Atunci când o îmbinare de lipire eșuează, primii noștri pași implică de obicei să evaluăm dacă rezistența adezivului este adecvată, tratamentul suprafeței este adecvat, impregnarea este suficientă și materialele nu au îmbătrânit.
Cu toate acestea, în aplicațiile reale de inginerie, anumite defecțiuni nu încep doar la punerea în funcțiune; mai degrabă, riscurile potențiale sunt deja prezente odată ce adezivul s-a întărit complet.
Acest pericol potențial este prezența tensiunii interne reziduale.
Este invizibil și dificil de măsurat cu precizie direct, dar nu este de natură mistică. Mai simplu spus, adezivul suferă o contracție în timpul întăririi și răcirii; dacă substratul înconjurător își limitează deformarea liberă, porțiunea necontractabilă devine stres rezidual în stratul adeziv.
Astăzi, vă voi ghida pe toți în înțelegerea temeinică a acestui concept.
0 1 De ce să-l studiezi?
Pericolele stresului intern sunt de natură „-de stocare a energiei”.
La întărire, stratul adeziv stochează o parte din energia elastică de deformare. Această energie servește ca forță motrice de bază pentru delaminarea interfacială ulterioară, propagarea microfisurilor și deformarea deformată.
Luați ca exemple delaminarea și delaminarea interfeței: tensiunile interne se acumulează pe partea superioară a sarcinii operaționale, ceea ce face ca solicitarea reală a interfeței să depășească cu mult valoarea nominală-calculată de proiectare. Cu alte cuvinte, chiar înainte ca stratul adeziv să înceapă serviciul oficial, interfața este deja supusă unei pre-tensionări excesive.
Un alt exemplu este deriva de precizie, care se dovedește în special în detrimentul ansamblurilor de precizie, cum ar fi roboții, motoarele și componentele optice.
Poziția miezului magnetic în motor, alinierea componentelor optice și dimensiunile pieselor structurale pot suferi o deplasare pe termen lung{0}}din cauza eliberării treptate a tensiunilor interne. Dacă componentele sunt inițial conforme în timpul asamblarii, dar prezintă abateri după sute de ore de funcționare, astfel de probleme provin adesea din prezența tensiunilor interne.
În plus, durata de viață la oboseală este redusă. Stresul intern reprezintă un-nivel mediu de stres pe termen lung care colectiv scade curba de viață la oboseală. Combinația dintre ciclul de temperatură, umiditate și vibrații duce adesea la situații în care produsele trec testarea inițială, dar eșuează în timpul producției în masă.
Prin urmare, stresul intern nu este o problemă secundară, ci mai degrabă o condiție prealabilă fundamentală pentru fiabilitatea legăturii. Ea determină nu numai dacă poate apărea aderența, ci și cât timp rămâne stabilă legătura după aceea.
0 2 De unde provine stresul intern?
Pentru a înțelege stresul intern, trebuie mai întâi să înțelegem originea acestuia.
Tensiunea internă în timpul întăririi adezivului apare în mod fundamental din două tipuri de tulpini care prezintă o tendință de contractare, dar nu pot face acest lucru.
Prima categorie este contracția de întărire, cunoscută și sub denumirea de contracție chimică.
În monomerii lichizi, moleculele mențin contactul prin forțele van der Waals (interacțiuni slabe). Nu există legături chimice între atomii celor două molecule; ele există pur și simplu în imediata apropiere, cu o distanță tipică de aproximativ 0,3–0,4 nm (care reprezintă suma razelor van der Waals ale ambelor molecule).
În timpul reacției de polimerizare, între monomeri se formează legături covalente. Luând ca exemplu cea mai comună legătură simplă C-C, lungimea legăturii sale este de aproximativ 0,154 nm. Aceasta înseamnă că două molecule separate inițial de o distanță liberă de aproximativ 0,35 nm sunt acum reunite forțat printr-o legătură covalentă cu o lungime de aproximativ 0,15 nm-rezultând o reducere a distanței intermoleculare cu mai mult de jumătate. (Figura)
La nivel macroscopic, contracția simultană a trilioane de astfel de perechi moleculare se manifestă prin reducerea volumului. Aceasta este o consecință fizică care nu poate fi evitată în totalitate în nicio reacție de polimerizare prin adiție.
A doua categorie este stresul de nepotrivire termică.
Mulți adezivi necesită încălzire pentru a se întări. După întărire, atunci când este răcit de la temperatură ridicată la temperatura camerei, coeficienții de dilatare termică ai adezivului și substratului diferă.
Coeficientul de dilatare termică al adezivului este de obicei semnificativ mai mare decât cel al materialelor de bază, cum ar fi metalele, magneții și ceramica. În timpul răcirii, adezivul tinde să se contracte în continuare, dar materialul de bază împiedică contracția sa liberă, limitând astfel stratul de adeziv și inducând stres intern rezidual.
Cel mai critic concept aici este punctul de gel.
Înainte de punctul de gel, adezivul rămâne fluid și poate curge. În această etapă, chiar dacă are loc contracția, materialul poate disipa o astfel de deformare prin curgere, reorganizare și umplere, minimizând astfel acumularea de stres intern.
