автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Теплофизический метод исследования структурных изменений в полимерных материалах

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И ПЕРЕНОСЕ В ПОЛ1ШРАХ.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ Ш.

1.1. Обзор модельных представлений о структуре полимеров и процессах переноса в них.

1.2. Обзор методов измерения теплофизических характеристик полимерных материалов.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПИИ ТЕШЕРДОТОПРОВОД-НОСТИ'ОДНООСНО ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК.

2.1. Постановка задачи, разработка методики.

2.2. Экспериментальная установка.

2.2.1. Измерительная ячейка

2.2.2. Электрическая схема.

2.2.3. Тарировка и калибровка установки.

2.2.4. Методика проведения эксперимента.3?

2.3.Анализ погрешностей эксперимента

2.3.1. Погрешность от немгновенности импульса тепла.

2.3.2. Погрешность, возникающая вследствие конечности размеров образца.

2.3.3. Лучистый и конвективный теплообмен. 40 2.3.4. Контактное термическое сопротивление и его влияние на определение коэффициента температуропроводности.

2.3.5. Погрешность, возникающая вследствие неравномерности распределения температуры по толщине образца.

2.3.6. Возмущение, вносимое датчиком температуры в температурное поле пластины.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ сКСПЕРШШТМШОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

АНИЗОТРОПИИ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК, а ТАШКЕ НЕКОТОРЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

3.1. Исследованные образцы.

3.1Л. Полиэтилентерефталат.

3.1.2. Полипропилен.

3.1.3. Поликарбонат.

3.1.4. Полищид.

3.1.5. Композиционные материалы.

3.1.6. Пластины монокристаллического кремния.

3.2. Результаты экспериментов.

3.2.1. Полиэтилентерефталат.

3.2.2. Полипропилен.

3.2.3. Поликарбонат.

3.2.4. Композиционные материалы.

3.2.5. Монокристалл кремния.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И СОПОСТАВЛЕНИЕ ИХ С ДРУГИМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ПОЛИМЕРОВ

4.1. Особенности строения полимеров.

4.2. Полиэтилентерефталат.

4.3. Полипропилен.ЮО

4.4. Поликарбонат.

4.5. Композиционные материалы.

4.6. Пластины монокристалла кремния.

ВЫВОДЫ.

Одной из основных задач народного хозяйства СССР в Х1-ой пятилетке является создание новых конструкционных материалов и повышение качества выпускаемых изделий.

Полимеры занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов машиностроения, Потребление их в этой отрасли становится соизмеримым с потреблением стали. Целесообразность использования полимеров в машиностроении определяется прежде всего возможностью удешевления продукции. При этом улучшаются также важнейшие технико-экономические параметры машин - уменьшается масса, повышается долговечность, надежность и др. Из полимеров изготавливают зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, трубы, болты, гайки, широкий ассортимент технологической оснастки.

Работоспособность полимерных материалов и область их использования во .многом определяются физико - механическими, в том числе теплофизическими свойствами, которые зависят как от природы самого полимера, так и от его структуры (ориентация молекул или их разрыв, степень кристалличности, образование микротрещин, переход из одной кристаллической модификации в другую), которая формируется в изделиях при их получении. Для определения областей возможного использования полимеров необходимо комплексное исследование различных свойств в зависимости от структурных изменений, имеющих место при переработке полимера в изделие, для установления корреляции между ними.

В настоящее время существует ограниченное количество работ, посвященных исследованию теплофизических свойств пленочных материалов, существующие же контактные методы исследования ТФХ не отвечают требованиям практики по ряду причин. Во-первых, с помощью контактных методов нельзя с достаточной точностью определить изменение ТЖ пленочных материалов, вызываемое структурными превращениями, вследствие соизмеримости термического сопротивления контакта и образца. Во-вторых, традиционные контакные методы не позволяют определить анизотропию теплопроводности, свойственную тонким пленкам, полученным различными способами. Анизотропность же пленок не всегда является положительным фактором - в некоторых случаях (например, визикулярная пленка для производства микрофи -шей) требуется получение полностью изотропных пленок.

Кроме того, свойства тела в монолите и в тонком слое могут различаться из-за изменений в структуре вещества. Следовательно, новый метод исследования ФШХ может стать и методом исследования структурных изменений в веществе при переходе его от монолита к тонкой пленке.

