Герметизация ЭВС и методы контроля герметичности
Целью работы:является изучение особенностей герметизации конструктивов ЭВС с применением полимерных материалов и технологических приемов для получения высококачественных герметизирующих конструкций; определение технологических параметров процесса герметизации с использованием полимерных материалов.
Продолжительность занятия – 4ч.
Теоретические сведения
Особенности герметизации конструктивов ЭВС,
содержащих внутренние газовые полости
В большинстве случаев узлы, блоки и т. д. ЭВС представляют собой конструкции, которые содержат газовые полости, отделяемые от внешней среды герметизирующей оболочкой (например, изделия, герметизированные в металлополимерных корпусах).
Подобные газовые полости часто являются причиной брака герметизированных изделий вследствие образования в герметизирующей оболочке различного рода несплошностей, пузырей и сквозных каналов.
Образование дефектов в оболочке вызывается изменением давления в замкнутых газовых полостях после их появления во время герметизации. В процессе термообработки изделия при герметизации, давление 
внутри полости может отличаться от начального 
на некоторую величину 
:
.
Величина во многом зависит от температурного режима во время и (или) после образования замкнутой полости и от состава герметизирующего материала, если герметизация производится полимерным материалом. Например, термообработка изделия (после образования замкнутой газовой полости) при герметизации от начальной температуры 
до температуры 
приводит к тому, что давление в полости будет отличаться от начального на некоторую величину 
. Давление с точностью, вполне приемлемой для практики, можно оценить, используя уравнение состояния идеального газа
,
где коэффициент 
; 
, 
, 
, 
- соответственно масса, универсальная газовая постоянная (равная 62,37×103 см3×мм рт. ст. град.-1), молекулярная масса газа и объем замкнутой газовой полости.
При охлаждении изделия от температуры герметизации до температуры 
давление в газовой полости будет меньше и составит величину
.
Значения , можно получить, зная атомные массы элементов соединения (табл. 4.1).
При рассмотрении конкретного изделия с постоянным объемом воздушной полости коэффициент k имеет вполне определенное значение. Поэтому после герметизации конструкций с воздушными полостями постоянного объема расчет давления в этих полостях можно производить без учета коэффициента k из известного соотношения
| (1) |
При использовании для герметизации растворов полимеров нарушение сплошности герметизирующей оболочки возможно в результате испарения в газовую полость растворителей, содержащихся в материалах.
Таблица 4.1.
Атомные массы некоторых элементов таблицы Д.И.Менделеева
| N п/п | Наименование элемента и его символ | Атомная масса, а. е. м. |
| Азот N | 14,007 | |
| Алюминий Al | 26,982 | |
| Аргон Ar | 39,948 | |
| Бор В | 10,811 | |
| Водород Н | 1,008 | |
| Калий К | 39,102 | |
| Кислород O | 16,000 | |
| Кремний Si | 28,086 | |
| Натрий Nа | 22,999 | |
| Сера S | 32,064 | |
| Углерод С | 12,011 | |
| Фосфор Р | 30,974 | |
| Фтор F | 18,998 | |
| Хлор Cl | 35,453 |
После герметизации давление в замкнутой полости при одинаковых значениях температуры герметизации и той температуры, при которой изделия будут находиться после герметизации через некоторое время, составит
,
где Pp - давление паров растворителя.
Перенос вещества (например, растворителя) при испарении осуществляется за счет различия в давлении насыщенных паров переносимого вещества над источником испарения и средой, в которую происходит испарение. Как видно из рис. 4.1, давление насыщенного пара возрастает с повышением температуры. Математически эту зависимость, пользуясь уравнением Клапейрона-Клаузиуса и полагая, что объем пара во много раз
Рис. 4.1. Зависимость давления насыщенного пара CCl4 (1), C2H5OH (2) и H2O (3) от температуры.
больше объема конденсированной фазы, можно представить в виде
| (2) | |
| (3) |
где А, В, С – константы, определяемые экспериментально для определенного температурного интервала.
Испарение растворителя происходит с различной скоростью (в зависимости от его природы и условий испарения) (табл. 4.2) и продолжается до полного насыщения газовой полости, которому будет соответствовать давление насыщенных паров 
. В зависимости от рассматриваемого температурного диапазона для определения используется выражение (2) или (3); для этих же температурных диапазонов. В табл. 4.3 приводятся значения констант А, В и С.