După punctul de gel, situația se schimbă. În adeziv începe să se formeze o rețea tridimensională, iar materialul trece treptat de la starea lichidă la starea solidă. În această etapă, stratul adeziv capătă capacitate portantă-și începe să-și „amintească” evenimentele ulterioare de contracție și deformare.
Cu alte cuvinte, partea de contracție care are loc după punctul de gel este cu adevărat predispusă să genereze stres intern.
Pe măsură ce timpul trece, materialul se solidifică și mai mult, iar Tg-ul său crește continuu. Când Tg depășește temperatura curentă de funcționare, stratul adeziv trece de la o stare cauciucoasă la o stare sticloasă.
La intrarea în stare de sticlă, modulul stratului adeziv crește rapid, îngreunând deplasarea segmentului de lanț; în consecință, o parte din stresul care putea fi eliberat anterior devine și mai greu de eliberat.
Prin urmare, stresul intern poate fi înțeles simplu ca:
Înainte de punctul de gel: contracția poate apărea fără a induce cu ușurință stres.
După punctul de gel: stratul de gel începe să formeze o rețea, iar contracția ulterioară este împiedicată.
După vitrificare: materialul devine rigid, cu lanțurile sale moleculare imobilizate, ceea ce face eliberarea tensiunii mai dificilă.
După cum știm cu toții:
Tensiune=Modul × Deformare
Tensiunea internă finală ≈ modulul efectiv × (contracție post-gelificare + deformare nepotrivire termică) − eliberare de relaxare
Deformarea nepotrivirii termice poate fi înțeleasă pur și simplu ca:
Deformarea nepotrivirii termice ≈ (coeficientul de dilatare termică a adezivului − coeficientul de dilatare termică a substratului) × diferența efectivă de temperatură
Doar contracția și nepotrivirea termică care apar după punctul de gel, înmulțite cu modulul în continuă creștere, minus porțiunea eliberată prin relaxare în timpul procesului, constituie stresul intern net final.
Acesta este și motivul pentru care stresul intern este greu de studiat: nu apare brusc într-o singură clipă, ci se acumulează treptat în timpul proceselor de întărire și răcire. Pe parcursul acestui proces, contracția, temperatura, modulul și capacitatea materialului de a elibera stresul suferă modificări continue.
03 Cum să caracterizați: mai întâi măsurați „rezultatul”, apoi măsurați „cauza”.
Acum este recunoscut pe scară largă că stresul intern nu apare brusc într-o singură clipă, ci se acumulează treptat în timpul proceselor de întărire și răcire.
Fiecare parametru de aici se schimbă constant: viteza de contracție, temperatura, modulul și chiar capacitatea materialului de a elibera stresul variază.
Prin urmare, caracterizarea tensiunii interne nu se poate baza doar pe o singură valoare numerică; trebuie să abordeze simultan două întrebări:
În primul rând, ce cantitate de tensiune sau deformare rămâne la sfârșit?
În al doilea rând, cum se formează aceste tensiuni în timpul procesului de întărire?
Când vine vorba de metode de testare, acestea pot fi, în general, împărțite în două categorii.
O categorie implică măsurarea directă a rezultatelor tensiunii sau deformării, în timp ce cealaltă măsoară parametrii intrinseci ai materialelor pentru a stabili modele.
Categoria 1: Măsurarea directă a rezultatelor tensiunii sau deformațiilor
Această abordare se concentrează pe determinarea gradului de deformare sau a tensiunii reziduale induse în structură după ce adezivul s-a întărit.
Cea mai clasică metodă este abordarea de îndoire a grinzii în consolă sau a grinzii bimateriale. Adezivul este aplicat pe foi de metal subțiri, plachete de siliciu sau alte materiale suport; în timpul întăririi, contracția adezivului face ca substratul să se îndoaie. Măsurând curbura în timp real și utilizând o metodă analogă cu ecuația lui Stoney, se poate calcula tensiunea medie în stratul adeziv. Această abordare oferă avantajele de a fi intuitivă și bine-constituită, permițând vizualizarea curbelor care descriu modul în care stresul variază în funcție de timpul de întărire.
Există, de asemenea, tehnica Fiber Bragg grating (FBG). Prin încorporarea fibrelor optice într-un strat de gel, tensiunea din gel poate fi măsurată în timp real. Această metodă oferă o reflectare mai precisă a stării interne a gelului în comparație doar cu măsurătorile deformarii suprafeței, deși implică costuri mai mari și o complexitate operațională mai mare.
Întărirea monitorizării deformarii în laminate compozite utilizând un senzor optic distribuit (sursă imagine)
Pentru adezivii transparenți, metodele de fotoelasticitate sau birefringență pot fi utilizate și pentru a observa distribuția tensiunii prin birefringența indusă de stres-.
În plus, metode precum forarea, eșantionarea miezului, difracția cu raze X-(XRD), împrăștierea neutronilor și analiza deplasării Raman pot fi, de asemenea, utilizate în condiții specifice pentru măsurarea tensiunii reziduale sau a deformarii indirecte.