Поверхности субстратов

Рассмотрим структуру силановой пленки. Триалкоксиеиланы легко подвергаются гидролитической полимеризации с образованием трехмерного полисилоксана. Использование силановых промоторов адгезии обычно происходит в присутствии воды и кислоты (основания) [68], и поэтому осаждение полимерной пленки вполне возможно. То, что силановые покрытия состоят из полимеров, было экспериментально показано Тут асом и др. [73], Шра-дером и др. [67], Йоханнеоном и др. [43] и Баскомом [4, 8]. Такие пленки обычно значительно толще мономолакулярного слоя силанового мономера и, по-видимому, представляют собой прочно удерживаемую поверхностью полисилоксановую сетку, на которой расположены гидролизованные или частично гидролизованные силаны и короткие звенья молекул полисилоксанов. Эти низкомолекулярные компоненты могут быть легко удалены с поверхности субстрата при промывке органическим растворителем или даже при длительном контакте с водой. Устойчивость полисилоксановой пленки к воздействию воды и растворителей не зависит от характера субстрата (стекло, нержавеющая сталь или золото) [4]. Маловероятно, чтобы триалкоксисиланы образовывали металлсилок-сановые связи с таким инертным металлом, как золото. Однако если покрытие представляет собой высокомолекулярную силокса-новую сетиу, то оно должно быть устойчиво к десорбции благодаря своей низкой растворимости, а также потому, что его полимерные сегменты связаны с поверхностью многочисленными связями. Чтобы удалить с поверхности такую полимерную сетку, необходим разрыв всех связей одновременно. Даже когда эти связи слабы и обусловлены неспецифическим дисперсионным взаимодействием, для их разрыва требуется большая энергия активации.

Мономерные кремниевые соединения совместимы почти со всеми органическими полимерами: термореактивными смолами, эластомерами и термопластами. Неорганический наполнитель или упроч-нитель может быть в виде волокон или частиц. Силан используется для предварительной обработки субстрата либо вводится непосредственно в полимер (метод интегральной смеси). В последнем случае он мигрирует к поверхности субстрата в процессе обычного смешения и при эксплуатации [36, 42].

В работе [41] описан один из способов повышения адгезии полиэтилена, поверхность которого приобретает сшитую структуру в результате облучения тлеющим разрядом. Аналогичное повышение адгезии к поверхности субстрата было достигнуто кристаллизацией полимера при контакте с золотом [42].

Микроскопические грибы обычно растут на поверхности субстрата в виде пушистых, паутинообразных и ватоподобных образований, а некоторые — в виде тонких налетов и пленок. В почве их огромное количество. В 1 г ее может содержаться десятки тысяч грибных зародышей, а общая длина гиф может достигать 700 м. Наибольшее количество грибов — в верхних горизонтах почв, особенно удобренных, или в подстилках опавшей листвы. С глубиной количество грибов резко уменьшается. Грибы участвуют в разложении клетчатки, в превращениях азота, в структуро-образовании почвы.

Клетки грибов имеют сильно вытянутую форму и поэтому напоминают нити — гифы, толщина которых 1...15 мкм. Гифы ветвятся и переплетаются, образуя мицелий или грибницу (рис. 8). Грибы могут быть одноклеточные — без перегородок (не септиро-ваны) или многоклеточные — с перегородками (септированы). Мицелий развивается на поверхности субстрата, часть его проникает в субстрат. В этом случае происходит специфическое разрушение материала [2].

Это и есть условие смачивания адгезивом поверхности субстрата. Для того чтобы оторвать слой жидкости от смоченной поверхности, необходимо совершить работу

Влияние структурных превращений вблизи поверхности субстрата на свойства гетерогенных полимерных систем проявляется в еще более выраженной форме при формировании клеевых прослоек. Электронно-микроскопические исследования тонких срезов слоя на границе адгези-в — субстрат для кристаллизирующегося полимера показали [Л. 65], что пограничная зона существенно отличается по своей структуре от компонентов системы. На границе полимер — субстрат образуется слой из плотного ряда сферолитов вытянутой формы, ориентированных относительно границы раздела. Интересно отметить, что возникающие в пограничной зоне напряжения вызывают ускоренную и ориентированную кристаллизацию, которая сопровождается частичной релаксацией этих напряжений.

Рис. 2-5. Схема ориентации структурных элементов сетки у поверхности субстрата в процессе формирования клеевой прослойки.

в клей наполнители очищались и прокаливались при температуре 378 К в течение 8 ч. Предварительно отмученный кварцевый песок очищался от органических примесей прокаливанием при температуре 673 К <в течение 6 ч с последующим травлением в 50%-ной соляной кислоте продолжительностью 70 ч, после чего отмывался в дистиллированной воде до исчезновения реакции образования хлористого серебра. Для сведения до минимума конкурирующего влияния внутренних напряжений на структуру прослойки поверхности субстрата обрабатывались парафиновой эмульсией.

