|
| |
|
Слаботочка Книги 20 40 ео 80 100 v,cym 12 П,% Рис. 20. Кривые ползучести тензоре- Рис. 21. Расчетные кривые ползуче- зисторов 1-П, рассчитанные: сти для тензорезнсторов СКФ 1~п<} гост 21616-76; 2-по формуле (кривые И 2) И 1-ВО (кривая 5) при (73): S-по мртопикр Г141 Гяттсгь и пялрр температуре °С* / - 175; 2 - 200; 3 - 150 (73); 3-по методике [141 (здесь и далее точки - экспериментальные значения) (37), (25) и (29), получим для проволочного тензорезнстора: d2 1n 4ft. -1 ДЛЯ фольгового и полупроводникового тензорезнстора: 2 у в. ah In (74) Формула (73), отражая сущность релаксационных процессов, достаточно точно описывает ползучесть за различное время. Так, в табл. 10 приведены значения Пе, oi и 02 и уравнения ползучести, по которым рассчитаны приведенные на рис. 20- 22 кривые ползучести за различное время. Значения Пе и ci определены по формуле (69) из двух экспериментальных значений Пк1 и Як2 ползу- П,% 62
Рис. 22. Расчетные кривые ползучести для тензорезнсторов ЦНК (кривая /), ВТХЮ (250) (кривые, 2. 5), ВТХЮ (550) (кривые 3, 4) при температуре, °С: / - 200; 2 - 300; 3 - 550; 4 - 600 ; 5 - 350 (здесь и далее цифры в скобках означают максимальную температуру тепловой обработки тензорезнстора ВТХЮ после наклейки) чести за ti= Ю мин и t2=20 мин *, а значения аг по формуле (72) из рассчитанного Пе и экспериментального значения ползучести Пд за тз=5 ч**. Из приведенных данных (см. рис 20-22) следует, что формула (73) достаточно точно описывает ползучесть различных типов тензорезнсторов, в которых в качестве связующего используются органические полимеры (тензорезисторы 1-П, СКФ) и цементы: кремнийорганический Ц10 (тензорезисторы ВТХЮ) и неорганический НЦ-1 (тензорезисторы ЦНК). Это свидетельствует о том, что формула (73) применима для любого материала связующего, в котором при деформации протекают процессы перемещения внутри молекул, кристаллов, комплексных групп и т. д. (упорядочения ближнего порядка) и перемещения самих молекул, частиц и целых комплексов (упорядочение дальнего порядка). Следует отметить, что уравнение ползучести П=ПД1 (75) полученное автором работы [14], из рассмотрения экспериментальной функции релаксации напряжений Вронского [7], в которой используется одно время релаксации а, а также коэффициент Я, равный для некоторых материалов 0,25-0,3, приводит к более заметным отклонениям экспериментальных точек при исследовании ползучести тензорезнсторов 1-П с базой 10 мм от кривой 3 (см. рис. 20), рассчитанной по формуле (75), Особенно заметйы отклонения прн расчете по формуле (75) ползучести за длительное время (десятки суток). Еще большее отклонение экспериментальных значений длительной ползучести наблюдается при описании ее формулой П=П,(е « - l) с одним временем релаксации а (см. кривую / на рис. 20), определенным в соответствии с ГОСТ 21615-76 из результатов определения ползучести за 120 мин. * Можно в пределах 1-2 ч определять нз значений Hi и Пг, взятых за другое время, но для расчета удобно, чтобы Tj=2ti, поскольку тогда ai легко рассчитать как ai = - \щ J •* Значение Oj рассчитывается как «2 = In [1 (Пз-П2)10-2] в табл. 10 и на рис. 20-22 приведены значения ползучести за относительно длительное время (7-100 ч и даже 120 сут.). Пги описании ползучести за короткое время формулой (73) целесообразно пользоваться в случае, когда значение сг будет Jтнocитeльнo небольшим (процесс релаксации за счет упорядочения дальнего порядка заметно проявляется в этот отрезок времени т), и тогда условие а2>т не будет соблюдаться. Для примера на рис. 23 приведена ползучесть тензорезисторов 1-П с базой 5 мм за 60 мин при 60°С, которая описывается уравнением П=0,45 е 2,7 \ / JL 10-5 1 j 102, И ползучесть при 60°С для тензорезисторов 1-П с базой 10 мм, наклеенных на тонкую балку, которая описывается уравнением 10-2 ,9 (е , 10- 102. Ij + le 1 Влияние упругих и вязких констант связующего. Значение ползучести Пе, описанное формулами (74), определяется упругими свойствами связующего. Времена же релаксации определяются также вязкостными свойствами связующего. Из формул (74) следует, что установившееся значение ползучести тензорезистора при одних и тех же геометрических параметрах его элементов и модуля упругости чувствительного элемента зависит от отношения мгновенного d и установившегося Ge модулей упругости Gi/Ge. При отношениях Gi/Ge=l связующее является упругим телом и ползучесть Пе равна нулю. При увеличении отношения tSD т,мин  200 tnpC Рис. 23. Ползучесть тензорезисторов 1-П при 60°С с различной базой, мм: / - 5; 2-10  ЮО 150 200t„p°C 2,0 П,% Рис. 24. Ползучесть (за 1 ч) тензорезисторов 1-ВО (--) и 1-П (---), подвергнутых тепловой обработке Up, исследованная при температуре: а -при 200°С; б - при 60°С Gi/Ge ползучесть тензорезисторов увеличивается. Применение связующего, имеющего меньшие