Файл: Галушко, А. И. Внутренние напряжения в герметизирующих компаундах радиоэлектронной аппаратуры.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.11.2024
Просмотров: 41
Скачиваний: 0
Однако под воздействием влаги окружающей среды внутренние напряжения релаксируют быстрее и устано вившееся значение напряжения составляет всего лишь 50% от исходного значения (рис. 3.21). Объясняется это тем, что влага играет роль полярного пластификатора. Эффект релаксации напряжения зависит от констант влагопроницаемости и проявляется тем сильнее, чем тоньше слой компаунда и длительнее увлажнение.
4.Растрескивание компаундов
4.1.Причины растрескивания компаундов
вконструкциях РЭА
Растрескивание компаундов в конструкциях РЭА можно объяснить следующими причинами: 1) воздейст вием внешних статических и динамических 'нагрузок на
изделие; |
2) воздействием внутренних напряжений в ком |
||||
паундах |
(может |
происходить |
при |
хранении |
изделия |
в изотермических |
условиях и |
без |
теплового |
удара); |
3) воздействием температурных напряжений при тер моударах.
Первая из названных причин кажется очевидной. Поверочный расчет компаундов на воздействие внешних нагрузок может быть выполнен по известным соотноше ниям из теории сопротивления материалов и в данной книге не рассматривается.
Способность компаунда выдерживать внутренние напряжения и не растрескиваться в течение заданного срока службы и хранения назовем стойкостью компаун дов к растрескиванию. В настоящее время нет обще принятой методики оценки стойкости к растрескиванию, справочники не содержат сведений на этот счет. Ясно, что трещина в компаунде может появиться не раньше, чем внутренние напряжения превысят предел прочности компаунда (при условии, что другие причины растрески вания исключаются). Таким образом, одним из крите риев оценки стойкости компаундов к растрескиванию может быть отношение собственной прочности к вели чине внутренних напряжений. Подробнее этот критерий рассмотрен в гл. 5.
Третья из возможных причин растрескивания ком паундов связана с изменением свойств, происходящим
6* |
75 |
в компаунде, й возникновением темйературных напря жений при циклическом изменении температуры в про цессе испытаний или эксплуатации изделия. Свойство компаунда выдерживать воздействие резких смен тем пературы без растрескивания назовем стойкостью к тер моударам (СТУ). Следующий параграф посвящен рас смотрению методики определения СТУ и взаимосвязи СТУ с физико-механическими характеристиками ком паундов.
4.2.Стойкость компаундов к тепловым ударам
Температурные напряжения возникают при внезап ном охлаждении пли нагреве компаунда. Например, при охлаждении более теплые внутренние участки пре пятствуют свободному сокращению объема наружных слоев компаунда. В результате в поверхностном сло'е возникают напряжения растяжения.
При нагревании более холодные внутренние участки удерживают нагретые наружные слои, препятствуют их свободному расширению. В результате в поверхностном слое возникают напряжения сжатия. Как правило, ком паунды- в стеклообразном состоянии лучше выдерживают нагрузки на сжатие и значительно хуже выдерживают растягивающие нагрузки. Не удивительно поэтому, что при прочих равных условиях резкое охлаждение явля ется более жестким испытанием по сравнению с резким нагревом компаунда.
Для оценки СТУ неорганических стекол предложен
следующий критерий [36]: |
|
СТУ =(Jo/a£) Ѵ Щ , |
(4.1) |
где а — предел прочности на разрыв; а — температурный коэффициент линейного расширения; Е — модуль упру
гости; |
X— удельная теплопроводность; |
с —-удельная |
теплоемкость; р — плотность стекла. |
быть применен |
|
Этот критерий, по-видимому, может |
||
и для |
оценки СТУ компаундов. Анализ |
критерия (4.1) |
показывает, что для повышения СТУ целесообразно повышать механическую прочность и теплопроводность компаунда. Одновременно необходимо снижать ТКЛР, модуль упругости, удельную теплоемкость и плотность компаунда. Эти условия могут быть приняты за основу
,76
при разработке новых компаундов. Например, введе нием наполнителя можно достичь повышения а п Я и уменьшения а. Однако при этом возможны и нежела тельные изменения свойств: увеличение Е п р. Оконча тельный результат модификации предсказать заранее довольно трудно. Оценивая характер изменения свойств, входящих в критерий (4.1), в зависимости от содержа ния наполнителя, можно отметить, что при увеличении содержания наполнителя в компаунде его прочность изменяется по некоей колоколообразной кривой, т. е. однозначно не определяется. Температурный коэффи циент линейного расширения уменьшается, а модуль упругости и теплопроводность увеличиваются. Анализ свойств эпоксидных компаундов показывает, что некото рые компаунды с наполнителями имеют сходные по ве личине физико-механические и прочностные свойства. В таком случае критерием оценки компаунда для изде лия, подверженного термоударам, может быть величина теплопроводности. При прочих равных условиях ком паунды с более высокой теплопроводностью лучше про тивостоят тепловым ударам.
