Keď zlyhá lepený spoj, naše prvé kroky zvyčajne zahŕňajú posúdenie, či je priľnavosť primeraná, či je povrchová úprava správna, impregnácia je dostatočná a či materiály nezostarli.
V skutočných inžinierskych aplikáciách však určité poruchy nezačínajú len pri uvedení do prevádzky; potenciálne riziká sú prítomné už po úplnom vytvrdnutí lepidla.
Toto potenciálne nebezpečenstvo je prítomnosť zvyškového vnútorného napätia.
Je neviditeľný a ťažko presne priamo merať, no nie je mystický. Jednoducho povedané, lepidlo sa počas vytvrdzovania a chladenia zmršťuje; ak okolitý substrát obmedzuje svoju voľnú deformáciu, nezmrštiteľná časť sa stane zvyškovým napätím vo vrstve lepidla.
Dnes vás všetkých prevediem dôkladným pochopením tohto pojmu.
0 1 Prečo to študovať?
Riziká spojené s vnútorným stresom majú charakter „-skladovania energie“.
Po vytvrdnutí adhezívna vrstva uchováva časť elastickej deformačnej energie. Táto energia slúži ako základná hnacia sila pre následnú medzifázovú delamináciu, šírenie mikrotrhlín a deformáciu deformácie.
Vezmime si ako príklady delamináciu a delamináciu rozhrania: vnútorné napätia sa hromadia nad prevádzkovým zaťažením, čo spôsobuje, že skutočné napätie rozhrania ďaleko presahuje návrh-vypočítanú menovitú hodnotu. Inými slovami, ešte predtým, ako adhezívna vrstva začne formálne fungovať, je rozhranie už vystavené nadmernému-napínaniu.
Ďalším príkladom je posun presnosti, ktorý je obzvlášť škodlivý pre presné zostavy, ako sú roboty, motory a optické komponenty.
Pozícia magnetického jadra v motore, zarovnanie optických komponentov a rozmery konštrukčných dielov, to všetko sa môže dlhodobo líšiť- v dôsledku postupného uvoľňovania vnútorných napätí. Ak sú komponenty spočiatku počas montáže vyhovujúce, ale po stovkách hodín prevádzky vykazujú odchýlky, takéto problémy často pramenia z prítomnosti vnútorného napätia.
Okrem toho sa znižuje únavová životnosť. Vnútorný stres predstavuje dlhodobú-priemernú úroveň stresu, ktorá spoločne znižuje krivku únavovej životnosti. Kombinácia teplotných cyklov, vlhkosti a vibrácií často vedie k situáciám, keď produkty prejdú počiatočným testovaním, ale zlyhajú počas sériovej výroby.
Vnútorné napätie preto nie je druhotným problémom, ale skôr základným predpokladom spoľahlivosti spoja. Určuje nielen to, či môže dôjsť k adhézii, ale aj to, ako dlho potom zostane väzba stabilná.
0 2 Odkiaľ pochádza vnútorný stres?
Aby sme pochopili vnútorný stres, musíme najprv pochopiť jeho pôvod.
Vnútorné napätie počas vytvrdzovania lepidla v zásade vzniká z dvoch typov deformácií, ktoré vykazujú tendenciu sťahovať sa, ale v skutočnosti tak nie sú.
Prvou kategóriou je vytvrdzovacie zmršťovanie, známe aj ako chemické zmršťovanie.
V kvapalných monoméroch udržiavajú molekuly kontakt prostredníctvom van der Waalsových síl (slabé interakcie). Medzi atómami dvoch molekúl nie sú žiadne chemické väzby; jednoducho existujú v tesnej blízkosti, s typickou vzdialenosťou približne 0,3–0,4 nm (čo predstavuje súčet van der Waalsových polomerov oboch molekúl).
Počas polymerizačnej reakcie sa medzi monomérmi vytvárajú kovalentné väzby. Ak vezmeme ako príklad najbežnejšiu jednoduchú väzbu C–C, dĺžka jej väzby je približne 0,154 nm. To znamená, že dve molekuly pôvodne oddelené voľnou vzdialenosťou približne 0,35 nm sú teraz násilne spojené kovalentnou väzbou s dĺžkou približne 0,15 nm-, čo vedie k zníženiu medzimolekulovej vzdialenosti o viac ako polovicu. (obrázok)
Na makroskopickej úrovni sa súčasná kontrakcia biliónov takýchto molekulárnych párov prejavuje ako zmenšenie objemu. Toto je fyzikálny dôsledok, ktorému sa nemožno úplne vyhnúť pri žiadnej adičnej polymerizačnej reakcii.
Druhou kategóriou je tepelný stres nesúlad.
Mnohé lepidlá vyžadujú na vytvrdnutie zahrievanie. Po vytvrdnutí, pri ochladení z vysokej teploty na izbovú teplotu, sa koeficienty tepelnej rozťažnosti lepidla a podkladu líšia.
Koeficient tepelnej rozťažnosti lepidla je zvyčajne výrazne vyšší ako koeficient základných materiálov, ako sú kovy, magnety a keramika. Počas ochladzovania má lepidlo tendenciu sa ďalej sťahovať, ale základný materiál bráni jeho voľnému sťahovaniu, čím obmedzuje vrstvu lepidla a vyvoláva zvyškové vnútorné napätie.
Najkritickejším konceptom je tu gélový bod.
Pred gélovým bodom zostáva lepidlo tekuté a môže tiecť. Počas tejto fázy, aj keď dôjde ku kontrakcii, materiál môže rozptýliť takúto deformáciu prostredníctvom toku, reorganizácie a plnenia, čím sa minimalizuje akumulácia vnútorného napätia.