Если раствор полимера приготавливается на основе смеси растворителей, то для определения суммарного давления над раствором, складывающегося из парциальных давлений отдельных растворителей, надо использовать закон Рауля. Известно, что закон Рауля применим лишь к идеальным смесям, когда парциальное давление пара отдельного компонента над раствором представляет собой простую логарифмическую зависимость от его мольной доли в смеси растворителей (мольная доля равна процентному содержанию компонента, деленному на 100). Полагая, что такая зависимость имеет место в действительности, рассмотрим процесс испарения растворителей сначала из смеси растворителей, а затем и из раствора полимера.
Таблица 4.2.
Основные свойства некоторых органических растворителей
| N п/п | Наименование вещества | Относительная летучесть (скорость испарения)* | Температура кипения, °С | Давление паров насыщения при 20 °С, мм. рт. ст |
| Ацетон | 2,1 | |||
| Бензол | 3,0 | 80,2 | ||
| Бутиловый спирт | 33,0 | 117,7 | 4,7 | |
| Ксилол | 13,5 | 136145 | 10,0 | |
| Толуол | 6,1 | 110,8 | 22,3 | |
| Циклогексанол | 7,0 | |||
| Четырех-хлористый углерод | 3,0 | 76,8 | 91,2 | |
| Этилацетат | 2,9 | 77,15 | 7,3 | |
| Этиловый спирт | 8,3 | 78,3 | 44,0 | |
| Этилцеллозольв | 4,3 | |||
| Вода | >8,3 | 17,54 |
*Характеризует замедление скорости испарения (при одинаковых условиях) по сравнению с этиловым эфиром, скорость испарения которого принята за единицу.
Если через 
обозначить мольную долю i-гo растворителя в смеси, то парциальное давление 
этого растворителя над смесью растворителей будет определяться
| (4) |
где 
- давление насыщенного пара i -го растворителя, определенное из выражения (2) или (3).
Суммарное давление 
над смесью будет
| (5) |
где n - количество растворителей в смеси.
Если смесь растворителей используется для получения раствора полимера, то давление над таким раствором в соответствии с тем же законом Рауля будет меньше давления и понижение давления будет тем существеннее, чем выше концентрация или мольная доля полимера в растворе (либо, что одно и то же, чем ниже мольная доля растворителей в растворе). Давление смеси растворителей над раствором полимера 
будет пропорционально мольной доле растворителя 
в растворе полимера и определится как
| (6) |
Выражение (6) является основополагающим для регулирования давления в замкнутых полостях. Так, при повышении концентрации герметизирующего раствора полимера давление в полости будет понижаться, при обратном процессе возрастать. Из этого следует также, что в определенных случаях можно расчетным путем определять минимальное значение концентрации раствора полимера, соблюдение которой будет обеспечивать целостность герметизирующей оболочки, а использование растворов меньшей концентрации - приводить к ее механическому повреждению.
При термообработке изделия, герметизируемого раствором полимера с использованием смеси растворителей, давление в газовой полости будет изменяться за счет изменения давления газа в полости (см. рис. 4.1), а также за счет изменения парциального давления паров растворителей при изменении температуры. При повышении температуры герметизированных изделий от до давление в полости в соответствии c выражениями (1), (4) и (6) будет определяться по формуле
| (7) |
При охлаждении изделий непосредственно после герметизации от температуры до температуры будут протекать два конкурирующих процесса, интенсивность которых и будет определять результирующее давление
| (8) |
Например, может оказаться так, что сначала вследствие быстрого охлаждения давление в полости будет уменьшаться, а затем по мере насыщения полости парами растворителя оно начнет возрастать.
Таким образом, практически задача сводится к тому, чтобы общее давление 
в газовой полости, равное сумме парциальных давлений 
газов (в нашем случае воздуха) и паров растворителя или смеси растворителей , не превышало бы некоторого критического давления 
, механически нарушающего целостность герметизирующей оболочки. Величина будет зависеть от значения коэффициента k, характеризующего степень превышения начального давления в газовой полости:
| (9) |
Если с повышением температуры значение 
(т. е. 
