Введение
Сегодня в мировом электромашиностроении интенсивность отказов электродвигателей в сотни раз превышает интенсивность отказов изделий машиностроения, причём 40% и более электродвигателей выходят из строя из-за повреждения обмотки статора. Повышение эффективности электродвигателей предусматривает применение новых материалов с улучшенными теплофизическими характеристиками, т.к. уменьшение рабочей температуры двигателя на 10° продлевает срок его работы в 2-3 раза.
В связи с этим актуальным является введение в промышленные электроизоляционные лаки неорганических модификаторов с высокой температурой с высокой теплопроводностью при сохранении остальных физико-химических характеристик: малой усадки при полимеризации, высокой адгезии к эмали провода, эластичности и прочности, - а также сохранение технологических характеристик: высокой степени заполнения обмотки статора и лобовой части при капсулировании, низкой вязкости и равномерного распределения модификатора в объёме пропиточного материала.
Для заполнения обмоток статора корпусной изоляции электромеханических преобразователей используются органические заполнители типа лаков или термореактивных смол.
Анализ литературных данных показывает, что при создании композиционных электроизоляционных материалов с модификаторами практически не исследованы тугоплавкие компоненты с высокой теплопроводностью, такие как изотропные керамические, нитридные материалы. Известные наполнители имеют существенные недостатки [6; 7].
Цель исследования
Целью исследования настоящей работы являются определение теплофизических характеристик полимерных композиционных материалов, состоящих из органического связующего и тугоплавкого неметаллического наполнителя. Настоящее исследование включает анализ литературных данных по теплопроводности полимерных материалов с неорганическими добавками, существующих моделей для расчёта теплопроводностей композиционных материалов с полимерным связующим, изготовление образцов и определение теплофизических характеристик электроизоляционного лака с добавками нитрида алюминия и выбор моделей изменения теплофизических характеристик с составом, природой и структурой композиционного полимерного материала.
Материал и методы исследования
Нитрид алюминия (AlN) обладает уникальными свойствами: высоким удельным электросопротивлением и повышенным напряжением пробоя, высоким значением диэлектрической постоянной, превосходной теплопроводностью (до 300 Вт/мК в монокристаллическом состоянии). Важную роль играет размер и форма частиц вещества в наноразмерном состоянии (рис. 1).
Рис. 1. Структура нитрида алюминия.
Для расчёта теплофизических характеристик в зависимости от концентрации наполнителя, пористости и температуры была написана программа «Теплопроводность композита». Она позволяет автоматизировать расчёты, связанные с вычислением коэффициента теплопроводности композиционного материала, состоящего из органического связующего и дисперсного тугоплавкого неметаллического наполнителя, по следующим двенадцати моделям (в том числе с учётом пористости композита, а также температуры) [1]:
- С замкнутыми включениями, адиабатное дробление.
- С замкнутыми включениями, изотермическое дробление.
- С замкнутыми включениями Оделевского.
- С взаимопроникающими компонентами, адиабатное дробление.
- С взаимопроникающими компонентами, изотермическое дробление.
- С взаимопроникающими компонентами, средняя.
- Комбинированная.
- Обобщённая проводимость Лихтенеккера 1.
- Обобщённая проводимость Лихтенеккера 2.
- Многокомпонентная.
- Перколяционная [2].
- С учётом пористости [3].
- С учётом температуры (газовая фаза) [4].
- С учётом температуры (твёрдая фаза, наполнитель) [5].
Для расчёта по формуле любой модели обязателен ввод коэффициентов тепло-проводности, плотностей, масс или объёмных концентраций (в последнем случае осуществляется взаимоисключающий выбор). Для осуществления расчётов по формулам некоторых моделей обязателен ввод дополнительных параметров (вероятности того, что пластины перпендикулярны потоку - для модели обобщённой проводимости Лихтенеккера 2 и критической объёмной концентрации - для перколяционной модели).
Программа также даёт следующие возможности.
- Расчёт концентраций компонентов без расчёта коэффициента теплопроводности композита.
- Выбор модели расчёта коэффициента теплопроводности композита.
- Расчёт коэффициента теплопроводности композита с предварительным расчётом концентраций компонентов.
- Расчёт коэффициента теплопроводности композита с учётом его пористости, а также температуры.
- Построение графиков зависимостей коэффициента теплопроводности композиционного материала или его отношения к коэффициенту теплопроводности 1-го компонента от объёмной или массовой концентрации.
- Построение графиков зависимостей коэффициента теплопроводности композиционного материала от его пористости, а также температуры.
- Нанесение экспериментальных данных на плоскость с той же системой координат, в которой построен график.
- Вычисление значения отклонений экспериментально полученных значений коэффициента теплопроводности композиционного материала от теоретически рассчитанных по всем моделям.
- Представление информации на русском и английском языках.
- Введение записи массивов абсцисс и ординат точек при построении графиков в базу данных Access с указанием для каждого графика значений параметров и названия модели, по формуле которой он строился.
Результаты исследования и их обсуждение
Для проверки адекватности моделей изготовили образцы с различным содержанием наполнителя (т.е. AlN) на измерение теплопроводности. Измерение теплопроводности проводили в зависимости от содержания наполнителя и температуры. Результаты измерений теплопроводности представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты измерения теплопроводности композита
|
Объёмная доля, % |
ρ, |
t, °С |
λ, |
|
|
КО-916К |
AlN |
|||
|
45 |
55 |
2 |
49,5 |
0,981 |
|
101,3 |
0,855 |
|||
|
151,4 |
0,793 |
|||
|
201,4 |
0,745 |
|||
|
0 |
100 |
2,925 |
50,3 |
32,68 |
Полученные значения теплопроводности образцов в 4,5 раза выше исходного материала.
По полученным данным чётко прослеживается зависимость теплопроводности композита от содержания наполнителя и температуры.
На рис. 2 представлены экспериментальные значения теплопроводности композита, а также результаты расчёта теплопроводности электроизоляционного лака с добавками AlN по вышеприведённым моделям.
Рис. 2. График зависимости теплопроводности композита КО-AlN от температуры (55,1724% AlN, 10,7701% пористости).
Как видно из данного графика, наиболее адекватно наш эксперимент описывает модель с взаимопроникающими компонентами, изотермическое дробление.
Различия расчётных и экспериментальных данных, вероятно, связаны с тем, что весьма приблизительно выбран состав газов в порах, образующихся при пиролизе изоляционного лака. Нам, к сожалению, не известен точный состав, что требует проведения специальных исследований, поэтому для расчётов использовались данные по теплопроводности газов (ацетилена, метана, углекислого газа, этана, пропана), взятые из справочной литературы [4; 5].
Выводы
Представленные результаты не только позволяют прогнозировать изменение теплопроводности композита «электроизоляционный лак - нитрид алюминия», но и высказать предположение о его структуре.
Рецензенты:
- Белоусова В.С., д.т.н., профессор, зав. кафедрой, ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Уральский энергетический институт», г. Екатеринбург.
- Волобуев П.В., д.ф.-м.н., профессор кафедры технической физики, ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Физико-технологический», г. Екатеринбург.
Работа получена 14.11.2011