Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА ALN – ЛАК КО-916К

Грахов Д.В. 1 Ягупов А.И. 1 Бекетов А.Р. 1 Баранов М.В. 1
1 ФГАОУ ВПО «Уральский государственный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия
В тексте статьи рассматривается проблема эффективности электродвигателей, в сотни раз пре-вышающей интенсивность отказов изделий машиностроения. В статье говорится о программе для расчёта теплопроводности композиционных материалов, позволяющей автоматизировать расчёты, связанные с вычислением коэффициента теплопроводности композиционного материала, состоящего из органического связующего и дисперсного тугоплавкого неметаллического наполнителя. Специ-альное внимание уделяется методам расчёта теплопроводности композиционных материалов в соот-ветствии с предложенными моделями, а также сравнению результатов расчётов с обработанными экспериментальными данными и записи информации в базы данных. Авторы подчёркивают, что по-лученные значения теплопроводности образцов в 4,5 раза выше исходного материала. В заключение говорится о том, что представленные результаты позволяют высказать предположение о структуре композита «электроизоляционный лак – нитрид алюминия».
композиционные материалы
программа
1. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. - Л. : Энергия, 1974. - 264 с.
2. Фургель И.А. [и др.]. Теплопроводность композиционных материалов с дисперсным наполнителем // Инженерно-физический журнал. - 1992. - 95 с.
3. МДС 41-7.2004 Методика оценки влияния влажности на эффективность теплоизоляции оборудования и трубопроводов. - 20 с.
4. Эберт Г. Краткий справочник по физике. - М. : Гос. изд-во физико-математических методов, 1963. - 561 с.
5. Самсонов Г.В. Нитриды. - Киев : Наукова думка, 1969. - 285 с.
6. Денисенко В.И. [и др.] Опыт применения ультразвукового способа пропитки обмоток машин переменного тока с использованием нанооксидонитридных, теплопроводящих наполнителей // Проблемы и достижения в промышленной энергетике : сб. докладов 9-й Международной научно-практической конференции в рамках выставки «Энергетика и электротехника. Автоматизированные системы и приборостроение. Светотехника». - Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2010. - С. 159-162.
7. Денисенко В.И. [и др.]. Оценка влияния капсулирования лобовых частей статора с всыпными обмотками на нагрев и КПД асинхронных двигателей / Проблемы и достижения в промышленной энергетике : сб. докладов 9-й Международной научно-практической конференции в рамках выставки «Энергетика и электротехника. Автоматизированные системы и приборостроение. Светотехника». - Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2010. - С. 155-158.

  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]:

  1. С замкнутыми включениями, адиабатное дробление.
  2. С замкнутыми включениями, изотермическое дробление.
  3. С замкнутыми включениями Оделевского.
  4. С взаимопроникающими компонентами, адиабатное дробление.
  5. С взаимопроникающими компонентами, изотермическое дробление.
  6. С взаимопроникающими компонентами, средняя.
  7. Комбинированная.
  8. Обобщённая проводимость Лихтенеккера 1.
  9. Обобщённая проводимость Лихтенеккера 2.
  10. Многокомпонентная.
  11. Перколяционная [2].
  12. С учётом пористости [3].
  13. С учётом температуры (газовая фаза) [4].
  14. 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.

  1. Расчёт концентраций компонентов без расчёта коэффициента теплопроводности композита.
  2. Выбор модели расчёта коэффициента теплопроводности композита.
  3. Расчёт коэффициента теплопроводности композита с предварительным расчётом концентраций компонентов.
  4. Расчёт коэффициента теплопроводности композита с учётом его пористости, а также температуры.
  5. Построение графиков зависимостей коэффициента теплопроводности композиционного материала или его отношения к коэффициенту теплопроводности 1-го компонента от объёмной или массовой концентрации.
  6. Построение графиков зависимостей коэффициента теплопроводности композиционного материала от его пористости, а также температуры.
  7. Нанесение экспериментальных данных на плоскость с той же системой координат, в которой построен график.
  8. Вычисление значения отклонений экспериментально полученных значений коэффициента теплопроводности композиционного материала от теоретически рассчитанных по всем моделям.
  9. Представление информации на русском и английском языках.
  10. 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


Библиографическая ссылка

Грахов Д.В., Ягупов А.И., Бекетов А.Р., Баранов М.В. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА ALN – ЛАК КО-916К // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=4954 (дата обращения: 19.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074