Когато залепващата фуга се повреди, нашите първи стъпки обикновено включват оценка дали силата на залепване е подходяща, повърхностната обработка е правилна, импрегнирането е достатъчно и материалите не са остарели.
Въпреки това, в действителните инженерни приложения, определени повреди не започват само при пускане в експлоатация; по-скоро потенциалните рискове вече са налице, след като лепилото е напълно втвърдено.
Тази потенциална опасност е наличието на остатъчно вътрешно напрежение.
То е невидимо и трудно за прецизно измерване, но не е мистично по природа. Просто казано, лепилото претърпява свиване по време на втвърдяване и охлаждане; ако заобикалящият субстрат ограничава свободната му деформация, несвиваемата част се превръща в остатъчно напрежение в адхезивния слой.
Днес ще ви насоча към задълбочено разбиране на тази концепция.
0 1 Защо да го изучавате?
Опасностите от вътрешния стрес са от естество на „съхранение-на енергия“.
При втвърдяване адхезивният слой съхранява част от еластичната енергия на деформация. Тази енергия служи като основна движеща сила за последващо междинно разслояване, разпространение на микропукнатини и деформация на изкривяване.
Вземете разслояването и разслояването на интерфейса като примери: вътрешните напрежения се натрупват в допълнение към експлоатационното натоварване, което кара действителното напрежение на интерфейса да надхвърли далеч проектно-изчислената номинална стойност. С други думи, дори преди адхезивният слой да започне официална експлоатация, интерфейсът вече е подложен на прекомерно предварително-опъване.
Друг пример е дрейфът на точността, който се оказва особено пагубен за прецизни модули като роботи, двигатели и оптични компоненти.
Позицията на магнитната сърцевина в двигателя, подравняването на оптичните компоненти и размерите на конструктивните части могат да претърпят дългосрочно-променливост поради постепенното освобождаване на вътрешните напрежения. Ако компонентите първоначално са съвместими по време на монтажа, но показват отклонения след стотици часове работа, такива проблеми често произтичат от наличието на вътрешни напрежения.
Освен това, животът на умората е намален. Вътрешното напрежение представлява дългосрочно-средно ниво на напрежение, което общо понижава кривата на живот на умора. Комбинацията от температурни цикли, влажност и вибрации често води до ситуации, при които продуктите преминават първоначално тестване, но се провалят по време на масовото производство.
Следователно вътрешното напрежение не е второстепенен проблем, а по-скоро основната предпоставка за надеждно свързване. Той определя не само дали може да възникне адхезия, но и колко дълго връзката остава стабилна след това.
0 2 Откъде възниква вътрешното напрежение?
За да разберем вътрешния стрес, първо трябва да разберем неговия произход.
Вътрешното напрежение по време на втвърдяването на лепилото основно възниква от два вида деформации, които проявяват тенденция да се свиват, но всъщност не могат да го направят.
Първата категория е свиване при втвърдяване, известно още като химическо свиване.
В течните мономери молекулите поддържат контакт чрез силите на Ван дер Ваалс (слаби взаимодействия). Между атомите на двете молекули няма химични връзки; те просто съществуват в непосредствена близост, с типично разстояние от приблизително 0,3–0,4 nm (което представлява сумата от радиусите на Ван дер Ваалс на двете молекули).
По време на реакцията на полимеризация се образуват ковалентни връзки между мономерите. Като вземем за пример най-разпространената единична C–C връзка, нейната дължина на връзката е приблизително 0,154 nm. Това означава, че две молекули, първоначално разделени от свободно разстояние от около 0,35 nm, сега са принудително събрани заедно чрез ковалентна връзка с дължина приблизително 0,15 nm-, което води до намаляване на междумолекулното разстояние с повече от половината. (Фигура)
На макроскопично ниво едновременното свиване на трилиони такива молекулни двойки се проявява като намаляване на обема. Това е физическо последствие, което не може да бъде напълно избегнато при която и да е реакция на допълнителна полимеризация.
Втората категория е напрежението при термично несъответствие.
Много лепила изискват нагряване, за да се втвърдят. След втвърдяване, когато се охлади от висока температура до стайна температура, коефициентите на топлинно разширение на лепилото и субстрата се различават.
Коефициентът на топлинно разширение на лепилото обикновено е значително по-висок от този на основните материали като метали, магнити и керамика. По време на охлаждане лепилото има тенденция да се свива допълнително, но основният материал предотвратява свободното му свиване, като по този начин ограничава адхезивния слой и предизвиква остатъчно вътрешно напрежение.
Най-критичната концепция тук е гел точката.
Преди точката на гелиране лепилото остава течно и може да тече. По време на този етап, дори ако възникне свиване, материалът може да разсее такава деформация чрез поток, реорганизация и запълване, като по този начин минимизира натрупването на вътрешно напрежение.
