RU2599284C1 - Method of assessing lower temperature limit of mechanical operability of the articles made of polymer compounds - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: invention relates to the scope of an inquiry, wherein efficiency of the articles, sealed by polymer compounds, is evaluated, as well as of the reinforced articles made of polymer compounds, exposed to thermal strains in engineering, as well as during operation. Essentiality: probability of faultless operation at normal distribution of thermal strains and strength is determined by formula

where

is the average value of tensile strength;

is the average value of temperature voltage; $$S_{{\sigma }_P}$$

is mean-square deviation of tensile strength; $$S_{{\sigma }_T}$$

is mean-square deviation of temperature voltage; and lower temperature limit of mechanical operability is defined as the temperature at which the required probability of faultless operation is achieved.

EFFECT: improvement of assessment reliability of lower temperature limit of mechanical serviceability of the articles, sealed by polymer compounds, as well as of the reinforced articles made of polymer compounds, exposed to thermal strains.

1 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of research, which assesses the performance of products sealed with polymer compounds, as well as reinforced products of polymer compounds exposed to temperature stresses during their design, as well as during operation.

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.Metal parts in combination with polymer compounds have found widespread use of technological equipment when restoring worn parts, in protective coatings, in body parts, for sealing radio-technical products. Polymer compounds are multicomponent curable systems, including resin, hardener, filler, etc.

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.These materials are distinguished by simple shaping technology. One of the features of cured systems is the presence of shrinkage during curing and temperature changes. During cooling, at negative temperatures in the polymer element of the part with constrained deformations, temperature stresses arise. These stresses reach large values and can cause cracking, peeling, and leakage.

В связи с этим является важным определение нижней температурной границы механической работоспособности изделий из полимерных компаундов.In this regard, it is important to determine the lower temperature limit of the mechanical performance of products from polymer compounds.

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].A known method of determining the lower limit of the operating temperatures of silicone elastomers for the manufacture of electronic products, in which the assessment of the suitability of the silicone elastomer for the product, operating at low temperatures, is associated with the measurement of two parameters: thermal expansion coefficient and material hardness. Graphs of the dependence of these parameters on temperature, as well as on the rate of temperature change indicate the behavior of silicone elastomers in real operating conditions [1].

Этот метод определения нижней границы рабочих температур эластомеров не учитывает температурные напряжения и прочность материала, а также рассеяние этих характеристик.This method of determining the lower boundary of the working temperatures of elastomers does not take into account temperature stresses and material strength, as well as the dispersion of these characteristics.

Температурные напряжения могут быть определены расчетным или экспериментальным методами.Temperature stresses can be determined by calculation or experimental methods.

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.To assess the tendency of polymer compounds to form temperature stresses, a thermal relaxation characteristic is used. Thermal relaxation characteristic (TPX) is the temperature dependence of the voltage that occurs in the compound during joint thermal deformation of the system "compound - filled element". The experimental method for determining TPX is carried out under uniaxial tension. The device for removing TPX is called a thermal relaxometer [2, 3]. When determining the TPX of a number of samples of one compound, statistical characteristics of temperature stresses are obtained. TPX can also be determined by calculation.

Прочностные свойства полимерных компаундов оцениваются разрушающим напряжением при растяжении σ_р в зависимости от температуры.The strength properties of polymer compounds are evaluated by tensile stress tensile σ _p depending on temperature.

Механическая работоспособность материалов представляет собой способность не разрушаться под действием механических нагрузок при различных температурах.The mechanical performance of materials is the ability to not collapse under the influence of mechanical loads at various temperatures.

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.It is proposed to evaluate the lower temperature limit of the mechanical performance of products from polymer compounds by analyzing the overlap of the distribution densities of temperature stresses and strength. At the same time, the indicated evaluation of the product consists in the fact that a decrease in temperature causes an increase in temperature stresses in the product or its element, and when strength is reached, its operability is lost - destruction.

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.Factors determining the strength of the elements of the product are random variables, and, therefore, the strength will be a random variable. The temperature stresses arising in the product element also depend on many variables (elastic, deformation, dilatometric characteristics, etc.) that have variability or dispersion. The reasons for the scattering are differences in the structure of the sample material, the degree of its defectiveness, the difference in size, the accuracy of determination of the measured characteristics, the stability of the test conditions, etc. This leads to the fact that temperature stresses also become random variables. The normal distribution of random variables is applied in those cases when they depend on a large number of independent influences.

Типичная терморелаксационная характеристика σ_T=σ_T(T°C) и температурная зависимость прочности σ_P=σ_P(T°C) полимерных компаундов представлена на фиг. 1.A typical thermal relaxation characteristic σ _T = σ _T (T ° C) and temperature dependence of the strength σ _P = σ _P (T ° C) of polymer compounds are shown in FIG. one.

ТРХ представляет собой кривую, состоящую из двух участков. Участок при Т>T_c 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_c релаксационные процессы резко замедляются и происходит интенсивный рост напряжений.TPX is a curve consisting of two sections. The plot at T> T _c corresponds to a highly elastic state. At this stage, the increase in stress is accompanied by its rapid relaxation, therefore, the stress value in this section is small. When the glass transition temperature is reached at T <T _{c, the} relaxation processes sharply slow down and an intense increase in stresses occurs.

