ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Влияние окисных пленок на термическое сопротивление контакта металлических поверхностей из "Теплообмен через соединения на клеях " К настоящему времени имеется много данных, свиде-тельствз ющих о хороших электроизоляционных свойствах ОКИСНЫХ пленок на металлических поверхностях контактов [Л. 13]. Если руководствоваться основными положениями электротепловой аналогии, то следует ожидать роста термического сопротивления в зоне контакта металлических поверхностей в процессе их окисления. Однако при рассмотрении контактного теплообмена сопротивлением ОКИСНЫХ пленок обычно преднамеренно пренебрегают или не уделяют должного внимания. В ряде работ [Л. 114, 115] установлено, что при наличии относительно толстых ОКИСНЫХ пленок термическое сопротивление контакта значительно выше, чем для соединений с неокис-ленными поверхностями. Отмечается зависимость роста термического сопротивления с повышением толщины окисной пленки [Л. 116], которая имеет наиболее выраженный характер для соединений с малотеплопроводной межконтактной средой и при наличии макроскопических областей контакта. Такое влияние окисных пленок на термическое сопротивление в известной мере присуще и соединениям металлических поверхностей на клеях. [c.187] Несмотря на очевидный характер влияния окисных пленок на термическое сопротивление контакта металлических поверхностей, до настоящего времени изучению этой проблемы не уделялось должного внимания. С одной стороны, ощущается недостаток в данных об образовании и росте окисных пленок, об их прочности, теплофизических свойствах и изменениях термического сопротивления действительного контакта окисленных поверхностей. С другой стороны, сложный характер процесса теплопереноса на границе раздела фаз в зоне контакта соединений с окисными пленками затрудняет создание теоретической модели, в полной мере соответствующей структуре температурного поля такого соединения. [c.187] Делая попытку в какой-то мере восполнить пробел в области знаний о влиянии окисных пленок на термическое сопротивление контакта металлических поверхностей, вначале остановимся на основных положениях об окислении металлов и сплавов. [c.188] При медленном окислении образовавшаяся пленка моделирует первоначальный топографический рельеф металлической подложки. В результате интенсивного нагрева наблюдается появление локальных окисных образований IB форме пирамид, лежащих выще общего уровня неровностей. На поверхностях металлов с преимущественной ориентацией кристаллов окисная пленка обычно имеет равномерную толщину, в то время как поверхности, не обладающие преимущественной ориентацией, покрываются пленкой с неравномерной толщиной. Окисные пленки на металлах главных подгрупп I и II групп периодической системы, за исключением бериллия, обладают меньшим атомным объемом по сравнению с чистыми металлами [Л. 118]. Поскольку продукты окисления таких металлов не в состоянии заполнить объем, ранее занимаемый металлом, образующийся окисный слой имеет пористую структуру. Прочность сцепления окисных пленок с подложкой зависит от их толщины и соотношения твердостей металла и его окисла. Экспериментально установлено, что увеличение толщины окисной пленки, как правило, ведет к снижению прочности сцепления системы окисел — металлическая подложка. Пленка, обладающая высокой твердостью при относительно мягкой подложке (алюминий), разрушается при незначительном мехническом воздействии. В то же время пленки с твердостью, близкой к твердости металлической подложки (медь, сталь), имеют значительно более высокую прочность сцепления. [c.189] Согласно данным 1Л. 119] относительная твердость окислов при различных материалах образцов составляет для алюминия 4, 5 кадмия 1,5 свинца 1, 3 меди 1,2. [c.189] Лено [Л. 117, 118], что скорости реакций и соответствующие уравнения скорости окисления металла зависят от температуры, давления газовой среды, времени с начала реакции и технологии обработки поверхности. Контроль за увеличением толщины слоя окисла в начальной стадии процесса окисления можно осуществлять визуально, по изменению цветов побежалости [Л. 117] (см. табл. 4-14). Однако более достоверную информацию о формировании пленки во времени дает решение уравнений скорости окисления. Наиболее корректными с точки зрения описания предельных случаев окисления металлов, представляются параболические, линейные и кубические уравнения скорости роста пленки. [c.190] Уравнение (4-127) справедливо при высокотемпературном окислении различных сплавов [Л. 118], а также металлов типа титана и циркония [Л. 117]. [c.191] Рекомендуемые выше расчетные зависимости (4-125) — (4-128) позволяют, не производя постановки трудоемких экспериментов, получать информацию по росту окисных пленок на металлических поверхностях. [c.191] Из соотношения (1-13) следует, что термическое сопротивление контакта обратно пропорционально теплопроводности материала у поверхности раздела. Таким образом, всякое снижение теплопроводности в области непосредственного контакта будет повышать контактное сопротивление для данной геометрии последнего. Следовательно, образование на контактирующей площадке малотеплопроводной окисной пленки обусловливает повышение контактного термического сопротивления. [c.193] При изучении процесса теплопереноса через зону раздела с окисной пленкой можно исследовать элементарный канал с прослойкой, имитирующей окисную пленку с тем, чтобы полученные данные обобщить и реализовать для задачи с реально контактирующими окисленными металлическими поверхностями. Подобный подход к решению задачи используется при расчете термического сопротивления контакта неокисленных поверхностей. В данном случае влияние теплопроводности и толщины окисной пленки для заданной геометрии и данного основного металла исследовались в первую очередь на тепловой модели, после чего надежность полученных решений апробировалась путем сравнения с опытными данными, полученными на модели с одной и множеством контактных точек. [c.193] Согласно граничным условиям задачи можно представить форму гипотетического теплового канала в области окисной пленки, которая наиболее близка к реальной. [c.198] Выше отмечалось, что собственные значения (4-161) являются корнями уравнения Ji(Pn oi) =0, что с учетом (4-164) позволяет представить Ао как среднюю температуру при Z=6o. [c.201] При наличии окисной пленки на обеих поверхностях контакта полное сопротивление будет составляться из двух последовательно включенных сопротивлений, т. е. [c.202] ВОДНОСТИ окисных пленок контактирующих тел. [c.202] Поскольку величина r i носит гипотетический характер, выражение (4-169) нельзя брать за основу при расчете полного сопротивления элементарного канала с окисной пленкой. В то же время очевидно, что из всех возможных сопротивлений, которые получаются при искусственном подборе распределений линий теплового потока, наиболее близким к действительному будет максимальное результирующее сопротивление. [c.203] Таким образом, для заданной геометрш элементов канала и данных значений теплопроводности и Яо подбор / в пределах г , для которого R имеет максимум, дает возможность аппроксимировать действительное сопротивление стягивания анализируемого канала. [c.203] Следует отметить, что полученные данные не являются резулытатами точных решений, а основываются лишь на модельных представлениях, использующих гипотетическую 1Площ,адь сечения канала яг а, но они позволяют оценивать величину термического сопротивления контакта окисленных поверхностей. [c.205] На рис. 4-51,6 приводится схема распределения температур по длине образца, с помощью которой рассчитывается температурный перепад АТ от сжатия линий теплового потока в зоне контакта. Температуры Т и Г в находятся экстраполяцией кривых, построенных по показаниям термопар 1—4 и 5-8. Температура F s определяется по плотности теплового потока, значению температуры Т ъ и известной теплопроводности Хо. [c.206] Исследования проводились на образцах с тремя различными значениями от-нощений а1га (0,15 0,2 0,4) при четырех значениях параметра бо/а (0,06 0,11 0,15 0,22). Отношение теплопроводностей Хм/Яо сохранялось на уровне. 23,8. [c.206] Вернуться к основной статье