Таким образом, актуальность разработки нового метода определения ТФХ пленочных материалов обусловлена не только необходимостью знания численных значений этих величин, но и возможностью с его помощью исследовать структурные изменения, происходящие в веществе при переходе из монолита в тонкую пленку.

Целью работы является:

1. Создание теоретических основ метода, а также экспериментальных методики и установки для определения температуропроводности тонких пленок.

2. Использование разработанной методики и установки для определения структурных изменений в полимерах, происходящих при переработке его в изделие

3. Исследование анизотропии температуропроводности одноосно ориентированных полимерных пленок, а также тепло- и температуропроводности наполненных полимеров.

4. Сопоставление различных свойств полимерных материалов для установления корреляции между ними.

5. Исследование анизотропии температуропроводности тонкой пластины монокристалла кремния.

На защиту выносится:

1. Метод и устройство для определения анизотропных тепловых свойств тонких пленок.

2. Результаты экспериментального исследования зависимости тепло- и температуропроводности от различных факторов:

- степени вытяжки (для одноосно ориентированных полимерных пленок) ;

- содержания наполнителя (для композиционных материалов) ;

- состояния поверхности (для монокристаллического кремния).

3. Результаты сопоставления различных свойств исследованных материалов.

Автор выражает глубокую благодарность д.ф.-м.н.,профессору Гухману А.А., осуществлявшему научное консультирование по вопросам теплопереноса. pC^Ui- ; (I.I)

ВЫВОДЫ

1. При переходе материала из монолита в тонкую пленку в полимерах происходят процессы с формированием различных физических состояний (аморфное, ориентированное, кристаллическое), регистрация которых в промышленных условиях должна проводиться быстро и надежно без разрушения изделия. Существующие методы определения структурных изменений в полимерах при одноосной ориентации не удовлетворяют этим требованиям. Разработанный теплофизический метод исследования изменения структуры полимера позволяет быстро и надежно определить эти изменения.

2. В качестве теплофизического метода исследования структуры выбран метод мгновенного источника тепла. Возникающие в этом методе погрешности тщательно проанализированы, что позволило установить предельные значения толщины образца, а также оценить возмущения, вносимые датчиком температуры в динамику развития температурного поля пластины.

3. Технологические условия получения полимерных пленок сущест венно влияют на структуру полимеров. Экспериментальные данные по температуропроводности полиэтилентерефталата, полипропилена показали значительную анизотропию свойств. Характер изменения QL от степени вытяжки полностью соответствует модельным представлениям о процессе переноса тепла в полимерах, а также хорошо согласуется с данными рентгеноструктурного анализа и исследований по другим свойствам, что указывает на достаточную чувствительность теп-лофизических методов исследования к тем изменениям в структуре полимера, которые имеют место при переходе материала из монолита в тонкую пленку.

4. Разработанная методика, а также устройство для определения ТЗ>Х тонких пленок могут быть применены для контроля качества получаемых пленок, а также для контроля качества различных композиционных материалов.

5. С целью проверки применимости разработанного метода для исследования структурных изменений в материале он был использован в качестве оценочного для исследования температуропроводности тонких пластин монокристаллического кремния, поверхностный слой которых подвергался различным воздействиям, приводящим к нарушению структуры. Результаты экспериментальных исследований показали, что температуропроводность пластины монокристалла кремния в диапазоне толщин до 300 мкм) в значительной мере зависит от состояния поверхности.

1. Андрианова Г.П. Физико-химия полиолефинов. М.:Химия,1974, 239 с.2. йвангаков Д.В.,Фридман М.Л. Полипропилен. М.:Химия, 1974, 270 с.

2. Шнел Г. Химия и физика поликарбонатов. М.:Химия, 1967,230 с.4. под ред. Белого В.А. Металлополимерные материалы и изделия. М.:Химия, 1979, 310 с.

3. Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров. М.:Химия, 1982,280 с.

4. Харитонов В.В. Автореф. докт.дисс. Минск,1978.

5. Бойков Ю.А., Измерение X тонких пленок. Приборы и техника эксперимента, 1975, № 2, с.230-232.

6. Вишневский Е.Е. В кн. Тепло- и массообмен в процессах испарения. М.:изд-во АН СССР, 1958, с.236-250.

