CC BY
39
УДК 678.644
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ* А. П. Новиков, В. М. Попов, И. Ю. Кондратенко, В. В.Шестакова, М. В. Ловчиков
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Клеевые соединения находят в настоящее время широкое применение в таких областях техники как авиастроение, космонавтика, малая энергетика, системы связи, машиностроение [1]. В процессе проектирования и эксплуатации технических систем с клеевыми соединениями, к последним зачастую предъявляется целый спектр требований, для реализации которых необходимо найти технологические решения. К таким требованиям относятся: повышенная прочность соединений, хорошая теплопроводность клеевых прослоек, пониженное электросопротивление и другие.
Ниже предлагается технологический прием, позволяющий создавать клеевые соединения с прослойками клея повышенной теплопроводности и требуемой прочности. В основу метода заложено введение в клеевую композицию дисперсного металлического наполнителя ферромагнитной природы, создание на основе полученной композиции клеевого соединения и воздействие постоянным магнитным полем на неотвер-жденную клеевую прослойку.
Исходя из результатов ранее проведенных исследований по влиянию магнитного поля на блочные полимеры [2], можно ожидать повышения прочности клеевых соединений за счет упорядочения структу-
ры полимерного компонента клеевой композиции.
Обработку образцов в магнитном поле проводили на установке [3, 4], схема которой приведена на рис. 1 .
Основным элементом установки является электромагнит, питаемый от источника напряжения. На обмотку катушки электромагнита подается ток силой до 12 А. Напряжение магнитного поля регулируется величиной тока и расстоянием между полюсами. Установка позволяет создавать магнитное поле напряженностью до 40^104 А/м. Для создания необходимого теплового режима в рабочей ячейке установки с образцом применялось специальное нагревательное устройство с универсальным источником питания. Информация о температурном режиме в рабочей ячейке поступала от двух хромель-копелевых термопар через потенциометр.
Магнитное поле, воздействуя на клеевую прослойку в неотвержденном состоянии, создает цепочечные структуры из частиц наполнителя, поднимая таким образом теплопроводность клеевой прослойки. О создании в клеевой прослойке, обработанной в магнитном поле, цепочечных структур из частиц наполнителя свидетельствует фотография, приведенная на рис. 2.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта №10-08-00087) 38 Лесотехнический журнал 4/2011
220 В
220 В
Рис. 1. Схема установки для обработки образцов с клеевыми прослойками в постоянном магнитном поле: 1 - обмотка электромагнита; 2 - подвижные башмаки электромагнита; 3 - нагревательное устройство; 4 - ярмо; 5 - блок питания; 6 - потенциометр; 7 - источник
питания нагревательного устройства
Исследовался предел прочности при сдвиге Г по методике, изложенной в справочнике [5]. Испытания предела прочности на сдвиг при сжатии проводились на машине РМ-05. Для испытаний использовались стандартные образцы из склеенных внахлестку пластин из стали Ст-3КП толщиной 4 мм, длиной 45 мм и шириной 43 мм. Пластины склеивались эпоксидным клеем на основе смолы ЭДП, отвердителя ПЭПА и пластификатора ДБФ с железным порошком ПЖВ в качестве наполнителя. В процессе исследований изменялись концентрация наполнителя С и напряженность магнитного поля Н. Полученные в процессе исследований результаты представлены на рис. 3.
Для исследования коэффициента теплопроводности X клеевых прослоек применялся метод двух температурно-временных интервалов [6], реализуемый на
а б
Рис. 2. Микрофотографии частиц наполнителя ПЖВ в клеевой композиции на основе смолы ЭДП: а - необработанная композиция; б - композиция, обработанная в магнитном поле напряженностью И=\6Л0А А/м. Концентрация наполнителя С=20 % от объема смолы
Таким образом, от воздействия магнитного поля на клеевую прослойку следует ожидать двойного эффекта, т.е. увеличения прочности и теплопроводности.
модернизированном варианте установки для скоростного определения коэффициента теплопроводности тонкослойных неметаллических материалов [7].
