основной при­ чиной отказа этих изделий. В случае жестких компаундов термо­

упругие напряжения вызывают растрескивание изоляции, что озна-

чает полную потерю работоспособности изделия — катастрофиче­

ский отказ. ТГслучае же эластичных"компаундов даже небольшие

3

давления на такие элементы, как пермаллоевые и ферритовые сер­

дечники, вызывают «уход» эксплуатационных показателей изделия

за допустимые границы — параметрический отказ.

Теоретические и экспериментальные исследования термоупру­ гих напряжений в компаундах показывают, что их величины в од­ ном и том же изделии зависят у разных компаундов от следующих основных физико-механических характеристик: температуры стек-

лования, KTP, модуля упругости, коэффициента Пуассона, разру­

шающего напряжения при растяжении. Но даже имея весь ком­

плекс этих"характеристик, трудно оценить ожидаемую механиче­

скую работоспособность различных компаундов, так как она нахо­ дится в функциональной связи от всех пяти указанных характери­

стик. Поэтому ДЛЯ количественной оценки работоспособности KOMпаундов необходимо .иметь одно число — критерий работоспособ-

ности, рассчитываемый через основные характеристики.

Так как не для всех компаундов на практике имеются значения всех характеристик, то в брошюре даются несколько вариантов критериев работоспособности, для расчета которых требуется ин­

формация о компаундах различного содержания и объема. C по­

мощью критериев работоспособности можно осуществить правиль­

ный выбор компаунда для заданной цели, наметить пути разработ­ ки новых компаундов с повышенной работоспособностью.

ɪ. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПАУНДОВ

У полимерных компаундов четко выражены два состояния: сте­

клообразное и высокоэластическое. Границей между этими состоя­ ниями является температура стеклования Γcτ∙ Релаксационные яв­

ления, например ползучесть, проявляется заметно только в пере­

ходной области между стеклообразным и высокоэластическим со­

стоянием. При температурах, удаленных от температуры стекло­

вания на 20—30 градусов в обе стороны от нее, релаксационными

явлениями можно пренебречь, т. е. считать компаунды упругими

материалами.

также изменяется от значения μ≈0,33 в стеклообразном состоянии до значения μ≈ 0,45 в высокоэластическом состоянии.

Таким образом, свойства компаундов в стеклообразном и вы­

сокоэластическом состояниях резко отличаются.

4

В изделиях, в которых литая изоляция играет дополнительно

конструкционную роль механического остова, обеспечивающего монолитность, жесткость и прочность конструкции в целом, приме­

няются компаунды, находящиеся в рабочем диапазоне температур в стеклообразном состоянии. В радиоэлементах, включающих де­

тали с малой механической прочностью, применяются эластичные компаунды, находящиеся в высокоэластическом состоянии. Общая

прочность конструкции в этом случае обеспечивается специальны­

ми кожухами.

Положение температуры стеклования данного компаунда в ра­

бочем диапазоне температур определяет его конструкционные воз­

делена по температурной зависимости любой из характеристик,

однако наиболее точно она определяется по терморелаксационной

кающего в компаунде при его совместном охлаждении с металли­ ческой упругой рамкой терморелаксометра. TPX для ряда компа­

ундов представлены на рис. 3 и 4. График TPX строится в коорди­

натах о (напряжение в компаунде) — T (температура) и состоит из

двух прямых линий, соответствующих высокоэластическому и стек­

лообразному состояниям, соединяющихся криволинейным участ­ ком, соответствующим переходной области. Абсцисса точки пересе­

вается с осью абсцис, поэтому температуру стеклования следует

определять путем отыскания точки пересечения продолжения вто­

рого прямолинейного участка TPX с осью температур.

C помощью TPX можно сравнить склонность различных ком­

паундов к образованию остаточных напряжений по углу наклона прямолинейных участков TPX. Чем больше этот угол, тем боль­ шие значения напряжений можно ожидать. При сравнении компа­ ундов необходимо учитывать границы эксплуатационных темпера­

тур. Так, например, компаунд 5 (рис. 4) более склонен к образо­ ванию остаточных напряжений, чем компаунд 2, но рост напряже­

6

Рис. 3. Терморелаксационные характеристики эластичных компа­

ундов:

1 - виксинт к-68; 2-31-138ДФ; 3-30-429ДТФ; 4 — 32-110Б

Рис. 4. Сравнение компаундов с помощью TPX:

1 — КЭ-2; 2 — ЭКЗ-10; 3 — ЭЗК-1; 4 — ЭТ-50-65; 5 —30-429ДТФ; 6 — УІІ-529/11

изделий. Сравнение же компаунда 1 с компаундом 3 показывает,

что при меньшей Tct компаунд 3 при отрицательных температурах

дает большие значения напряжений.

II. ТЕРМОУПРУГИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В КОМПАУНДАХ

Расчет термоупругих напряжений в общем случае является

сложной и трудоемкой инженерной задачей, так как требуется

учитывать не только свойства компаундов, но и заливаемых эле­ ментов. Однако для оценочных целей можно ограничиться рассмо­

трением простейших случаев, когда упругой податливостью эле­ ментов можно пренебречь. Величины напряжений в этом случае по­ лучаются завышенными, т. е. ошибка расчета идет в запас проч­

ности компаунда.

Приведем без вывода значения термоупругих напряжений для

случаев, имеющих место при взаимодействии компаундов с жест­

кими элементами, выполненными, например, из металла.

1. Одноосное напряженное состояние. Этот случай реализуется

при заливке компаундов в трубки и в сквозные отверстия, стенки

которых были предварительно обработаны антиадгезивами. На­

пряжение в компаунде рассчитывается по формуле:

компаунда, нанесенных на поверхность элементов. Это наиболее

часто встречающийся на практике случай. Каждый элементарный

1 -H∙

где μ — коэффициент Пуассона компаунда.

8

При μ = 0,33 имеем: oɪ : σ2 : 03= 1 : 1,5 : 3,

т. е. трехосное напряженное состояние является наиболее опасным.

4. Давление на сферический элемент, окруженный толстым

слоем компаунда, имеет место при заливке радиодеталей в общем

блоке. Радиальное давление рассчитывается по формуле:

быть произведены ориентировочные расчеты термоупругих напря­ жений в компаундах, а также давление на залитые элементы.

III. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПАУНДОВ

В данном разделе приводятся значения характеристик, исполь­

зуемые при оценке механической работоспособности наиболее ши­

роко применяемых в электротехнике и радиоэлектронике марок компаундов. Все эти характеристики были определены в отрасле­

вой лаборатории Ленинградского института авиационного прибо­

ростроения.

расширения компаундов в стеклообразном и высокоэластическом

состояниях.

По данным табл. 3 установлены следующие корреляционные

зависимости между KTP и модулем упругости, а также между мо­

дулем упругости и разрушающим направлением.

1. Универсальная зависимость между а и Е. Принимались во

внимание все без исключения данные по а и £ табл. 3, т. е. отыс­

кивалась зависимость а—£ для компаундов самого различного

9