7. Марихин В.А.,Мясникова Л.П. Надмолекулярная структура полимеров. Л.:Химия,1977, 238 с.

8. Уорд И. Механические свойства твердых полимеров. М.:Химия, 1975, 350 с.

9. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. Контактный теплообмен. М.: Госэнер-гоиздат, 1963, 144 с.

10. Швец Н.Т., Дыбан Е.П. Теплообмен при контакте плоских металлических поверхностей. ®Ж, 1964, т.УП, № 3, с.З

11. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах. Киев. Наукова Думка, 1980, 259 с.

12. Липатов Ю.С. Шизико-химия наполненных полимеров. Киев, Наукова Думка, 1967, 234 с.

13. Гютербок Г. Полиизобутилен. Л.:Гостоптехиздат, 1962, 363 с.

14. Адрова Н.А., Бессонов М.И., Лайус JI.A., Рудаков А.П. Полиимиды новый класс термостойких полимеров. JI.:Наука,1968, 211 с.

15. Энциклопедия полимеров т.1-3, М.:Сов. энциклопедия, 1974.

16. Кардаш Г.П., Андрианова Г.П., Бакеев Н.Ш., Каргин В.А. Исследование особенностей больших деформаций полипропилена в широком интервале температур. ДАН СССР, 166,1155,1966.

17. Кардаш Г.П., Андрианова Г.П., Бакеев Н.Ф., Каргин В.А. Исследование деформации изотактического полипропилена в области низких температур. ВМС, т.7, Р 10, 1670, 1965.

18. JjiSson J)a.vies WardI.М- J)ynarrn'c mechanicaf £ekavtour and tortjitudinaf crista? thickness measura/nanis, 7ol^mer} 1Р7Л, V

19. Андрианова Г.П., Попов Ю.В., Артамонова С.Д., Арутюнов Б.А. Исследование процесса ориентационной кристаллизации полиэтилен-терефталата при растяжении. ВМС,1977, т.XIX, № 6, с.1230.

20. Уорд И.М. Структура и свойства сверхвысокомодульных полимеров. ВМС, 1979, сер. А, т.21, № II, с.2553.

21. Попов Ю.В. Канд.дисс. М.:1974.

22. Хорошая Е.С., Ковригина Г.И., Алексеенко П.И. Пластмассы, I960, Р 10, с.60.25. ?eter{in /. J)Г a wing and annealing о/fibrous materia f.

23. J. fypt. m, r. 4%, mo, p. 4ogg.

24. Кулезнев B.H. В сб. Смеси и сплавы полимеров. Киев, Науко-ва Думка, 1978, с. 24.27. -Helfand£.} Ta^ami /. Theory о/ 1he interface Se1h>een im-mlscUle po^mers. J. Tofy 3, 1971 3 9, did, p. 471.

25. Кулезнев B.H. Состояние теории "совместимости" полимеров. В кн. Многокомпонентные полимерные системы. М.:1974, с.10.

26. Абелиов Я.А. Канд.дисс. М. 1982 .

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

28. К nappe к/. Marmeieiiuntj in Tbfymeren. ifdy. former Sci1911; г I Ы4, p. 471

29. Ансельм А.И., Работников 10.JI. К вопросу о влиянии ангармо-низма на колебания и волны в кристалле. ЗШ>, 27, 8, 1723,1957.

30. Паейрлс Р. Квантовая теория твердых тел. ИЯ,1956,259 с.

31. Cattawa^ J- Model-for taihce ihermaf conduct;u'ty at low temperatures. J. 4959, г. НЗ, нЛ, p.

32. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М.-Л.:Машгиз, 1957, 244 с.

33. Сергеев О.А., Чечельницкий А.З. Стационарные сравнительные методы измерени. теплопроводности твердых материалов. Исследования в области тепловых измерений. М.-Л.: изд-во Стандарты, 1969, с. 16-25. Труды метрологических институтов СССР, вып. 111(171).

34. Осипова В.А. Экспериментальные исследования процессов теплообмена. М.:Энергия, 1979, 319 с.

35. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. М.: Машгиз, 1962, 277 с.