Компаунды с повышенной теплопроводностью пред почтительны также с точки зрения улучшения теплоот вода. В некоторых изделиях эта проблема стоит более остро, чем проблема растрескивания. Целесообразно подробнее остановиться на вопросах, связанных с опре делением теплопроводности компаундов и способами повышения их теплопроводности.
4.2.1. Способы повышения теплопроводности компаундов
Наиболее распространенным и технически доступным способом повышения теплопроводности компаундов является введение тепло проводных наполнителей неорганического происхождения. К их чис лу относятся минеральные наполнители, порошки металлов и окислов металлов. Для расчета теплопроводности компаундов с наполнителем Як предложена эмпирическая формула [37]:
Як—Яс ехр а-ѵ,
где Яс — теплопроводность компаунда без наполнителя; а — коэффи циент, зависящий от свойства наполнителя; ѵ — объемная доля на полнителя в компаунде.
Ясно, что теплопроводность компаунда не может быть больше теплопроводности наполнителя. Оценивая достоинства различных на полнителей, можно отметить, что о точки зрения повышения тепло проводности наиболее эффективны порошки металлов. Однако они значительно ухудшают электроизоляционные свойства компаундов и могут применяться в ограниченных количествах.
77
Компаунды с порошкам« окйслов металлов, в частности редко земельных, имеют более высокие элекроизоляционные свойства, чем компаунды с порошками металлов. Предельно допустимое количе ство окисного наполнителя ограничивается увеличением вязкости ком паунда и практически составляет не более 30% от веса смолы. На пример, введение 30% окиси гадолиния в эпоксидный компаунд по вышает его теплопроводность на 80%, в то время как его диэлектри ческая проницаемость увеличивается на 40% [38].
Из числа минеральных наполнителей чаще всего используется
пылевидный |
кварцевый песок. Теплопроводность кварца |
равна |
1,34 Вт/м ■К. Следовательно, теплопроводность компаундов |
с квар |
|
цевым песком |
может быть не более 1,34 Вт/м • К, тогда как |
тепло |
проводность эпоксидных компаундов без наполнителя составляет 0,18—Ъ,25 Вт/м • К. Кварц может быть введен в компаунд в количе ствах до 200 в. ч. на 100 в. ч. Теплопроводность такого компаунда составляет до 0,5—0,6 Вт/м • К, т. е. увеличивается приблизительно в два раза. Фактически с любыми видами наполнителей теплопро
водность жесткого компаунда с трудом может быть |
повышена до |
1— 1,5 Вт/м • К при сохранении электроизоляционных |
и технологиче |
ских свойств на приемлемом уровне. Зная теплопроводность ком паунда, можно сделать предположительные выводы о его стойкости к термоударам, однако формул для инженерного расчета пока не су ществует.
Поэтому на сегодняшний день практически единственным спосо бом определения этой важной эксплуатационной характеристики ком паундов является эксперимент. Для определения теплопроводности можно воспользоваться прибором типа А-26.
4.2.2. Методы определения стойкости компаундов к тепловым ударам
Разработчики и потребители компаундов не имеют четких кри териев оценки свойств компаундов, способных удовлетворять требо ваниям высокой стойкости к термоударам, и поэтому вынуждены под бирать нужные компаунды экспериментальным путем, зачастую на готовых изделиях.
При разработке и применении компаундов наиболее часто встают следующие задачи: 1) выбрать методику сравнительной оценки СТУ ряда компаундов; 2) экспериментально оценить СТУ компаундов; 3) оценить влияние отдельных компонентов компаундов и некоторых технологических факторов на величину СТУ. Ход решения этих задач можно рассмотреть на примере задачи о выборе рецептуры эпоксид ного компаунда с аминным отвердителем, пригодного для герметиза ции магнитопроводов магнитных усилителей и обладающего наивыс шей СТУ.