На фиг. 2 показано перекрытие распределений температурных напряжений в изделии ƒ_σ(σ_T) со средним значением σ_T(Т) и средним квадратическим отклонением $$S_{{\sigma }_T}(T),$$

а также прочности ƒ_σ(σ_P) со средним значением

и средним квадратическим отклонением $$S_{{\sigma }_P}(T).$$

In FIG. 2 shows the overlap of the temperature stress distributions in the product ƒ _σ (σ _T ) with the average value of σ _T (T) and the standard deviation $$S_{{\sigma }_T}(T),$$

and strength прочности _σ (σ _P ) with an average value

and standard deviation $$S_{{\sigma }_P}(T).$$

При температуре, близкой к точке пересечения ТРХ и температурной кривой прочности полимерных компаундов в зависимости от рассеяния этих характеристик, происходит потеря работоспособности - разрушение.At a temperature close to the intersection of the TPX and the temperature curve of the strength of polymer compounds, depending on the dispersion of these characteristics, a loss of performance occurs - destruction.

Нормальное распределение является наиболее часто используемой статистической моделью.Normal distribution is the most commonly used statistical model.

Вероятность безотказной работы определяется при нормальном распределении температурных напряжений и прочности [4, 5].The probability of failure-free operation is determined by the normal distribution of temperature stresses and strength [4, 5].

Выражая вероятность безотказной работы R через нормированную функцию нормального распределения, имеемExpressing the probability of uptime R through the normalized normal distribution function, we have

где

- среднее значение прочности при растяжении;Where

- the average value of tensile strength;

- среднее значение температурного напряжения;

- the average value of temperature stress;

$$S_{{\sigma }_P}$$

- среднее квадратическое отклонение прочности при растяжении; $$S_{{\sigma }_P}$$

- standard deviation of tensile strength;

$$S_{{\sigma }_T}$$

- среднее квадратическое отклонение температурного напряжения. $$S_{{\sigma }_T}$$

- the standard deviation of the temperature voltage.

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.Products for various purposes require a different level of uptime, an indicator of which is the probability of uptime. A series of calculations of the probability of failure-free operation is carried out at temperatures close to the intersection of the TPX and the temperature curve of the strength of polymer compounds. The temperature at which the required probability of failure-free operation is achieved is the lower temperature limit of the mechanical performance of products made of polymer compounds.

Источники информацииInformation sources

1. Кондратюк Р. Определение нижней границы рабочих температур силиконовых эластомеров для производства изделий электроники /Р. Кондратюк // Вектор высоких технологий. - 2013. - №4(4). - С. 52-57.1. Kondratyuk R. Determination of the lower limit of the operating temperatures of silicone elastomers for the production of electronics / R. Kondratyuk // Vector of high technologies. - 2013. - No. 4 (4). - S. 52-57.

2. Кан К.Н., Николаевич А.Ф., Шанников В.М. Механическая прочность эпоксидной изоляции. - Л.: Энергия, 1973, 152 с. 2. Kan K.N., Nikolaevich A.F., Shannikov V.M. The mechanical strength of epoxy insulation. - L .: Energy, 1973, 152 p.

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. 3. Kan K.N., Nikolaevich A.F., Slavyaninova E.L. Design and technology of sealing insulation of elements of electrical and electronic equipment. - L .: Energoizdat, 1983, 128 p.

4. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. Пер. с англ. / Под ред. И.А. Ушакова. - М.: Мир, 1980. - 604 с. 4. Kapoor K., Lumberson L. Reliability and system design. Per. from English / Ed. I.A. Ushakova. - M .: Mir, 1980 .-- 604 p.

5. Реутов А.И. Прогнозирование надежности строительных изделий из полимерных материалов: монография / А.И. Реутов. - М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2007. - 184 с. 5. Reutov A.I. Reliability forecasting of building products from polymeric materials: monograph / A.I. Reutov. - M .: LLC RIF "Building Materials", 2007. - 184 p.

Claims (1)

Способ оценки нижней температурной границы механической работоспособности изделий из полимерных компаундов, отличающийся тем, что определяется вероятность безотказной работы при нормальном распределении температурных напряжений и прочности по формуле

где

- среднее значение прочности при растяжении;

- среднее значение температурного напряжения;
$$S_{{\sigma }_P}$$

- среднее квадратическое отклонение прочности при растяжении;
$$S_{{\sigma }_T}$$

- среднее квадратическое отклонение температурного напряжения,
а нижнюю температурную границу механической работоспособности определяют как температуру, при которой достигнута требуемая вероятность безотказной работы. A method for assessing the lower temperature limit of the mechanical performance of products from polymer compounds, characterized in that the probability of failure-free operation is determined with a normal distribution of temperature stresses and strength according to the formula

Where

- the average value of tensile strength;

- the average value of temperature stress;
$$S_{{\sigma }_P}$$

- standard deviation of tensile strength;
$$S_{{\sigma }_T}$$

- the standard deviation of the temperature voltage,
and the lower temperature limit of mechanical performance is defined as the temperature at which the desired probability of failure-free operation is achieved.

Images