36. Kline J). £. The г та? conducting studies in Tot^mers.у. Sci., №<f3 tf503 p. 441.

37. Сергеев O.A., Татарашвили Д.А. Установка для точных измерений теплопроводности плохих проводников тепла. В кн. Исследования в области тепловых измерений. М.-Л.: изд-во Стандарты, 1971, с. 104. Труды метрологических институтов СССР,вып.129(189).

38. Платунов Е.С. Обобщение методов регулярного теплового режима на случай переменных теплофизических коэффициентов. В кн. Тепло- и массоперенос, Минск, изд-во Наука и техника, IS68, т.7 с.376.

39. Васильев JI.JI., Фрайман 10.Е. Свойства плохих проводников тепла. Минск, Наука и техника, 1967, 176 с.

40. Вержинская А.В. Исследование теплофизических характеристик материалов в форме пластин и покрытий методом источника постоянной мощности. ИМ, 1964, т.УП, Р 4, с.58.

41. Chou C.U.3 Уоипа к. Tfiermct f conductiYiiu о/Seme ~130.ii ri {у of Isotropic and oriented potfmers. J. 7Vys.3 19/7, ser. CJ

42. Choy C.l.9 La к W.H-j Chen F.C. Thermaf conducting с/ hiyhty oriented poCy ethylene. Toymen, 197*., УД p. 155.

43. С hoy C.LChen f.€.} Luk if. J. ?o£ymer Sci., ToCym, ?/?ys. £d.3 19&o3 r 12, r/S, p- Ht7.53. ?ieira(ta M. ^nisotrope Wdrmefeiifahigkeit in former en. Co f. and Th^m. cSci.3 19S13 r. 259,

44. Kilian fietratta M. Thermal conductivity in pofy/ners. fzrfymer, 1978г r. 19, p. СБ4.

45. Choy C. L.} Ony £.L.7 Chen F.C. J. Therrnaf diff и si city tftfd conductivity of crystalline pofymers. ^ ^ppC* fofpm.1, p^25£5

46. Asfafy / J^udp of tber/vaf conductivity and specific heat of amorphous and partiaC/p crystalline1 pofy ethylene 'terspitafate in relation to its structure-, ff. T^yS. Chem. Soticts, tP75; p. /J//.

47. С hoy C.ii.^ /rreiy 2>-. The -temperature ther^na f conductivity of a serm'-cryjtaZfine polymer, potyethj/fen? -l(erephiafate. J. ?hys, 1975, Jer. C3 г Я, Уp. 1131.

48. Eiermctnn K. Modettmafiye CPeutuny ater h/arme

49. ZeiifahiqkeU /on -t/ochpolumeren. 7(o££. u. g.Tofamere^ 19553 За. 201} } J. 3

50. Каргин В.А., Слонимский Г.Л., Липатов Ю.С. Распространение тепла в ориентированных полимерах . ДАН СССР, 1955,т.104,№ 1,с.27.

51. Кременчугский Л.С., Лысенко С.В., Мальнев А.Ф., Ройцина О.В. Определение толщины, теплоемкости и теплопроводности тонких пленок малых размеров. ЙФЖ, 1964, т.УП, № 2, с.58.

52. Бензен-Спиридонов В.А. Измерение теплопроводности тонких пластин и пленок. Заводская лаборатория, 1966, т.ХХХП,Р 4, с.62.

53. Новиченок Л.Н. Разработка методов определения теплофизических характеристики тонких изоляционных слоев и покрытий. В сб. Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах. АН СССР,Минск, Наука и техника, 1965.

54. Structure a/?d properties о/ oriented formers. Ed. gj J. M. Ward, /У.- J., J. Ыед a.Sor?^ 1976, SODp64. tie ft math tf, Mian Mutter fa Moid 2. u. £./dr Pofymere, №7, $ol. 21 Z, 1D S. Jo. Jni sot rope Wa rrr?e{et6fa forked der Yyniffafymerpn.

55. Eiermann K. Wdrmefeiiur^ гол fans-Zo/fen ha risked ron JJruciur Temperadur, for^esc/jic/hie.fan&MoJ/e, 3d. 51, J.SS266. 4/ennig f. dnijoircpie der Шггг?е{е^ип^ in yedehnten tfas-fo merer?. u. Tbfymere, '/964, 3d. S. 13£

56. Новиченок Л.Н., Шульман З.П. Теплофизические свойства полимеров. Минск, Наука и техника, 1971, 116 с.

