Эластичность (сжимаемость)

Комформность листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М к контактной поверхности и, соответственно, контактное термическое сопротивление, в существенной мере определяются их эластичностью. Эластичность (сжимаемость) КПТД-материалов характеризуется величиной модуля упругости E, МПа, рассчитываемого по величине абсолютной деформации материала при сжатии, а также степенью сжатия материала Δδ, %, рассчитываемой, как отношение величины абсолютной деформации листа при сжатии к исходной толщине листового материала. В зависимости от приложенного напряжения сжатия в пределах σ = 0,07 — 40 МПа максимальная степень сжатия, при которой не происходит разрушение материала, может достигать величины Δδ= 65-80%.

Номинальное рабочее напряжение сжатия σ₁₀, МПа определяет допустимую относительную деформацию листа материала (степень сжатия) в пределах до 10% от его исходной толщины, при которой изготовителем гарантируются его прочностные, электроизоляционные и теплопроводящие свойства, представленные в нормативных документах на КПТД-материалы.

Предельное напряжение сжатия σ₅₀, Мпа, определяет степень сжатия листа материала в пределах до 50% от его исходной толщины при которой не происходит потеря эластичности, и в последующем, при снятии напряжения сжатия материал восстанавливается до исходной толщины и сохраняет свои свойства. Не допускается эксплуатация изделий из материалов КПТД-2 и КПТД-2М при превышении предельного напряжения сжатия. Представленные ниже кривые сжатия листовых КПТД-материалов получены на образцах диаметром 40 мм при скорости движения сжимающей поверхности 0,5 мм/мин.

Рисунок 4 – Зависимость изменения толщины прокладки от напряжения сжатия

Расчет характеристик сжатия и эластичной деформации листовых материалов КПТД различной толщины позволяет повысить точность определения термического сопротивления в практических задачах теплоотвода, а также рассчитать необходимые усилия сжатия для достижения максимальной комфортности (растекания) прокладки между контактными поверхностями.

Эластичность стандартных листовых материалов КПТД-2 толщиной 0,18-0,35 мм характеризуется линейным характером деформаций при сжатии вплоть до предельных напряжений сжатия σ₅₀= 23,9 — 30,6 МПа. В области номинальных рабочих напряжений сжатия σ₁₀= 3,5 — 5,6 МПа остаточную толщину листа материала δ, мм, при сжатии возможно определить по зависимости:

где δ₀ — исходная толщина листа, мм; σ — напряжение сжатия, МПа; E — модуль упругости материала при расчете абсолютной деформации листа, МПа/мм.

Определив допустимое напряжение сжатия для данного вида и толщины материала, возможно рассчитать необходимое усилие сжатия прокладки P, между контактными поверхностями:

где F м² – площадь прокладки.

Относительная деформация листа материала (степень сжатия) вычисляется по формуле:

На основании выражений (5) и (7) уравнения для расчета допустимых напряжений сжатия примут вид:

где Δ₁₀ = 0,1 и Δ₅₀ = 0,5 – допустимые рабочая и предельная степень сжатия листа.

Результаты экспериментальных измерений характеристик сжатия листовых материалов КПТД-2 толщиной 0,15-0,55 мм и материалов КПТД-2М толщиной 0,15-1,0 мм для удобства расчетов по формулам (4) и (5) были обработаны в виде зависимости модуля упругости от толщины исходного листа (рис. 5).

Для материалов КПТД-2 получена эмпирическая зависимость модуля упругости E₁, МПа/мм от толщины листа

Для материалов КПТД-2 получена эмпирическая зависимость модуля упругости E1, МПа/мм от толщины листа

В уравнениях (10) и (11) значения δ₀ следует подставлять в мм.

Рисунок 5 – Допустимые напряжения сжатия листов КПТД-2 и КПТД-2М

Полученный различный характер зависимостей (10) и (11) для модулей упругости указывает на различный характер деформации при сжатии данных видов материалов. Однако, в обоих случаях с увеличением толщины материала упругие свойства снижаются, а эластичность и способность к текучести увеличивается.

Сравнительный анализ эластичности листовых материалов КПТД-2 и КПТД-2М по значениям модуля упругости показывает, что при равных толщинах листа материалы КПТД-2М имеют модуль упругости в 1,5-2,7 раза меньший и, соответственно, имеют в 1,5-2,7 раза большую эластичность при сжатии. Аналогичное сравнение материалов по величине удельного контактного термического сопротивления (конформности к контактной поверхности) R_S показывает, что значения R_S и E хорошо коррелируют между собой: чем меньше значение модуля упругости (или чем выше эластичность), тем ниже удельное контактное термическое сопротивление (или тем выше конформность материала к контактной поверхности).

На графиках, рис. 5, приведены результаты расчетов допустимых напряжений сжатия материалов КПТД-2 и КПТД-2М по формулам (8) и (9) с использованием зависимостей (10) и (11) для соответствующих модулей упругости. Для материалов КПТД-2 значения σ1₁₀ и σ1₅₀ несколько возрастают с увеличением толщины материала при линейном снижении значений модуля упругости. Для материалов КПТД-2М значения σ2₁₀ и σ2₅₀ линейно снижаются с увеличением толщины листа, что подтверждает высокие пластичные свойства применяемого гелеобразного силиконового полимера.