След гел точката ситуацията се променя. Три{1}}триизмерна мрежа започва да се образува в лепилото и материалът постепенно преминава от течно в твърдо състояние. На този етап адхезивният слой придобива-носеща способност и започва да „помни“ последващи събития на свиване и деформация.
С други думи, частта от свиване, възникваща след точката на гел, е наистина склонна към генериране на вътрешен стрес.
С течение на времето материалът се втвърдява допълнително и неговата Tg непрекъснато се покачва. Когато Tg превиши текущата работна температура, адхезивният слой преминава от гумено състояние в стъкловидно състояние.
При навлизане в стъклено състояние, модулът на адхезивния слой се увеличава бързо, което прави движението на верижния сегмент по-трудно; следователно, част от стреса, който преди можеше да бъде освободен, става още по-труден за освобождаване.
Следователно вътрешният стрес може просто да се разбира като:
Преди точката на гел: свиването може да възникне без лесно предизвикване на стрес.
След точката на гел: слоят гел започва да образува мрежа и последващото свиване е предотвратено.
След витрификация: материалът става твърд, с неподвижни молекулни вериги, което затруднява освобождаването от напрежение.
Както всички знаем:
Напрежение=Модул × Деформация
Крайно вътрешно напрежение ≈ ефективен модул × (свиване след-гелиране при втвърдяване + деформация на термично несъответствие) − релаксационно освобождаване
Деформацията на топлинно несъответствие може просто да се разбира като:
Деформация на термично несъответствие ≈ (коефициент на термично разширение на лепилото − коефициент на термично разширение на субстрата) × ефективна температурна разлика
Само свиването и термичното несъответствие, възникващо след точката на гелиране, умножено по непрекъснато увеличаващия се модул, минус частта, освободена чрез релаксация по време на процеса, представлява крайното нетно вътрешно напрежение.
Това е и причината вътрешният стрес да е труден за изследване: той не възниква внезапно в един момент, а се натрупва постепенно по време на процесите на втвърдяване и охлаждане. По време на този процес свиването, температурата, модулът и способността на материала да освобождава напрежението претърпяват непрекъснати промени.
03 Как да характеризирате: Първо измерете „резултата“, след това измерете „причината“.
Вече е широко признато, че вътрешното напрежение не възниква внезапно в един момент, а по-скоро се натрупва постепенно по време на процесите на втвърдяване и охлаждане.
Всеки параметър тук непрекъснато се променя: степента на свиване, температурата, модулът и дори способността на материала да освобождава напрежението варират.
Следователно характеризирането на вътрешното напрежение не може да разчита единствено на една цифрова стойност; той трябва да отговори едновременно на два въпроса:
Първо, какво количество напрежение или деформация остава в края?
Второ, как се формират тези напрежения по време на процеса на втвърдяване?
Що се отнася до методите за тестване, те най-общо могат да бъдат разделени на две категории.
Едната категория включва директно измерване на резултати от напрежение или деформация, докато другата измерва присъщите параметри на материала за създаване на модели.
Категория 1: Директно измерване на резултати от напрежение или деформация
Този подход се фокусира върху определяне на степента на деформация или остатъчно напрежение, предизвикано в структурата след втвърдяване на лепилото.
Най-класическият метод е подходът за огъване на конзолна греда или двуматериален лъч. Лепилото се нанася върху тънки метални листове, силиконови пластини или други субстратни материали; по време на втвърдяване свиването на лепилото води до огъване на основата. Чрез измерване на кривината в реално време и използване на метод, аналогичен на уравнението на Stoney, може да се изчисли средното напрежение в адхезивния слой. Този подход предлага предимствата да бъде интуитивен и добре-утвърден, позволявайки визуализиране на криви, изобразяващи как напрежението варира с времето на втвърдяване.
Съществува и техниката на влакнеста брагова решетка (FBG). Чрез вграждане на оптични влакна в слой гел, напрежението в гела може да бъде измерено в реално време. Този метод осигурява по-точно отразяване на вътрешното състояние на гела в сравнение само с измерванията на повърхностната деформация, въпреки че води до по-високи разходи и по-голяма оперативна сложност.
Мониторинг на деформация на втвърдяване в композитни ламинати с помощта на разпределен оптичен сензор (източник на изображение)
За прозрачни лепила могат също да се използват методи за фотоеластичност или двойно пречупване, за да се наблюдава разпределението на напрежението чрез индуцирано от напрежение-двойно пречупване.
В допълнение, методи като сондиране, вземане на проби от керна, дифракция на рентгенови лъчи (XRD), разсейване на неутрони и анализ на рамановото изместване също могат да се използват при специфични условия за измерване на остатъчно напрежение или индиректна деформация.