Коли клейове з’єднання виходить з ладу, наші перші кроки зазвичай передбачають оцінку адекватності адгезії, належної обробки поверхні, достатнього просочення та старіння матеріалів.
Однак у реальних інженерних застосуваннях певні збої не починаються лише після введення в експлуатацію; швидше, потенційні ризики вже присутні, коли клей повністю затвердів.
Ця потенційна небезпека полягає в наявності залишкової внутрішньої напруги.
Він невидимий і його важко точно виміряти, але він не є містичним за своєю природою. Простіше кажучи, клей піддається усадці під час затвердіння та охолодження; якщо навколишній субстрат обмежує його вільну деформацію, неусадкова частина стає залишковою напругою в клейовому шарі.
Сьогодні я скерую вас усіх до глибокого розуміння цієї концепції.
0 1 Навіщо це вивчати?
Небезпека внутрішнього стресу пов’язана з-накопичуванням енергії.
Після затвердіння клейовий шар зберігає частину енергії пружної деформації. Ця енергія служить основною рушійною силою для подальшого міжфазного розшарування, поширення мікротріщин і деформації викривлення.
Візьміть розшарування та розшарування на інтерфейсі як приклади: внутрішні напруги накопичуються поверх робочого навантаження, внаслідок чого фактичне напруження на інтерфейсі значно перевищує проектно-розраховане номінальне значення. Іншими словами, ще до того, як клейовий шар почне офіційно працювати, інтерфейс уже піддається надмірному попередньому-натягу.
Іншим прикладом є дрейф точності, який виявляється особливо шкідливим для точних вузлів, таких як роботи, двигуни та оптичні компоненти.
Положення магнітного сердечника в двигуні, вирівнювання оптичних компонентів і розміри структурних частин можуть зазнавати тривалого -дрейфу через поступове зняття внутрішніх напруг. Якщо компоненти спочатку відповідають вимогам під час складання, але демонструють відхилення після сотень годин роботи, такі проблеми часто виникають через наявність внутрішніх напруг.
Крім того, знижується довговічність втомлення. Внутрішня напруга представляє -тривалий середній рівень напруги, який у сукупності знижує криву втомленого ресурсу. Поєднання температурних циклів, вологості та вібрації часто призводить до ситуацій, коли продукти проходять початкове тестування, але виходять з ладу під час масового виробництва.
Тому внутрішня напруга є не другорядною проблемою, а скоріше основною передумовою надійності з’єднання. Він визначає не тільки те, чи можливе зчеплення, але й те, як довго з’єднання залишається стабільним після цього.
0 2 Звідки виникає внутрішня напруга?
Щоб зрозуміти внутрішній стрес, потрібно спочатку зрозуміти його походження.
Внутрішня напруга під час затвердіння клею в основному виникає через два типи деформацій, які виявляють тенденцію до скорочення, але насправді не можуть цього зробити.
Перша категорія - це усадка затвердіння, також відома як хімічна усадка.
У рідких мономерах молекули підтримують контакт через сили Ван-дер-Ваальса (слабкі взаємодії). Між атомами двох молекул немає хімічних зв’язків; вони просто існують у безпосередній близькості, з типовою відстанню приблизно 0,3–0,4 нм (що являє собою суму ван-дер-ваальсових радіусів обох молекул).
Під час реакції полімеризації між мономерами утворюються ковалентні зв’язки. Взявши як приклад найпоширеніший одинарний зв’язок C–C, його довжина становить приблизно 0,154 нм. Це означає, що дві молекули, спочатку розділені нещільною відстанню приблизно 0,35 нм, тепер примусово з’єднуються ковалентним зв’язком довжиною приблизно 0,15 нм-, що призводить до зменшення міжмолекулярної відстані більш ніж наполовину. (Малюнок)
На макроскопічному рівні одночасне скорочення трильйонів таких молекулярних пар проявляється як зменшення об’єму. Це фізичний наслідок, якого неможливо повністю уникнути в жодній реакції полімеризації приєднання.
Друга категорія - напруга теплової невідповідності.
Для затвердіння багатьох клеїв потрібне нагрівання. Після затвердіння, при охолодженні від високої температури до кімнатної температури, коефіцієнти теплового розширення клею та підкладки відрізняються.
Коефіцієнт теплового розширення клею зазвичай значно вищий, ніж у основних матеріалів, таких як метали, магніти та кераміка. Під час охолодження клей має тенденцію до подальшого стиснення, але основний матеріал перешкоджає його вільному стисненню, тим самим стримуючи клейовий шар і викликаючи залишкову внутрішню напругу.
Найважливішим поняттям тут є гелева точка.