Po gélovom bode sa situácia mení. V lepidle sa začne vytvárať trojrozmerná sieť a materiál postupne prechádza z tekutého do tuhého stavu. V tomto štádiu získa adhézna vrstva-únosnosť a začne si „pamätať“ následné zmršťovanie a deformácie.
Inými slovami, časť kontrakcie, ku ktorej dochádza po bode gélovatenia, je skutočne náchylná na vytváranie vnútorného napätia.
Ako čas postupuje, materiál ďalej tuhne a jeho Tg neustále stúpa. Keď Tg prekročí aktuálnu prevádzkovú teplotu, vrstva lepidla prechádza z gumovitého stavu do sklovitého.
Po vstupe do skleneného stavu sa modul adhéznej vrstvy rýchlo zvyšuje, čo sťažuje pohyb segmentu reťaze; v dôsledku toho sa časť napätia, ktorá mohla byť predtým uvoľnená, ešte ťažšie uvoľňuje.
Preto možno vnútorný stres jednoducho chápať ako:
Pred bodom gélu: kontrakcia môže nastať bez ľahkého vyvolania stresu.
Po gélovom bode: vrstva gélu začína vytvárať sieť a zabraňuje sa následnému zmršťovaniu.
Po vitrifikácii: materiál sa stáva tuhým, jeho molekulové reťazce sú imobilizované, čo sťažuje uvoľnenie stresu.
Ako všetci vieme:
Napätie=Modul × napätie
Konečné vnútorné napätie ≈ efektívny modul × (zmršťovanie po-vytvrdzovaní gélu + deformácia tepelného nesúladu) − uvoľnenie relaxácie
Deformáciu tepelného nesúladu možno jednoducho chápať ako:
Tepelná nesúlad deformácia ≈ (koeficient tepelnej rozťažnosti lepidla – koeficient tepelnej rozťažnosti podkladu) × efektívny teplotný rozdiel
Len kontrakcia a tepelný nesúlad vyskytujúci sa po bode gélovatenia, vynásobený kontinuálne sa zvyšujúcim modulom, mínus časť uvoľnená relaxáciou počas procesu, tvorí konečné čisté vnútorné napätie.
To je tiež dôvod, prečo je ťažké študovať vnútorné napätie: nevzniká náhle v jedinom okamihu, ale postupne sa hromadí počas procesov vytvrdzovania a chladenia. Počas tohto procesu dochádza k neustálym zmenám zmršťovania, teploty, modulu a schopnosti materiálu uvoľniť napätie.
03 Ako charakterizovať: Najprv zmerajte „výsledok“, potom zmerajte „príčinu“.
V súčasnosti sa všeobecne uznáva, že vnútorné napätie nevzniká náhle v jedinom okamihu, ale skôr sa hromadí postupne počas procesov vytvrdzovania a chladenia.
Každý parameter sa tu neustále mení: rýchlosť kontrakcie, teplota, modul a dokonca aj schopnosť materiálu uvoľniť napätie, to všetko sa mení.
Preto sa charakterizácia vnútorného napätia nemôže spoliehať len na jednu číselnú hodnotu; musí súčasne riešiť dve otázky:
Po prvé, aké množstvo napätia alebo deformácie zostáva na konci?
Po druhé, ako sa tieto napätia vytvárajú počas procesu vytvrdzovania?
Pokiaľ ide o metódy testovania, možno ich vo všeobecnosti rozdeliť do dvoch kategórií.
Jedna kategória zahŕňa priame meranie výsledkov napätia alebo deformácie, zatiaľ čo druhá meria vnútorné parametre materiálu na vytvorenie modelov.
Kategória 1: Priame meranie výsledkov napätia alebo deformácie
Tento prístup sa zameriava na určenie rozsahu deformácie alebo zvyškového napätia vyvolaného v štruktúre po vytvrdnutí lepidla.
Najklasickejšou metódou je konzolový nosník alebo prístup ohýbania bimateriálového nosníka. Lepidlo sa nanáša na tenké kovové plechy, kremíkové doštičky alebo iné podkladové materiály; počas vytvrdzovania spôsobuje zmršťovanie lepidla prehýbanie podkladu. Meraním zakrivenia v reálnom čase a použitím metódy analogickej Stoneyho rovnici možno vypočítať priemerné napätie vo vrstve lepidla. Tento prístup ponúka výhody intuitívneho a{3}}zavedeného stavu a umožňuje vizualizáciu kriviek znázorňujúcich, ako sa stres mení s časom vytvrdzovania.
Existuje aj technika vláknitej Braggovej mriežky (FBG). Vložením optických vlákien do gélovej vrstvy je možné merať napätie v géli v reálnom čase. Táto metóda poskytuje presnejší odraz vnútorného stavu gélu v porovnaní so samotnými meraniami povrchovej deformácie, hoci prináša vyššie náklady a väčšiu prevádzkovú zložitosť.
Monitorovanie napätia vytvrdzovania v kompozitných laminátoch pomocou distribuovaného optického senzora (zdroj obrazu)
V prípade priehľadných lepidiel možno na pozorovanie distribúcie napätia prostredníctvom dvojlomu vyvolaného -napätím použiť aj metódy fotoelasticity alebo dvojlomu.
Okrem toho je možné za špecifických podmienok na meranie zvyškového napätia alebo nepriameho napätia použiť aj metódy, ako je vŕtanie, vzorkovanie jadra, röntgenová difrakcia (XRD), rozptyl neutrónov a analýza Ramanovho posunu.