пастой, электрополировка, точное литье, песко- и дробеструйная обработка, электроискровая обработка и др.). Оценку поверхности субстрата дает ее микротопография, построенная по продольным и поперечным профило-граммам и позволяющая в известной мере судить о величине реальной поверхности и объеме впадин между выступами микронеровностей. На рис. 4-10 приведена микротопография поверхности с двумя граничными плоскостями М и N, которые являются касательными наивысшим вершинам и наиболее глубоким впадинам. Объем среды Vc в межвыступном пространстве будет определяться из соотношения

:ной) поверхности субстрата 5И. Более того, известны ^рекомендации по повышению прочности и герметичности соединений путем увеличения поверхности 3„ [Л. 2]. Поскольку реальные поверхности, как правило, шероховаты, то Su>SKKJl или коэффициент увеличения поверхности

е& = 8У(1 + л), где ц — коэффициент Пуассона. По сути дела пленку между поверхностями субстратов можно представить в виде упругой пленки с размерами /2, Ъч, растянутой до размеров l\, bi и приклеенной к поверхностям субстратов, которые препятствуют сокращению. Растянутая пленка .(рис. 2-4) стремится сократиться с силой F, которая уравновешивается силами N, действующими в плоскости между фазами прослойка — поверхности субстратов. Значение нормальных внутренних напряжений в клеевой прослойке будет-

Структура системы уравнений (2-5) показывает, что напряжение Fy, как результат деформации сетки, стремится сблизить поверхности субстратов, а напряжение Fx заставляет элементы структуры клеевой прослойки работать на растяжение.

Как уже отмечалось, модификация клеевых композиций эластомерами в значительной степени снижает внутренние напряжения на границе раздела адгезив—субстрат [Л. 4]. Это связано с ростом высокоэластической составляющей деформации, увеличивающей релаксацию внутренних напряжений и снижающей величину растягивающих усилий клеевой прослойки. Имеет место невыраженное скольжение цепей сетки по модифицированной поверхности субстратов и относительно друг друга. Если взаимосвязь между термическим сопротивлением и внутренними напряжениями действительно определяется ориентационным эффектом структурных элементов прослойки, то очевидно, что обработка композиций эластомерами наряду с понижением внутренних напряжений должна привести к снижению термического сопротивления.

При подготовке образцов к опытам перед склеиванием их особое внимание уделялось созданию заданной геометрической поверхности субстратов. Технология изготовления заданной геометрии поверхностей субстратов соответствовала описанной в ![Л. 16] для образцов по исследованию контактного теплообмена. Приготовление клеев из отдельных компонентов, подготовка поверхностей к склеиванию, нанесение клея на поверхности, открытая выдержка, сборка, выдержка под давлением,

поверхности субстратов модифицировались парафиновой эмульсией.

Рис. 4-17. Схемы профилей обработанной поверхности субстратов с границей клеевой прослойки (о) и составляющих термического сопротивления клеевой прослойки (б) с учетом газовых включений.

термического сопротивления в зависимости от давления отверждения определенное влияние оказывает геометрия поверхности субстратов. Симптоматично в этом смысле сравнение результатов исследований шероховатых (кривые 1—5) и практически гладких (1'~5') поверхностей. Видно, что кривые зависимости R=f(p0^) для соедине-

Рис. 4-23. Зависимость термического сопротивления клеевой прослойки при Г=373 К от геометрии поверхности субстратов при различном расходе клея и давлении отверждения.

лись поверхности субстратов, предварительно модифицированные парафиновой эмульсией. Экспериментальные данные в виде зависимости термического сопротивления от нагрузки приведены в таблицах приложения (см. приложение II, табл. И-3) и на рис. 4-30—4-32. Из графиков рис. 4-30—4-32 следует, что с увеличением, нагрузки термическое сопротивление уменьшается. Во всех опытах наблюдается нелинейность зависимости Rm~f(p) для малых нагрузок [см. соотношение (4-82)]. Дальнейшее повышение нагрузки характеризуется вырождением зависимости Rm~f(p) для образцов из однородных и разнородных металлов.

Входящие в (4-106) и (4-107.) т]2В и т]2н находятся соответственно по формулам (4-101) и (4-102). Если геометрия волны или макронеровности отличается от сферической, то расчет т)2в и т)2Н целесообразно осуществлять по одной из зависимостей, приведенных в работе [Л. 11]. Относительная площадь фактического контакта шероховатых поверхностей может быть определена в соответствии со способом обработки поверхности субстратов по формулам (4-71) — (4-75).

С целью выявления практической ценности уравнений (4-122) — (4-124), выведенных на основе целого ряда приближений, а также особенностей протекания процесса теплопереноса клее-сварных и клее-заклепочных соединений в зависимости от технологии изготовления, рода материала и размеров соединяемых элементов, разновидностей клеев, толщины клеевой прослойки и т. д. были проведены опытные исследования. Испытания осуществлялись стационарным методом на установке, приведенной выше (см. рис. 4-2—4-4). Основные характеристики исследуемых образцов представлены в табл. 4-13. Для сведения до минимума влияния ориентационного эффекта на тепловые свойства клеевой прослойки поверхности субстратов обрабатывались парафиновой эмульсией. Образцы с клее-сварными соединениями изготавливались из дюралюминиевых листов с поверхностью обработки 7-го класса чистоты на сварочной машине УМП75 со сменными электродами. Толщина клеевой прослойки варьировалась с помощью специальных ограничителей усилием предварительного обжатия.

Материал склеенной пары Д16Т. Поверхности субстратов обработаны шлифованием. Чистота обработки поверхностей VII/V66. Максимальная высота микронеровностей ЛМаке=7,1 • 10~в м. Средняя высота волн поверхностей ЯСр=44,2- 10~6 м. Толщина клеевой прослойки между максимальными неровностями поверхностей 6П= =0,16-10~3 м. В зоне клеевого шва клей ВК-1. Температура клеевой прослойки 368 К. Теплопроводность клея при данной температуре Х„=0,19 Вт/°С.