CC BY
66
УДК 53.082.62
Д.С. Кацуба, С.О. Васильев, Савельев Д.Н., Н.Ф. Майникова
ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», Тамбов, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДИАНОВОЙ СМОЛЫ ЭД20
Работа посвящена исследованию температурных зависимостей теплопроводности композиционных материалов с помощью разработанной измерительной системы.
The workis dedicated tothe study ofthe temperature dependence ofthermal conductivity ofcomposite materials withthe help ofthe developedmeasuring system.
Материалы на основе эпоксидных олигомеров - эпоксиполимеры и композиты с эпоксиполимерной матрицей - обладают уникальным комплексом ценных технологических и эксплуатационных свойств. Высокая адгезия ко многим материалам, малая усадка в процессе отверждения, хорошие электроизоляционные свойства, химическая стойкость, высокая прочность, малая ползучесть под нагрузкой - все это обеспечивает их успешное использование в различных отраслях. Наиболее крупными отраслями-потребителями их являются электротехническая, электронная, радиотехническая, химическая промышленности, авиация, судостроение, машиностроение и строительство [1].
Мировое производство эпоксидных смол непрерывно растет, а области применения расширяются. Вполне естественно, что эти тенденции связаны с повышением интереса к физикохимии эпоксидных смол и эпоксиполимеров, прежде всего количественному описанию их структурной организации и ее связи со свойствами [2].
Модульная структура современных программно-технических средств в сочетании с принципами открытых вычислительных систем позволила создать измерительную систему (ИС) для исследования температурных зависимостей теплофизических характеристик материалов, в том числе и композиционных.
Измерительная система состоит из персонального компьютера (ПК), встраиваемой в компьютер измерительно-управляющей платы PCI-1202H, тепло-измерительной ячейки (ТИЯ), регулируемого блока питания (БП) (рис. 1).
Электронагреватель, входящий в состав ТИЯ, обеспечивает создание теплового воздействия на исследуемый образец, фиксирование температуры в заданных точках контроля термоэлектрическими преобразователями (ТП).
Мощность и длительность теплового воздействия встроенных в основание ТИЯ нагревателей (Н1) и (Н2) задаются программно через интерфейс (И), контроллер К1, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и БП.
Регулирующий сигнал поступает на вход операционного усилителя (ОУ), включенного по неинвертирующей схеме.
Рис.1. Структурная схема измерительной системы
Сигнал с выхода ОУ подается на базу силового транзистора. ОУ поддерживает напряжение на выходе БП, равное напряжению регулирующего сигнала.
Сигналы с ТП и БП поступают через мультиплексор (П), усилитель (У), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), буфер обмена (Б) и интерфейс (И) в персональный компьютер. Контроллер К2 обеспечивает необходимый порядок опроса каналов и различные диапазоны измерения на каждом из них. Сбор информации производится при нагреве исследуемого тела. Тепловая схема представлена на рис. 2.
Испытуемый образец 4 (в виде диска диаметром 15 мм с притертыми контактными поверхностями), пластина 2, контактная пластина 3 и стержень 5 разогреваются тепловым потоком 2(т), поступающим от основания 1. Боковые поверхности стержня 5, образца 4, пластин 2 и 3 адиабатически изолированы. Стержень 5 и контактная пластина 3 изготовлены из меди, обладающей высокой теплопроводностью, поэтому перепады температур на них незначительны.
Тепловой поток Qт (т), проходящий через среднее сечение пластины 2, частично поглощается ею и далее идет на разогрев пластины 3, образца 4 и стержня 5. Размеры системы выбраны таким образом, чтобы потоки тепла, аккумулируемые образцом и пластиной, были, по крайней мере, в 5 ^ 10 раз меньше, чем тепловые потоки, поглощаемые стержнем. В этом случае температурное поле об-
Рис. 2. Тепловая схема:
1 - основание (блок нагрева),
2 - пластина, 3 - пластина контактная, 4 - образец испытуемый, 5 - стержень
разца 4 и пластины 2 оказывается близким к линейному, стационарному. Все детали системы разогреваются с близкими скоростями.
Положенный в основу работы ИС метод монотонного режима позволяет в процессе одного эксперимента получить температурную зависимость теплопроводности X =<ДГ).
Проводились исследования температурных зависимостей теплопроводности для диановой смолы ЭД20, отвержденной ароматическим амином (2: 1), а также этого же полимера с наполнителями - оксидом алюминия Л1203, и ортосиликата ирридия 1гБЮ4 (72,1 %) в присутствии модификатора - тетробутоксититана (ТБТ) и без последнего (рис. 2).
Введение наполнителей или модификаторов в полимер влияет на теплопроводность, причем численное значение X композиционного материала будет определяться не только количеством введенной добавки, но и характером её взаимодействия с полимерной фазой [3].
X, Вт/(мК)
0,2 --------------------------------------------------------------
40 60 80 100 120 140 160 180 Т,°С
Рис. 2. Температурные зависимости теплопроводности (X, Вт/(мК)) для материалов:
1 - ЭД 20; 2 - ЭД 20+1г8Ю4+ТБТ; 3 - ЭД 20+1г8Ю4;
4 - ЭД 20+АЬОз+ТБТ; 5 - ЭД 20+АЬОз
Показано, что наполнение ЭД20 оксидом алюминия А1203 существенно повышает теплопроводность композиционного материала (в 3 раза) во всем исследуемом интервале температур (40 ^190 °С), фактически не меняя характера кривой. Применение в качестве наполнителя ортосиликата ирридия 1гБЮ4 также повышает теплопроводность отвержденной эпоксидной композиции (в 2 раза) в исследуемом интервале температур (40 ^ 180 °С). Введение в состав композиционных материалов тетробутоксититана в качестве модификатора существенного влияния на температурные зависимости теплопроводности не оказывает.
Библиографические ссылки:
1. Зайцев Ю.С., Кочергин Ю.С., Пактер М.К., Кучер Р.В. Эпоксидные олигомеры и клеевые композиции. Киев: Накова Думка, 1990. 200 с.
2. Чернин И.З., Смехов О.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. М.: Химия, 1982. 232 с.
3. Теплофизические и реологические характеристики полимеров. Справочник / Под. ред. Ю. С. Липатова. Киев: Наукова Думка, 1977. 244 с.
