СПОСОБ ОЦЕНКИ НИЖНЕЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ГРАНИЦЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПАУНДОВ
METHOD OF ASSESSING LOWER TEMPERATURE LIMIT OF MECHANICAL OPERABILITY OF THE ARTICLES MADE OF POLYMER COMPOUNDS

Изобретение относится к области исследований, в которых оценивается работоспособность изделий, герметизированных полимерными компаундами, а также армированных изделий из полимерных компаундов, подвергающихся воздействию температурных напряжений при их проектировании, а также в процессе эксплуатации.
Металлические детали в сочетании с полимерными компаундами нашли широкое применение технологической оснастке, при восстановлении изношенных деталей, в защитных покрытиях, в корпусных деталях, для герметизации радиотехнических изделий. Полимерные компаунды представляют собой многокомпонентные отверждающиеся системы, включающие смолу, отвердитель, наполнитель и т.д.
Эти материалы отличаются простой технологией формообразования. Одной из особенностей отверждающихся систем является наличие усадки в процессе отверждения и изменения температуры. При охлаждении, при отрицательных температурах в полимерном элементе детали при стесненных деформациях возникают температурные напряжения. Эти напряжения достигают больших значений и могут вызвать растрескивание, отслаивание, нарушение герметичности.
В связи с этим является важным определение нижней температурной границы механической работоспособности изделий из полимерных компаундов.
Известен способ определения нижней границы рабочих температур силиконовых эластомеров для производства изделий электроники, при котором оценка пригодности силиконового эластомера для изделия, эксплуатирующегося при низких температурах, связана с измерением двух параметров: ТКЛР и твердости материала. Графики зависимости данных параметров от температуры, а также от скорости изменения температуры свидетельствуют о поведении силиконовых эластомеров в реальных условиях эксплуатации [1].
Этот метод определения нижней границы рабочих температур эластомеров не учитывает температурные напряжения и прочность материала, а также рассеяние этих характеристик.
Температурные напряжения могут быть определены расчетным или экспериментальным методами.
Для оценки склонности полимерных компаундов к образованию температурных напряжений используется терморелаксационная характеристика. Терморелаксационной характеристикой (ТРХ) называется температурная зависимость напряжения, возникающего в компаунде при совместной тепловой деформации системы «компаунд - залитый элемент». Экспериментальным методом определение ТРХ проводится при одноосном растяжении. Прибор для снятия ТРХ называется терморелаксометром [2, 3]. При определении ТРХ ряда образцов одного компаунда получают статистические характеристики температурных напряжений. ТРХ может быть определена и расчетным путем.
р
Прочностные свойства полимерных компаундов оцениваются разрушающим напряжением при растяжении σ в зависимости от температуры.
Механическая работоспособность материалов представляет собой способность не разрушаться под действием механических нагрузок при различных температурах.
Предложено производить оценку нижней температурной границы механической работоспособности изделий из полимерных компаундов путем анализа перекрытии плотностей распределения температурных напряжений и прочности. При этом указанная оценка изделия заключается в том, что понижение температуры вызывает рост температурных напряжений в изделии или его элементе и при достижении прочности наступает потеря его работоспособности - разрушение.
Факторы, определяющие прочность элементов изделия, являются случайными переменными, а, следовательно, и прочность будет случайной переменной. Температурные напряжения, возникающие в элементе изделия, также зависят от многих переменных (упругих, деформационных, дилатометрических характеристик и др.), обладающих изменчивостью или рассеиванием. Причинами рассеяния являются различия в структуре материала образца, степень его дефектности, различие в размерах, точность определения измеряемых характеристик, стабильность условий испытания и т.д. Это приводит к тому, что температурные напряжения также становятся случайными переменными. Нормальное распределение случайных величин применяется в тех случаях, когда они зависят от большого числа независимых воздействий.
T
T
P
P
Типичная терморелаксационная характеристика σ=σ(T°C) и температурная зависимость прочности σ=σ(T°C) полимерных компаундов представлена на фиг. 1.
c
c
ТРХ представляет собой кривую, состоящую из двух участков. Участок при Т>T соответствует высокоэластичному состоянию. На этой стадии рост напряжения сопровождается его быстрой релаксацией, поэтому значение напряжения на этом участке невелики. При достижении температуры стеклования при Т<T релаксационные процессы резко замедляются и происходит интенсивный рост напряжений.
σ
T
T
σ
P
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>P</mi></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo></mrow>
На фиг. 2 показано перекрытие распределений температурных напряжений в изделии ƒ(σ) со средним значением σ(Т) и средним квадратическим отклонением
а также прочности ƒ(σ) со средним значением  и средним квадратическим отклонением
При температуре, близкой к точке пересечения ТРХ и температурной кривой прочности полимерных компаундов в зависимости от рассеяния этих характеристик, происходит потеря работоспособности - разрушение.
Нормальное распределение является наиболее часто используемой статистической моделью.
Вероятность безотказной работы определяется при нормальном распределении температурных напряжений и прочности [4, 5].
Выражая вероятность безотказной работы R через нормированную функцию нормального распределения, имеем
где  - среднее значение прочности при растяжении;
- среднее значение температурного напряжения;
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>P</mi></msub></mrow></msub></mrow>
- среднее квадратическое отклонение прочности при растяжении;
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
- среднее квадратическое отклонение температурного напряжения.
Изделия различного назначения требуют разного уровня безотказности, показателем которой является вероятность безотказной работы. Проводится ряд вычислений вероятности безотказной работы при температурах, близких к точке пересечения ТРХ и температурной кривой прочности полимерных компаундов. Температура, при которой достигнута требуемая вероятность безотказной работы, является нижней температурной границей механической работоспособности изделий из полимерных компаундов.
Источники информации
1. Кондратюк Р. Определение нижней границы рабочих температур силиконовых эластомеров для производства изделий электроники /Р. Кондратюк // Вектор высоких технологий. - 2013. - №4(4). - С. 52-57.
2. Кан К.Н., Николаевич А.Ф., Шанников В.М. Механическая прочность эпоксидной изоляции. - Л.: Энергия, 1973, 152 с.
3. Кан К.Н., Николаевич А.Ф., Славянинова Е.Л. Проектирование и технология герметизирующей изоляции элементов электротехнической и электронной аппаратуры. - Л.: Энергоиздат, 1983, 128 с.
4. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. Пер. с англ. / Под ред. И.А. Ушакова. - М.: Мир, 1980. - 604 с.
5. Реутов А.И. Прогнозирование надежности строительных изделий из полимерных материалов: монография / А.И. Реутов. - М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2007. - 184 с.