С,%
Рис. 3. Зависимость прочности клеевого
соединения на сдвиг с прослойкой из эпоксидного клея с наполнителем ПЖВ от напряженности магнитного поля и концентрации наполнителя
В качестве субстрата использовались блоки из стали 12Х18Н10Т. Толщина клеевой прослойки поддерживалась в пределах 0,5-0,6 мм. Отверждение клеевой прослойки осуществлялось при температуре 60 °С. Полученные в процессе исследований данные по зависимости коэффициента теплопроводности клеевой прослойки от напряженности магнитного поля и концентрации наполнителя представлены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности клеевой прослойки из эпоксидного клея с наполнителем ПЖВ от напряженности магнитного поля и концентрации наполнителя
Анализируя приведенные на рис. 3 и 4 данные опытов, можно утверждать, что предлагаемый технологический прием позволяет создавать клеевые соединения повышенной прочности и теплопроводности.
Не меньший интерес в научном и практическом плане вызывают вопросы снижения электросопротивления клеевых прослоек, а также повышения микротвердости полимера.
По стандартной методике находилось удельное электросопротивление в зависимости от напряженности магнитного поля при различной концентрации никелевого порошка марки ПНК. Полученные в процессе исследований результаты представлены в табл. 1.
Как следует из табл. 1, магнитное поле позволяет в значительных пределах варьировать величиной удельного электросопротивления.
Таблица 1
Зависимость удельного электросопротивления магнитообработанных образцов от напряженности поля при различной концентрации наполнителя в виде никелевого порошка ПНК
Концентрация наполнителя С, % Удельное электросопротивление , Ом-см при напряженности магнитного поля Н^10-4 , А/м
0,5 2 4 \0 \2 27
\0 2,\ \,2 0,8 0,6 0,5 0,5
30 \,7 0,8 0,6 0,45 0,4 0,4
50 \,2 0,7 0,5 0,4 0,36 0,35
Природа механизма снижения электросопротивления с увеличением напряженности магнитного поля аналогична природе повышения теплопроводности магнитообработанных клеевых прослоек с ферромагнитным дисперсным наполнителем. В данном случае образование цепочных структур из частиц наполнителя снижает контактное электро- и термосопро-
тивления [8].
Для исследования влияния постоянного магнитного поля на микротвердость отвержденных клеевых композиций ЭДП+ПЭПА, К-153 и ВК-9 использовался прибор ПМТ-3. Полученные в процессе исследований данные опытов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Зависимость микротвердости образцов от напряженности магнитного поля при различной
концент рации наполнителя ПЖВ
Напряженность магнитного поля Н-10-4 , А/м Объемная концентрация наполнителя С, % Микротвердость о, кгс/мм2 для полимерной композиции
ЭДП+ПЭПА К-\53 ВК-9
0 0 \0,55 \\,2 7,2
0 30 9,3 9,\ 5,2
0 50 8,8 8,0 4,7
24 0 \3,\ \4,5 \\,4
24 30 \\,3 \\,3 9,3
24 50 \0,4 9,6 8,4
Из табл. 2 видно, что для наполненных клеевых композиций различной природы воздействие постоянным магнитным полем приводит к повышению их микротвердости. Этот эффект, как и для полученных данных по прочности магнитообработан-ных клеевых соединений, связан с перестройкой микроструктуры полимерного компонента клеев в сторону упорядочения.
В заключение следует отметить, что предлагаемая технология модифицирования полимерных клеев магнитным полем имеет перспективу широкого внедрения в производство в различных областях техники.
Библиографический список
1. Кейгл Ч. Клеевые соединения / М.: Мир, 1971. 205 с.
2. Молчанов Ю.М., Кисис Э.Р., Родин Ю.П. Структурные изменения полимерных материалов в магнитном поле // Механика полимеров. 1973. №4. С. 737-738.
3. Попов В.М., Новиков А.П., Кондратенко И.Ю. Метод повышения теплопроводности тонкослойных полимерных материалов // Матер. III Российской наци-он. конф. по теплообмену. М.: МЭИ, 2002.-Т.7. С. 224-225.
4. Попов В.М., Новиков А.П. К вопросу о теплопроводности полимеров, подвергнутых воздействию постоянным магнитным полем // Вестник Воронежско-
го государственного технического университета. 2011. Т. 7, № 2. С. 45-47.
5. Фиговский О.А., Козлов ВВ., Шолохов А.Б. Справочник по клеям и клеящим мастикам в строительстве / М.: Стройиздат, 1984. 204 с.
6. Волькенштейн В.С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов / Л.: Энергия, 1971. 145 с.
7. Попов В.М. Теплообмен через соединения на клеях / М.: Энергия, 1974. 304 с.
8. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений / М.: Энергия, 1971. 214 с.
