|
| |
|
Слаботочка Книги /,51 200 а) 300 t°c о 300 t,°c Рис. 100. Чувствительность тензорезисторов ЗСПН при различных температурах: а - средние в выборке значения чувствительности; б - средние квадратические отклонения в выборке ЭТИ циклы при указанных температурах примерно по 2 ч также не привели к изменению чувствительности. Прогрев тензорезнсторов со связующим из ПИР-2 при 400 °С в течение 5 ч приводит к снижению чувствительности при нормальной температуре примерно на 10%, что объясняется частичным разрушением клея ПИР-2. За рубежом для рабочих температур до 300°С широко используются эпоксидно-фенольные клеи М-600 и М-610, которые специально разработаны для тензорезисторов и очень просты и удобны в применении. Отечественный эпоксидно-изоциа-натовый клей ВК-23 в сочетании с клеем СП-3 (см. табл. 29) обладает достаточным тепловым ресурсом при 300 °С (100 ч), однако менее технологичен, чем полиимидные клеи. Основываясь на проведенных исследованиях и данных многих работ можно сделать вывод, что все органические клеи при 300-400°С частично или полностью разрушаются. Дальнейшее повышение рабочих температур могут обеспечить кремнийорганические и неорганические клеи. Развитие химии кремнийорганических полимеров привело к созданию большого количества отечественных кремнийорганических клеев, обладающих высокой теплостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами, мало меняющимися в зависимости от температуры. Кремнийорганические клеи имеют по сравнению с органическими худшие механическую прочность и адгезию. Для устранения этих недостатков разрабатываются композиции кремнийорганических клеев, модифицированных органическими соединениями. Однако эти модификации уменьшают теплостойкость клеев. Наиболее широко для модификации используются эпоксидные и фенольные соединения. К эпоксидно-кремнийорганическим клеям относятся клеи СКДА, К-300, К-400, К-600 и др. К фенолокремнийорганиче-ским -клеи ВК-8, ТКФ-4, ФФК и др. [21, 74]. Некоторые композиции модифицированных клеев этого типа были исследованы с целью использования в качестве связующих для тензорезисторов с рабочими температурами до 400°С. Так как эпоксидно-кремнийорганические и фенолокремний-182 органические клеи имеют удовлетворительные изоляционные свойства (Rk тензорезисторов 200-1000 МОм), то за критерий пригодности в этих условиях выбрана чувствительность тензорезисторов с исследуемыми связующими в рабочем диапазоне температур, достаточно полно характеризующая адгезионную способность, теплостойкость, полноту отверждения и другие свойства клеев. Исследуемые связующие использовались для изготовления и для наклейки тензорезисторов. В табл. 30 приведены класс и наименование модифицированных клеев, рабочие температуры, указываемые разработчиками, режимы тепловой обработки после наклейки тензорезисторов и средние в выборке (из 8-20 шт.) значения чувствительности при температуре 20°С (до испытания), при 400°С (испытание) и 20°С (после испытания). Как видно, однократные испытания при температуре до 400 °С тензорезисторов с эпоксидно-кремнийорганическими клеями СКДА, К-600 и фенолотитанокремнийорганическим клеем ТКФ-4 приводит к резкому (13-36%) снижению чувствительности при 20 °С после нагрева при 400 °С, что объясняется заметной деструкцией связующего. У клея ТКФ-4 деструкция происходит уже при 300 °С и его тепловой ресурс при этой температуре составляет 20 ч (см. табл. 29). Чувствительность тензорезисторов со связующими из фено-локремнийорганических клеев ВК-8 и ФФК при температуре 20°С после однократного испытания при 400°С снижается не- Таблица 30
Рис. 101. Чувствительности тензорезисторов со связующим ВК-8 и ФФК при повторных нагревах до 400°С и нагружениях до е= 1500 млн-» Число испытаний значительно (примерно на 5%). Однако после 2-го и 3-го испытаний до 400°С чувствительность таких тензорезисторов снижается более резко (рис. 101), и эти тензорезисторы можно использовать только при однократных недлительных (2-3 ч) испытаниях при 400 °С. Несмотря на то что модифицированные кремнийорганические клеи рекомендуются разработчиками для рабочих температур до 500-1000 °С, исследования показывают, что они не пригодны для изготовления и приклеивания тензорезисторов, работающих при 400°С. Это можно объяснить тем, что в тензорезисторах связующее эксплуатируется в открытом соединении, в котором термоокислительная деструкция приводит к более быстрому и глубокому разрушению полимеров, чем в условиях отсутствия или затрудненного доступа воздуха в закрытом соединении. Немодифицированные кремнийорганические клеи с наполнителями в виде асбеста, слюды, оксидов металлов или тонкоиз-мельченных стекол обладают высокой стойкостью к термоокислительной деструкции, эластичностью, высоким удельным сопротивлением, стойкостью к воздействию радиации. Все эти свойства придают полимеру полиорганометаллосилоксаны, образующиеся при нагреве и имеющие следующие структуры полимерных цепей молекул, состоящих из кремния, кислорода, алюминия: =Si-О-А1-О-Sis; из кремния, кислорода. Таблица 31