57. Агранович З.С., Повзнер А.Я. Применение операционных методов к решению некоторых задач математической физики. Харьков, изд-во Харьковского университета, 1954, 56 с.

58. Волькенштейн B.C. Метод определения термических характеристик материалов. ЖТФ, 1954, т.ХХ1У,вып.2,с.184.

59. Азизов A.M. Теоретические основы методики определения теплофизических характеристик пленочных термоприемников. ТВТ, 1965, т.Ш, Р 5, с. 236.

60. Карслоу Г.,Егер Д. Теплопроводность твердых тел.М.:Наука, 1964, 487 с.

61. Белостоцкий М.В. Канд.дисс. M.I975.

62. J)e§ye P. fort г age а£ег к i net is с/? е ТАeery a!er ftfaterie unci SfeHriJiiat. Tei/fner, S5>74, 274s.

63. Trewrsek 3>.С.з Tirpakt7J., t/arged PJ. Effects ojtkermacf contraction on structure arxt^ro^erties о/ P£Tji£res .

64. J.ffacromoC Su.; PAysm^ Г- Ъ 9, W, f>-755.

65. Перепечко Й.Г. Свойства полимеров при низких температурах. М.:Химия, 1977,271с.

66. Ломашов И.П. Германий и кремний важнейшие полупроводниковые материалы. М.:Металлургиздат, I960, 52 с.

67. Алиев М.И. Теплопроводность полупроводников, Баку, изд-во АН Азерб. ССР, 147 с.

68. Янке Е.,3мде Леш 3>. Специальные функции.М.:Наука, 1968, 344 с.

69. PriZcjintas P-S. ■/nisotro^'-c the та С conductп'^и oj-oriented PjCT /itCms. 37th /лпи. Jechn- Сол/. Sac. rcast.

70. Ye* Orfeas7s} JLa, t07P> £reen*ic/?, Con/7. "7Р7Я^ Роб

71. Арутюнов Б.А., Чуксина В.А., Попов Ю.В. и др. Исследование анизотропии теплопроводности одноосно вытянутых пленок полиэтил ентерефталата. В кн. Химическое машиностроение. М.:1978, вып .X, с. 166.

72. Cooling Electronic Equipment SuppCement, J9C5, June, p.p. CL //- CL 1Б. Jtaf-f Peport.

73. Нашельский А.Я. Монокристаллы полупроводников. М.гМеталлур-гия, 1978, 199 с.

74. Глазов В.М., Охотин А.С., Боровикова Р.П., Пушкарский А.С. Методы исследования термоэлектрических свойств полупроводников. М.:Атомиздат, 1969, 176 с.

75. Арутюнов Б.А.,Чуксина В.А. Теплопроводность одноосно ориентированного полипропилена. Материалы Всесоюзного семинара "Методы расчета и контроля энерготехнологических параметров изготовления и переработки полимерных материалов". М.:1982,с.103.

76. Steere R. detection Pof^mer transitionsmeasurement ay thern? a £ properties. 7. j/^f. PoTv.Sci^49££} r. 70, p. /£73.

77. Ho £i7o, Uaictke^ama Taijuko, Studies oy amorpokous region oyjoo^pmers. J. Pofj. <Sci,^ PAft.,4974, r. 12, *73 p. s4 77.atn a£ jPe^ret? oy cr^ctaf-tlnctLi ^ Powers. J. Poti,. Sci., ft. 4 r 4, p. £55

78. Mclrraw Jrac7<p rnaSecu/czr0/~L£>/7 ta tiO/7of PpT-y£er$ £y y7uorescs/?ce joofariz cf tier?. yp. To 7^. Sci.^ yt. /. E, 4970, p. /3£Ъ

79. Новиченок JI.H., Овчинникова Л.П. Исследование анизотропии теплопроводности ориентированного ПЗ и поликапроамида. В кн. Реология полимерных и дисперсных систем и реофизика. ч.2. Минск, 1975, с.35.

80. Белый В.А.,Плескачевский А.Ф. Металлополимерные системы. М.:Знание, IS82, 179 с.

81. Каца, Милевски Р. Наполнители для полимерных композиционных материалов. М.:Химия, 1981, 124 с.