), то процесс термообработки можно проводить при выбранной температуре (например, при температуре , рис. 4.2) и брать при этом раствор любой концентрации. Если же 
( 
), то следует сначала определить, не превышает ли давление значение давления 
.
Так, при некоторой температуре 
(см. точку, соответствующую 
, рис. 4.2) давления становятся равными, т. е. 
.
Это тот граничный случай, когда следует строго соблюдать температурный режим термообработки, обеспечивая условие PT = kP0 = PKP и стараться применять герметизирующие композиции без растворителей.
Выше этой температуры, при Рт >kРo, например Т3(см. рис. 4.2), нельзя проводить термообработку изделий, поскольку она приведет к механическому нарушению сплошности герметизирующей оболочки. В этом случае нельзя также пользоваться для герметизации растворами полимеров, какую бы концентрацию они не имели.
Поэтому первым условием целостности герметизирующей оболочки является соблюдение неравенства 
. Это неравенство является необходимым условием правомерности применения для герметизации растворов полимеров. При этом концентрация растворов полимеров будет определяться значениями допустимого давления РРСД паров растворителей, которое можно представить как
| (10) |
избыточное давление паров в газовой полости будет
| (11) |
Поскольку давление с повышением температуры увеличивается, то доля давления, приходящаяся на давление паров растворителя , уменьшается.
Таблица 4.3.
Исходные данные для расчета давлений насыщенных паров некоторых органических растворителей
| Наименование растворителя | Химическая формула | Используемое уравнение | Температурный диапазон, °С | 3начения констант | |||
| А | В | С | |||||
| Ацетон | (CH3)2CO | (2)* | 8,897 | 1942,59 | - | ||
| Бензол | C6H6 | (3) | 5,5-160 | 6,912 | 1214,64 | 221,2 | |
| Бутиловый спирт | C4H9OH | (2) | 75-117,5 | 9,136 | - | ||
| Ксилол | C6H4(CH3)2 | (3) | 25-50 | 7,356 | 1671,8 | 231,0 | |
| Толуол | C6H5CH3 | (3) | 20-200 | 6,953 | 1343,94 | 219,38 | |
| Циклогексанол | C6H11OH | (2)* | 6,835 | 1755,07 | - | ||
| Четыреххлористый углерод | CCl4 | (3) | –15 - +138 | 6,934 | 1242,43 | 230,0 | |
| Этилацетат | CH3CO2C2H5 | (2)* | 8,238 | 1867,87 | - | ||
| Этиловый спирт | C2H5OH | (2)* | 9,554 | 2318,0 | - | ||
| Этилцеллозольв | C2H5OC2H4OH | (2)* | 8,348 | 2198,38 | - |
*Использовать для расчетов при температурах, практически не отличающихся от нормальной.
Рис. 4.2. Зависимость давления в газовой полости от температуры.
При этом уменьшается также доля допустимого давления паров растворителей и увеличивается доля их избыточного давления. Общее давление паров растворителей РРСД можно уменьшать до требуемой величины путем регулирования (в данном случае повышения) концентрации раствора полимера до значения, когда РРСИ = 0 и РРС = РРСД. 
Величина допустимой (минимальной) концентрации раствора полимера будет определяться соотношением между давлением и суммарным давлением растворителей (или величиной избыточного давления РРСИ). Если имеет место соотношение РРСД ³ РРС (режим при температуре , РРСИ £ 0, рис. 4.2), то для герметизации можно использовать растворы полимеров любой концентрации. Если же РРСД £ РРС (режим при температуре, когда РРСИ ³ 0, см. рис. 4.2), то следует выдерживать ту минимальную мольную долю 
полимера в растворе, ниже которой его применение недопустимо. Эту величину можно определить из следующих выражений:
| (12) |
или
| (13) |
что соответствует минимальной концентрации полимера
| (14) |
Зная, давление i-гo растворителя ( ) над смесью растворителей, можно определить массу паров этого растворителя в полости с учетом концентрации 
полимера
| (15) |
Тогда общая масса 
паров (во внутрикорпусной среде) всех растворителей составит