Теплопроводность тонкослойных полимерных материалов в условиях магнитной ориентации дисперсных ферромагнитных наполнителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Основные обозначения и размерности.

Введение.

Глава 1. Анализ состояния проблемы повышения теплопроводности полимерных материалов (ПМ). Цель и задачи исследования.

1.1. Современные представления о механизме переноса тепла в полимерах.

1.2. Анализ существующих методов повышения теплопроводности ПМ.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Разработка модели процесса формирования теплопроводящих структур в магнитообработанных тонкослойных полимерных материалах (ТПМ).

2.1. Природа процесса формирования проводящей структуры полимера с ферромагнитным наполнителем в постоянном магнитном поле.

2.2. Модель процесса теплопроводности ориентированных структур из ферромагнитного наполнителя в магнитообработанных ТПМ.

Глава 3. Экспериментальные методы и установки для магнитной обработки и определения коэффициента теплопроводности образцов из ТПМ.

3.1. Методика и установка для магнитной обработки образцов из ТПМ.

3.2. Методика и установка для определения коэффициента теплопроводности образцов из ТПМ.

3.3. Статистическая обработка результатов исследований и методика определения погрешностей.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований магнитообработанных ТПМ.

4.1. Зависимость теплопроводности ТПМ от напряженности магнитного поля.

4.2. Зависимость теплопроводности ТПМ от концентрации и дисперсности наполнителя.

4.3. Влияние магнитной обработки на физико-механические характеристики ТПМ.

Глава 5. Практическая реализация научных решений.

Актуальность темы. В процессе создания различных технических систем в авиации, космонавтике, радиоэлектронике, малой энергетике и других наукоемких отраслях используются тонкослойные полимерные материалы в виде прокладок, пленок, покрытий и клеевых прослоек.

Во многих случаях использование этих материалов ограничивается их низкой теплопроводностью. Это особенно характерно для систем, в которых имеет место теплообмен через ТПМ. Вследствие низкой теплопроводности ТПМ в зонах переходов возникают термические сопротивления, приводящие к увеличению общего температурного перепада в составных деталях и узлах. В конечном итоге эксплуатация подобных систем приводит к их перегреву и выходу из строя. Известный на сегодняшний день способ повышения теплопроводности полимерных материалов путем введения в полимерную матрицу наполнителей в виде металлических порошков зачастую не решает эту проблему. Во-первых, даже при высокой степени наполнения теплопроводность полимерного материала возрастает незначительно

Я < 0,6

Вт л и во - вторых, этот техм-К, нологический прием приводит к заметному снижению прочностных характеристик для клеевых соединений и покрытий, уменьшению модуля упругости прокладок и пленок, а также сопровождается увеличением веса изделий.

Решение проблемы повышения теплопроводности ТПМ может быть реализовано путем создания упорядоченных теплопроводящих структур в виде замкнутых цепочек из частиц наполнителя. Такие структуры могут быть получены в процессе обработки в постоянном магнитном поле изделий из ТПМ в виде полимерной композиции с ферромагнитным порошковым наполнителем в процессе ее отверждения.

Решение указанной проблемы осуществлялось автором в рамках выполнения работ по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма

Новые материалы», тема «Разработка технологии создания теплопроводных клеевых прослоек и пленок на основе полимеров» (номер государственной регистрации 07.02.006).

Цель и задачи исследования.

Разработка и обоснование метода создания тонкослойных полимерных материалов с повышенной теплопроводностью путем ориентации ферромагнитных дисперсных наполнителей в постоянном магнитном поле.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие научные и практические задачи:

- анализ существующих методов повышения теплопроводности полимерных материалов;

- разработка математической модели процесса теплопроводности в маг-нитообработанных ТПМ;

- экспериментальное исследование зависимости теплопроводности маг-нитообработанных ТПМ от напряженности поля, концентрации и дисперсности наполнителя;

- разработка практических рекомендаций по созданию ТПМ с заданными теплофизическими и механическими характеристиками.

Научная новизна работы.

1. Обоснована возможность создания теплопроводящих структур в массиве ТПМ путем обработки полимерных композиций с ферромагнитным порошковым наполнителем в постоянном магнитном поле.

2. Разработаны математическая модель и методика расчета теплопроводности в магнитообработанных ТПМ.

3. Экспериментально исследовано влияние напряженности магнитного поля, концентрации и дисперсности наполнителя на теплопроводность и прочность магнитообработанных ТПМ, позволяющее создавать ТПМ с заданными тепло-физическими и механическими характеристиками.