значения Gi при одних и тех же значениях отношения Gi/Ge, приводит к увеличению ползучести тензорезистора. В связи с приведенным выше для уменьшения ползучести тензорезисторов следует выбирать связующие с достаточно большим мгновенным модулем сдвига Gi и с соотношением Gi/Ge, близким к единице. Однако применение связующих с большим мгновенным модулем Gi может привести к отслаиванию тензорезистора, так как возникающие по краям тензорезистора максимальные напряжения Sm [см. выражение (32)] при больших Gi резко возрастают и могут превысить предельные напряжения сдвига связующего. Поэтому для уменьшения ползучести следует идти по пути приближения отношения Gj/Ge к единице. У ряда клеев, используемых в качестве связующих, это можно достичь тепловой обработкой, при которой происходят структурные изменения в клее. Так, на рис. 24 приведены ползучести за 1 ч тензорезисторов 1-ВО со связующим из фенолоформальдегидного клея ВЛ-9 при 200°С и ползучести тензорезисторов 1-П при 60°С со связующим из фенолоформальдегидного клея ВЛ-6 после прогрева этих тензорезисторов. Как видно, по мере увеличения температуры тепловой обработки тензорезистора значение ползучести при одних и тех же температурах уменьшается. Снижение ползучести в этом случае определяется увеличением высокоэластичного модуля G2 за счет увеличения при тепловой обработке числа пространственных связей, так как по кинетической теории полимеров значение высокоэластичного модуля G2 прямо пропорционально концентрации N поперечных связей на единицу объема, т. е. Ог = ИЖТ, где Ж - постоянная, зависящая от структуры полимера; Г - температура испытаний. Увеличение высокоэластичного модуля G2 приводит к увеличению установившегося модуля Ge, определяемого как G, = G,G2/(Gi+G2), (76) к приближению отношения Gj/Ge к единице и соответственно к уменьшению ползучести тензорезисторов. Наименьшее значение ползучести тензорезисторов 1-ВО и 1-П наблюдается после прогрева при 200-250°С, что приводит не только к созданию большого числа пространственных связей в связующем, но и к деструкционному разрушению молекулы и значительному уменьшению степени свободы подвижной части молекулы (сегмента). Последнее увеличивает внутреннюю вязкость т]2, определяемую частотой перехода (диффузии) сегмента. Соответственно увеличивается постоянная времени ai и уменьшается скорость кратковременной ползучести. Время релаксации аг, однозначно характеризующее длительную ползучесть, определяется вязкостью т)з и высокоэластичным модулем G2. Вязкость т]з - сопротивление течения молекул - определяется массой молекулы, т. е. степенью ее полимеризации z. Зависимость эта носит экспоненциальный характер [3]: где С и Ci - постоянные, зависящие от природы полимера. Пространственные связи в молекуле сильнее влияют на увеличение вязкости т]з, чем т]2, и считается, что трехмерный высокополимерный материал не «течет» даже при высоких температурах. Это приводит к очень большим значениям ог, которые можно определить только при продолжительном времени действия постоянной деформации или использовании точной аппаратуры. Так, для фенолоформальдегидных клеев, используемых в тензорезисторах 1-П и 1-ВО, после тепловой обработки при 250Х МО» с для тензорезнстора 1-П при /=l5-f-20°C и 02= ЫО* с для тензорезнсторов 1-ВО при =150°С (см. табл. 10). Тензорезисторы ЦНК, в которых используется неорганический цемент НЦ-1, при 200°С имеют 02= 1-10 с. В работе [68] для цементного камня (отвержденного бетона) приведено значение 02, равное 2,5-10 с. Влияние повторных нагружений на ползучесть. Известно, что при первом нагружений тензорезнсторов ползучесть всегда больше, чем при последующих. Это связано с химическими изменениями в полимерном материале, сопровождающими вязко-упругую деформацию. В вязкоупругом теле протекают необратимые процессы увеличения числа поперечных связей и разрывов связей, обусловленные дальнейшей полимеризацией, окислением и дефектами (слабые связи и т. д.) в молекулах. Эти процессы более интенсивно протекают при деформации тела. Кроме того, в материале происходят обратимые динамические равновесные процессы образования и разрушения поперечных связей, которые можно рассматривать при деформации как дополнительное вязкое течение материала. Динамические обратимые и необратимые процессы при действии постоянной деформации приводят к релаксации напряжения. Необратимые процессы приводят к изменению структуры решетки и всего вязкоупругого спектра материала, а обратимые- только к дополнительному увеличению т]з в момент действия деформации. В связующем в основном происходят необратимые процессы, особенно если ползучесть определяется при повышенных температурах, и поэтому при повторном опре- да о 4>
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [10] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||