бора: =Si-О-В-О-Si=; из кремния, кислорода, хрома: = Si-О-Сг-О-Si= и т. д. К таким связующим, разработанным для тензорезисторов, относятся цемент 10 [24], органосиликатные клеи В-58 и ВН-15Т [64], а также кремнийоргани- Таблица 32 Температура, °С 2,63 Номер цикла испытания 2,43 2,35 2,19 2,63 2,33 2,18 2,13 2,63 2,06 2,00 ческий цемент, состоящий из дифенилсилоксана с оксидами бора, кремния, хрома и свинца [31]. Рабочие температуры этих связующих 500-600°С. Так, цемент 10, используемый в качестве связующего в тензорезисторах ВТХЮ, позволяет им длительно работать при 550- 600°С. При этом характеристики средней чувствительности /С и ее рассеяние в выборках Sk не изменяются даже после длительных (50 ч) испытаний (табл. 31) и циклических повторных испытаний (табл. 32) при 550-600°С. Наиболее термостойким из кремнийорганических клеев с полиорганометаллосилоксано-выми полимерными цепями является клей ВК-15 [33]. Эта Таблица 33
клеевая композиция обладает наряду с высокой теплостойкостью также высокой эластичностью. Исследования этого клея в качестве связующего для изготовления и прикрепления тензорезисторов, работающих при температурах до 600-700°С, показали, что тензорезисторы выдержали без отслоения нагрев и нагружение (при е=1500 млн-) при 700 °С. Сопротивление изоляции этой композиции клея было достаточно высоким ("/?„= Ю МОм) при таких температурах. Этот состав клея рекомендован к использованию в тензорезисторах для рабочих температур 700°С и приводит к достаточно стабильным характеристикам при повторных испытаниях тензорезисторов при 600-700 "С (табл. 33). Все рассмотренные выше кремнийорганические клеи типа Ц10, Bl(-58, ВН-15, ВК-15 для своего отверждения требуют проведения тепловой обработки при температуре около 250- 300 "С. Например даже трехчасовой прогрев при 200°С после установки тензорезисторов со связующим ВН-15Т не приводит к стабильному значению чувствительности при рабочих температурах. При первом нагреве уже при 200 "С наблюдается резкое снижение чувствительности, которая затем при нагреве до 400 °С повышается и становится стабильной при повторных нагревах до 600"С. Аналогичные результаты получаются для тензорезисторов со связующим Ц10 и ВК-15. Таким образом, кремнийорганические клеи такого типа следует подвергать нагреву при температурах, близких к максимальной рабочей температуре. При этом в связующем происходят дополнительные структурные образования, приводящие к изменению упругих и релаксационных свойств. В последнее время разработана новая группа теплостойких кремнийорганических клеев - поликарборансилоксановые клеи, имеющие повышенную прочность и хорошие адгезионные и изоляционные свойства. Хотя зти клеи менее теплостойки, чем рассмотренные выше (их рабочая температура ограничена
300 400 t,c Рис. 102. Средние в выборке значения К и средние квадратические отклонения ее в выборке 5к при различных температурах для тензорезисторов со связующим ВК-54: # - 1-й цикл испытания; X - 2-й цикл; О-3-й цикл 500"С), однако они для своего отверждения не требуют высоких температур. Так, в случае использования карборансило-ксанового клея ВК-54 для изготовления и прикрепления тензорезисторов тепловая обработка при 200"С в течение 5 ч практически устраняет резкое снижение чувствительности и приводит к линейности функции влияния температуры на чувствительность во всем рабочем диапазоне до 400-500 "С (рис. 102). Такая тепловая обработка обеспечивает также стабильность значений чувствительности К при повторных нагревах до 400- 500°С и нагружениях до е=1500 млн- (табл. 34). Сопротивление изоляции тензорезисторов с этим связующим равно 10 МОм при 500 °С. Неорганические клеи в виде стеклянных эмалей и жидких стекол использовались при создании термостойких тензорезисторов еще в 50-е годы. Препятствием широкого распространения стеклянных эмалей является необходимость нагрева конструкции при установке тензорезисторов до температуры, на 30- 50 "С превышающей температуру плавления змали, в связи с чем возникает потребность в применении легкоплавких эмалей, содержащих оксиды щелочных металлов, резко снижающих сопротивление изоляции связующего. Жидкое стекло обладает хорошей адгезией к металлу и высокой теплостойкостью, но изоляционные свойства его при повышенных температурах очень низкие. В тензометрии использовались калиевые высокомодульные жидкие стекла, в состав наполнителей которых для повышения сопротивления изоляции вводились оксиды тяжелых металлов ВаО и РвО [48], однако сопротивление изоляции тензорезисторов с применением таких клеев при 500°С не превышает 1 МОм, что значительно ниже, чем у тензорезисторов с кремнийорганическими клеями. Неорганические клеи на основе фосфатной кислоты и ее производных обладают хорошей адгезией к различным метал- Таблица 34
100VZr~ 200 300 400 500 600 t,C Рис. 103. Зависимость сопротивления изоляции тензорезисторов со связующим из алюмосиликатфосфатного клея НЦ-1 (база 10 мм, число нитей 18; 7?д=140 Ом) 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 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||