Анализ справочных данных показывает, что компаунды этого ти па, как правило, состоят из эпоксидной смолы пластификатора и отвердителя. Кроме того, в компаунд может быть добавлен напол нитель. Чаще всего употребляются такие компоненты: а) эпоксидные смолы марок ЭД-5 и ЭД-6; б) пластификаторы марок трикрезилфосфат (ТК.Ф), низкомолекулярная алифатическая смола ДЭГ-1, поли
эфир МГФ-9, |
карбоксилатный каучук СКД-5; в) отвердители марок |
||||
полиэтиленполиамин |
(ПЭПА )— гексаметилендиамин (ГМДА), |
три |
|||
этаноламин |
(ТЭА), |
низкомолекулярная |
полиамидная |
смола |
Л-20; |
г) наполнитель — пылевидный кварцевый |
песок (ПКП). |
После |
того |
78
как определился перечень компонентов, которые могут быть примене ны для составления нужного компаунда, необходимо спланировать эксперимент, экономичный по количеству последовательных компаун дов. Сложность экспериментальной части заключается в том, что при традиционной методике эксперимента для нахождения наиболее стой кой к термоударам композиции пришлось бы сравнить 2Х4Х4Х2 = = 64 рецептуры. Очевидно, такая работа была бы слишком длитель ной и трудоемкой.
Решение задачи можно значительно облегчить, если применить современные методы планирования эксперимента. Процесс поиска лучшей композиции оптимизирован с применением комбинаторных идей планирования эксперимента [39]. План эксперимента получен путем совмещения греко-латинского квадрата 4X4 с четырьмя орто
гональными |
матрицами |
типа |
22. План |
содержит всего |
16 |
рецептур |
|
компаундов |
(табл. 4.1). |
Его |
достоинства заключаются |
в |
том, |
что |
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
4.1 |
[60] |
|
Номер |
|
|
Компоненты компаунда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[компаунда |
Смола |
Отвердитель |
Пластификатор |
Наполнитель |
|||
|
|||||||
1 |
ЭД-5 |
ТЭА |
ТКФ |
|
пкп |
|
|
2 |
ЭД-6 |
Л-20 |
МГФ-9 |
|
пкп |
|
|
3 |
ЭД-5 |
ПЭПА |
СКД-5 |
|
- |
|
|
4 |
ЭД-6 |
|
ГМДА |
ДЭГ-1 |
|
— |
|
5 |
ЭД-5 |
ГІЭГІА |
МГФ-' |
|
пкп |
|
|
6 |
ЭД-6 |
ГМДА |
ТКФ |
|
п—к п |
|
|
7 |
ЭД-5 |
ТЭА |
ДЭГ-1 |
|
|
|
|
8 |
ЭД-6 |
Л-20 |
СКД-5 |
|
— |
|
|
9 |
ЭД-5 |
ГМДА |
СКД-5 |
|
пкп |
|
|
10 |
ЭД-6 |
ПЭПА |
ДЭГ-1 |
|
п—кп |
|
|
11 |
ЭД-5 |
Л-20 |
ТКФ |
|
|
|
|
12 |
ЭД-6 |
ТЭА |
МГФ-9 |
|
— |
|
|
13 |
ЭД-5 |
Л-20 |
ДЭГ-1 |
|
п к п |
|
|
44 |
|
|
|||||
15 |
ЭД-6 |
ТЭА |
СКД-5 |
|
пкп |
|
|
ЭД-5 |
ГМДА |
МГФ-9 |
|
— |
|
||
16 |
ЭД-6 |
ПЭПА |
ТКФ |
|
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
экспериментальные точки в области изучаемых рецептур распределе ны равномерно, т. е. все компоненты компаундов встречаются оди наково часто. Такое планирование можно считать оптимальным, по скольку априори не ясно, каким рецептурам отдать предпочтение. Кроме того, план дает возможность оценить, как в среднем влияет на СТУ каждый из компонентов компаунда. В каждый компаулд вводилось расчетное количество отвердителя. Пластификаторы вво дились из расчета 20 в. ч. на 100 в. ч. смолы. В компаунды с напол нителем вводился пылевидный кварцевый песок в количестве 100 в. ч. на 100 в. ч. смолы.
Для определения СТУ приняты два вида моделей: с шестигран ником (рис. 4.1) и со стержнями (рис. 4.2) По три модели каждого вида подвергались циклическому воздействию температур по про грамме: 223—338 К с выдержкой 3,6 J 103 с при каждой температуре. Визуальный контроль наличия повреждений производился после 1,
79