До гелевої точки клей залишається рідким і може розтікатися. Під час цієї стадії, навіть якщо відбувається стиснення, матеріал може розсіяти таку деформацію через потік, реорганізацію та заповнення, таким чином мінімізуючи накопичення внутрішньої напруги.
Після гелевої точки ситуація змінюється. Усередині клею починає формуватися тривимірна сітка, і матеріал поступово переходить із рідкого стану в твердий. На цьому етапі клейовий шар набуває-несучої здатності та починає «пам’ятати» наступні події усадки та деформації.
Іншими словами, частина скорочення, що відбувається після точки гелю, справді схильна до створення внутрішнього стресу.
З плином часу матеріал твердіє, і його Tg постійно зростає. Коли Tg перевищує поточну робочу температуру, клейовий шар переходить із гумового стану в склоподібний.
При переході в скляний стан модуль клейового шару швидко зростає, ускладнюючи рух сегмента ланцюга; отже, частину стресу, яку раніше можна було звільнити, стає ще важче звільнити.
Тому внутрішній стрес можна просто зрозуміти як:
Перед точкою гелю: скорочення може відбутися без легкої індукції стресу.
Після гелевої точки: шар гелю починає утворювати мережу, і подальша усадка запобігає.
Після склування: матеріал стає жорстким, а його молекулярні ланцюги знерухомлені, що ускладнює звільнення від напруги.
Як ми всі знаємо:
Напруження=Модуль × Деформація
Кінцеве внутрішнє напруження ≈ ефективний модуль × (усадка після-гелеутворення затвердіння + деформація термічної невідповідності) − релаксаційне вивільнення
Деформацію теплової невідповідності можна просто зрозуміти як:
Термічна деформація невідповідності ≈ (коефіцієнт теплового розширення адгезиву − коефіцієнт теплового розширення основи) × ефективна різниця температур
Лише скорочення та термічна невідповідність, що виникають після точки гелю, помножені на безперервно зростаючий модуль, за вирахуванням частини, вивільненої через релаксацію під час процесу, становлять остаточну чисту внутрішню напругу.
Це також є причиною того, чому внутрішню напругу важко вивчити: вона не виникає раптово в один момент, а накопичується поступово під час процесів твердіння та охолодження. Протягом цього процесу усадка, температура, модуль і здатність матеріалу знімати напругу постійно змінюються.
03 Як охарактеризувати: спочатку виміряйте «результат», потім виміряйте «причину».
Зараз загальновизнано, що внутрішня напруга не виникає раптово в одну мить, а накопичується поступово під час процесів затвердіння та охолодження.
Кожен параметр тут постійно змінюється: змінюється швидкість стиснення, температура, модуль і навіть здатність матеріалу знімати напругу.
Тому характеристика внутрішньої напруги не може покладатися лише на одне числове значення; вона повинна відповідати одночасно на два питання:
По-перше, яка величина напруги чи деформації залишається в кінці?
По-друге, як ці напруги утворюються в процесі затвердіння?
Що стосується методів тестування, то їх загалом можна розділити на дві категорії.
Одна категорія передбачає пряме вимірювання результатів напруги або деформації, тоді як інша вимірює внутрішні параметри матеріалу для створення моделей.
Категорія 1: результати прямого вимірювання напруги або деформації
Цей підхід зосереджений на визначенні ступеня деформації або залишкової напруги, викликаної структурою після затвердіння клею.
Найбільш класичним методом є підхід згинання консольної балки або біматеріальної балки. Клей наноситься на тонкі металеві листи, кремнієві пластини або інші матеріали підкладки; під час затвердіння усадка клею призводить до вигину основи. Вимірюючи кривизну в режимі реального часу та використовуючи метод, аналогічний рівнянню Стоуні, можна розрахувати середнє напруження в клейовому шарі. Перевагами цього підходу є те, що він інтуїтивно зрозумілий і добре-налагоджений, що дозволяє візуалізувати криві, що зображують, як напруга змінюється залежно від часу затвердіння.
Існує також техніка волоконної решітки Брегга (FBG). Вбудовуючи оптичні волокна в шар гелю, деформацію всередині гелю можна виміряти в реальному часі. Цей метод забезпечує більш точне відображення внутрішнього стану гелю порівняно з вимірюванням тільки поверхневої деформації, хоча він тягне за собою вищі витрати та більшу складність операцій.
Моніторинг деформації затвердіння в композитних ламінатах за допомогою розподіленого оптичного датчика (джерело зображення)
Для прозорих клеїв також можна використовувати методи фотопружності або подвійного променезаломлення, щоб спостерігати за розподілом напруги через-подвійне променезаломлення.
Крім того, такі методи, як буріння, відбір проб керна, дифракція рентгенівських променів (XRD), розсіювання нейтронів і аналіз комбінаційного зсуву також можна використовувати за певних умов для вимірювання залишкової напруги або непрямої деформації.