Указанные составляющие научной новизны являются положениями, выносимыми на защиту.

Практическая ценность и реализация результатов.

Приведенные в работе экспериментально-теоретические исследования позволяют производственникам:

1. Создать промышленный магнитообрабатывающий комплекс по изготовлению ТПМ с повышенной теплопроводностью.

2. Прогнозировать теплофизические и механические характеристики ТПМ при обработке их в магнитном поле в процессе отверждения полимерной композиции с ферромагнитным дисперсным наполнителем.

Результаты исследований получили внедрение при выполнении работ по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники», подпрограмма «Новые материалы».

Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры энергетики и гидравлики ВГЛТА. Теоретическая часть включена в программу курса «Теплотехника», читаемого для студентов специальностей АиАх и ТДО.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на III Российской национальной конференции по теплообмену (Москва,2002); научно-технической конференции «Перспективные полимерные материалы со специальными свойствами» (Волгоград, 2001); Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности лесозаготовок малолесных районов России» (Воронеж, 2001); Первой Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2002); «Третьем международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике (Казань, 2001). Тематика исследований входит в ежегодные планы научно- исследовательской работы кафедры энергетики и гидравлики Воронежской Государственной лесотехнической академии.

Краткое содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, поставлены основные цели и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, данные по апробации работы, кратко изложено содержание работы.

В первой главе приведен анализ современного состояния проблемы повышения теплопроводности полимерных материалов. Формулируется цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматривается физическая сторона процесса формирования проводящей структуры полимера с ферромагнитным наполнителем в постоянном магнитном поле. Приводится аналитическое решение задачи теплопроводности через магнитообработанные ТПМ с учетом воздействия термосопротивлений в зоне контактов частиц наполнителя между собой.

В третьей главе диссертации описываются разработанные методики и опытные установки по созданию магнитообработанных образцов из ТПМ и определению их теплопроводности в нестационарном тепловом режиме.

В четвертой главе работы экспериментально исследуется влияние напряженности магнитного поля, концентрации и дисперсности наполнителя на теплопроводность магнитообработанных ТПМ. На основе полученных экспериментальных данных выводятся корреляционные зависимости. На основе приведенных исследований предлагаются методы создания теплопроводных ТПМ путем применения комбинированных наполнителей и циклических воздействий магнитного поля.

В пятой главе приводится фрагмент практической реализации результатов работы.

Основные выводы и результаты

Конечные результаты выполненных исследований позволяют сформулировать следующее:

1. Установлена возможность создания ТПМ с повышенной теплопроводностью и оптимальными прочностными характеристиками путем обработки материалов из полимерной композиции с дисперсным ферромагнитным наполнителем в постоянном статическом магнитном поле.

2. Разработана математическая модель процесса теплопроводности через ориентированные структуры из дисперсного ферромагнитного наполнителя в ТПМ, полученные путем магнитной обработки в процессе отверждения полимера.

3. Путем экспериментальных исследований получены расчетные зависимости, описывающие влияние напряженности магнитного поля, концентрации и дисперсности наполнителя на теплопроводность магнитообработанных ТПМ.

4. Предложены новые технологические приемы повышения теплопроводности магнитообработанных ТПМ, заключающиеся в использовании многокомпонентных ферромагнитных и неферромагнитных дисперсных наполнителей и применении циклически воздействующего магнитного поля.

5. Разработанный в ходе реализации данной работы метод создания ТПМ с повышенными теплопроводностью и прочностью может найти широкое применение в радиоэлектронных приборах, аппаратах прямого преобразования энергии, термоэлектрических кондиционерах и других наукоемких отраслях техники.

1. Черкасова JI.H. Влияние структуры на теплопроводность полимеров // Журнал физической химии. 1959. -Т.ЗЗ.- №9.- С. 38 - 41.

2. Айерман К. Зависимость теплопроводности полимеров от их строения, температуры и предыстории // Химия и технология полимеров.- 1962.-№7.- С. 63 68.

3. Сивергин Ю.М., Билль B.C., Берлин А.А. О Теплопроводности и температуропроводности полиэфиракрилатов // Механика полимеров.- 1966. -№4.- С. 24 27.

4. Кириллов В.Н. Разработка методов определения и исследование теплофи-зических свойств полимерных материалов // Автореферат кандидатской диссертации. МИХМ. - 1970. - 27 с.

5. Новиченок Л.Н., Шульман З.П. Теплофизические свойства полимеров.-Минск.: Наука и техника. 1971. - 120 с.

6. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур //. В кн.: Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Химия.-1966.-С. 96- 102.

7. Канавец И.Ф., Лебедев А.И. О теплопроводности пластических масс. // Промышленность органической химии.- 1939.- №3.- С. 32 37.

8. Черкасова Л.Н. Метод определения теплопроводности диэлектриков. // Вестник электропромышленности.- 1957.- №6.- С. 36 38.

9. Новиченок Л.Н. Теплопроводность лакокрасочных покрытий. // Лакокрасочные материалы и их применение.- 1968.- №3.- С. 13-18.

10. Сухарева JI.А., Воронков В.А., Зубов П.И. Исследование влияния зародышей структурообразования на механические и теплофизические свойства полимерных покрытий. // Выкокомолекулярные соединения.- 1986.-Т.8.- №11.- С.38 40.

11. Гуль В.Е., Голубева М.Г. Исследование электропроводящих анизотропных металлонаполненных полимерных материалов. // Коллоидный журнал. 1976. - Т.24.- №1.- С.62 - 67.

12. Гуль В.Е., Туркова Н.Н., Голубева М.Г. Влияние статического магнитного поля на механические свойства полимеров. // Докл. АН СССР.- 1971.-Т.199. №1.- С. 135 - 137.

13. Гуль В.Е., Шенфиль JI.3. Электропроводящие полимерные композиции.-М.: Химия, 1984.- 240 с.

14. Рабкин А.И. Авторское свидетельство №1729.- 1936.

15. Нисихаси Минору. Способ получения рисунка в смоле с помощью магнитного поля. //Япон. Пат., кл. 25 №232, №5434.- 8.03.63.

16. Догадкин В.А., Печковская К.А. Химия эластомеров. // Труды 3й Всесоюзный конференции по коллоидной химии.- М.: изд. АН СССР, 1956.- С. 371 -373.

17. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М.: Химия, 1991.- 259 с.

18. Белоуров В.Н., Козлов Г.В., Микитаев А.К., Липатов Ю.С. Зацепления в стеклообразном состоянии линейных аморфных полимеров. // Докл. АН СССР, 1990.- Т.313. №3.-С. 630 - 633.

19. Козлов Г.В., Яновский Ю.Г., Микитаев А.К. Экспериментальная оценка фрактальной размерности поверхности наполнителя в дисперснонапол-ненных полимерных композитах. // Поверхность, 1999.- №8.- С.43 46.

20. Новиков В.И., Козлов Г.В. Структура и свойства полимеров в рамках фрактального подхода. // Успехи химии, 2000.- Т.69.- №6.- С. 572 599.

21. Козлов Г.В., Новиков В.И. Модель аморфного состояния полимеров. // Успехи физических наук, 2001.- Т. 171.- №7.- С. 717 -764.

22. Бозорт Р. Ферромагнетизм.- М.: Ин. лит., 1956 784 с.

23. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела.- М.: Мир, 1969.- 558 с.

24. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971.- 214 с.

25. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977.- 328 с.

26. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974.- 264 с.

27. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Машиностроение, 1966.- 275 с.

28. Boeschoten F., Van der Held E. The thermal conductance of contacts betnrecn aluminum and other metals. // Physica, 1957.- 23.- №1.- P. 37 44.

29. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей.- М.: Наука, 1970.- 226 с.

30. Годовский Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров. М.: Химия, 1976.- 216 с.

31. ЗЗ.Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. М.: Машгиз, 1962,- 276 с.

32. Медведев Н.Н. Дифференциальный метод определения теплофизических характеристик материалов. // Инженерно физический журнал.- 1968.-№2.-С. 168-171.

33. Вержинская А.Б. Исследование теплофизических характеристик материалов в форме пластин и покрытий методом источника постоянной мощности. // Инженерно физический журнал 1964.- Т.7.- №4.- С. 48 - 51.

34. Волькенштейн B.C., Медведев Н.Н. Определение теплопроводности весьма тонких слоев различных материалов. // Сб. «Тепло и массопере-нос».- Минск.- 1968.- Т.7.- С.141 - 143.

35. Волькенштейн B.C. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. JL: Энергия, 1971.- 145 с.

36. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. М.: Наука, 1980.- 326 с.

37. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.: Изд во стандартов, 1973.-316 с.

38. Попов В.М., Новиков А.П., Кондратенко И.Ю. Метод повышения теплопроводности тонкослойных полимерных материалов. // Материалы Третьей Российской национальной конференции по теплообмену.- М.: Т.7, 2002.-С. 224-225.

39. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. М.: Маш-гиз, 1962.-328 с.

40. Новопавловский В.С Вероятностная модель контактной проводимости наполненных полимеров при неплотной упаковке частиц наполнителя. // Инженерно-физический журнал.- 1977.- Т.32.- №1.- С.137 138.

41. Попов В.М., Атаманов С.Г., Новиков А.П., Кондратенко И.Ю. К вопросу формирования контактного термосопротивления в длительно нагружаемых соединениях. // Вестник ВГТУ, сер. Энергетика, 2001.- Вып.1 - С.

42. Натансон Э.М., Химченко Ю.И., Радкевич Л.С., Лысенко М.Г. Условия образования металлополимеров на основе эпоксидной смолы ЭД 5 и высокодисперсных железа, кобальта и никеля. // Коллоидный журнал, 1969,- Т. 31.- №5.- С. 726 - 729.

43. Тагер А.А. Физико химия полимеров.- М.: Химия, 1978.-544 с.

44. Муллер В.М. Связь между устойчивостью и потенциалом поверхности сферических коллоидных частиц. // Коллоидный журнал, 1969.- Т.З.1.-№4.- С.

45. Яхнин Е.Д., Авербах Э.И. Исследование контактного взаимодействия между твердыми частицами в условиях адсорбции на их поверхности молекул полимеров. // ДАН СССР, 1971.- Т. 198.- №6.- С. 1386 1388.

46. Соломко В.П., Нижник В.В. Влияние наполнителей на твердость и структурную упорядоченность полимеров. // Механика полимеров, 1986.- №6.-С. 1077- 1081.

47. Chen D.Y., Patel S.C., Shaw D.T. Effect of magnetic particle chain formation on the entrohy change in super paramagnetic Nan composite systems. // Magn. Mater., 1994.- T. 134.- №1.- pp. 75 78.

48. Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. М.: Химия, 1971.- 256 с.

49. Попов В.М., Меремьянин Ю.И. Влияние условий формирования клеевых соединений на их теплофизические свойства. // Механика полимеров, 1973.-№4.-С. 754-756.

50. Сухарева Л.А., Воронков В.А., Зубов П.И. Исследование теплофизиче-ских характеристик полимерных покрытий. // Инженерно физический журнал, 1965,- Т.9. - №2.- С. 156 - 158.

51. Зубов П.И., Сухарева Л.А., Смирнова Ю.П. Влияние внутренних напряжений на долговечность полимерных покрытий. // Доклады АН СССР, 1963. Т.150. - №2.- С. 238 - 241.

52. Гуль В.Е., Туркова Н.Н., Голубева М.Г. Об увеличении прочности метал-лонаполненных электропроводных полимерных пленок под влиянием статического магнитного поля. // Доклады АН СССР, 1971.- Т. 199.- С. 211 -214.

53. Кардашов Д.А. Синтетические клеи.- М.: Химия, 1976.- 592 с.

54. Фиговский О.А., Козлов В.В., Шолохова А.Б. Справочник по клеям и клеящим мастикам в строительстве.- М.: Стройиздат.- 1984.- 204 с.

55. Кардашов Д.А. Эпоксидные клеи.- М.: Химия, 1973.- 191 с.

56. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования.- J1.: Энергия, 1971.247 с.

57. Дульнев Г.Н. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре.- М.: Высшая школа, 1984.- 247 с.

58. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981.- 263 с.

59. МадхуСудана К.В., Флетчер JI.C. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия. // Аэрокосмическая техника, 1987.- №3.- С. 103 120.

60. Попов В.М., Новиков А.П., Журавец М.А. Повышение эффективности работы термоэлектрических кондиционеров для кабин лесозаготовительных машин. // Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж, 2001.- С. 22.

61. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Бараковский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.- М.: Наука, 1976.- 279 с.

62. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в технической технологии.- М.: Высшая школа, 1985.- 327 с.

63. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене.- М.: Изд-во иностр. лит., 1958.- 566 с.

64. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций." М.: Мир, 1978.- 312 с.

65. Кейгл Ч. Клеевые соединения.- М.: Мир, 1971.- 205 с.

66. Шестакова В.В. Основные факторы оказывающие влияние на теплопроводность клеевой прослойки в клеевых соединениях. // Теплоэнергетика.-Межвуз. сб. науч. тр.- Воронеж, 1993.- С. 52 57.

67. Попов В.М. Теплообмен через соединения на клеях. М.: Энергия, 1974.304 с.