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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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

 

пк 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

 

пкп

 

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