Когда клеевое соединение выходит из строя, наши первые шаги обычно включают оценку того, достаточна ли прочность клея, правильная обработка поверхности, достаточна ли пропитка и не состарились ли материалы.
Однако в реальных инженерных приложениях некоторые отказы начинаются не только при вводе в эксплуатацию; скорее, потенциальные риски присутствуют уже после полного затвердевания клея.
Эта потенциальная опасность заключается в наличии остаточного внутреннего напряжения.
Оно невидимо и его трудно точно измерить напрямую, но оно не имеет мистической природы. Проще говоря, клей подвергается усадке во время отверждения и охлаждения; если окружающая подложка ограничивает ее свободную деформацию, безусадочная часть становится остаточным напряжением внутри клеевого слоя.
Сегодня я помогу вам всем полностью понять эту концепцию.
0 1 Зачем это изучать?
Опасности внутреннего стресса имеют природу «накопления энергии».
При отверждении клеевой слой сохраняет часть энергии упругой деформации. Эта энергия служит основной движущей силой для последующего межфазного расслоения, распространения микротрещин и деформации деформации.
Возьмем в качестве примера расслоение и расслоение интерфейса: внутренние напряжения накапливаются в дополнение к рабочей нагрузке, в результате чего фактическое напряжение интерфейса намного превышает расчетное-расчетное номинальное значение. Другими словами, еще до того, как клеевой слой начнет формальную службу, интерфейс уже подвергается чрезмерному предварительному-напряжению.
Другим примером является дрейф точности, который особенно вреден для прецизионных узлов, таких как роботы, двигатели и оптические компоненты.
Положение магнитного сердечника двигателя, выравнивание оптических компонентов и размеры деталей конструкции могут подвергаться длительному-дрейфу из-за постепенного снятия внутренних напряжений. Если компоненты изначально соответствуют требованиям во время сборки, но обнаруживают отклонения после сотен часов работы, такие проблемы часто связаны с наличием внутренних напряжений.
Кроме того, снижается усталостная долговечность. Внутреннее напряжение представляет собой долгосрочный-средний уровень напряжения, который в совокупности снижает кривую усталостной долговечности. Сочетание температурных циклов, влажности и вибрации часто приводит к ситуациям, когда продукция проходит первоначальные испытания, но выходит из строя во время массового производства.
Таким образом, внутреннее напряжение является не второстепенным вопросом, а скорее фундаментальной предпосылкой надежности соединения. Он определяет не только возможность возникновения адгезии, но и то, как долго связь остается стабильной после этого.
0 2 Откуда возникает внутренний стресс?
Чтобы понять внутренний стресс, нужно сначала понять его происхождение.
Внутреннее напряжение во время отверждения клея в основном возникает из-за двух типов деформаций, которые проявляют тенденцию к сокращению, но на самом деле не могут этого сделать.
Первая категория — это усадка при отверждении, также известная как химическая усадка.
В жидких мономерах молекулы поддерживают контакт за счет сил Ван-дер-Ваальса (слабые взаимодействия). Между атомами двух молекул нет химических связей; они просто существуют в непосредственной близости, с типичным расстоянием примерно 0,3–0,4 нм (что представляет собой сумму ван-дер-ваальсовых радиусов обеих молекул).
В ходе реакции полимеризации между мономерами образуются ковалентные связи. Если взять в качестве примера наиболее распространенную одинарную связь C–C, то длина ее связи составляет примерно 0,154 нм. Это означает, что две молекулы, первоначально разделенные небольшим расстоянием около 0,35 нм, теперь принудительно сближаются ковалентной связью длиной примерно 0,15 нм-, что приводит к уменьшению межмолекулярного расстояния более чем наполовину. (Фигура)
На макроскопическом уровне одновременное сокращение триллионов таких молекулярных пар проявляется в уменьшении объема. Это физическое последствие, которого нельзя полностью избежать ни в одной реакции полимеризации присоединения.
Вторая категория – это напряжение термического несоответствия.
Многие клеи требуют нагрева для отверждения. После отверждения при охлаждении от высокой температуры до комнатной температуры коэффициенты теплового расширения клея и основы различаются.
Коэффициент теплового расширения клея обычно значительно выше, чем у основных материалов, таких как металлы, магниты и керамика. При охлаждении клей имеет тенденцию к дальнейшему сжатию, но основной материал препятствует его свободному сжатию, тем самым сдерживая клеевой слой и вызывая остаточное внутреннее напряжение.
Наиболее важным понятием здесь является точка геля.
До точки гелеобразования клей остается жидким и может течь. На этом этапе, даже если происходит сжатие, материал может рассеивать такую деформацию за счет течения, реорганизации и наполнения, тем самым сводя к минимуму накопление внутреннего напряжения.
После гелевой точки ситуация меняется. Внутри клея начинает формироваться трехмерная сетка-, и материал постепенно переходит из жидкого состояния в твердое. На этом этапе клеевой слой приобретает -несущую способность и начинает «запоминать» последующие события усадки и деформации.
Другими словами, часть сокращения, происходящая после точки гелеобразования, действительно склонна к возникновению внутреннего напряжения.
С течением времени материал затвердевает, и его Tg постоянно повышается. Когда Tg превышает текущую рабочую температуру, клеевой слой переходит из эластичного состояния в стеклообразное.
При переходе в стеклообразное состояние модуль клеевого слоя быстро увеличивается, что затрудняет движение сегментов цепи; следовательно, часть стресса, который раньше можно было снять, становится еще труднее снять.
Таким образом, внутренний стресс можно просто понимать как:
До точки гелеобразования: сокращение может произойти, не вызывая стресса.
После точки геля: слой геля начинает образовывать сетку, и последующая усадка предотвращается.
После витрификации: материал становится жестким, его молекулярные цепи иммобилизуются, что затрудняет снятие напряжения.
Как мы все знаем:
Напряжение=Модуль × Деформация
Конечное внутреннее напряжение ≈ эффективный модуль × (усадка после отверждения после гелеобразования + деформация термического несоответствия) − релаксационное высвобождение
Деформацию теплового несоответствия можно просто понимать как:
Деформация термического несоответствия ≈ (коэффициент термического расширения клея − коэффициент термического расширения основы) × эффективная разница температур
Только сокращение и термическое несоответствие, возникающие после точки гелеобразования, умноженные на постоянно увеличивающийся модуль за вычетом части, высвобождаемой в результате релаксации во время процесса, составляют окончательное чистое внутреннее напряжение.
По этой же причине трудно изучать внутренние напряжения: они не возникают внезапно в один момент, а накапливаются постепенно в процессе отверждения и охлаждения. На протяжении всего этого процесса усадка, температура, модуль упругости и способность материала снимать напряжение претерпевают постоянные изменения.
03 Как охарактеризовать: Сначала измерьте «результат», затем измерьте «причину».
В настоящее время широко признано, что внутреннее напряжение не возникает внезапно в один момент, а постепенно накапливается в процессе отверждения и охлаждения.
Каждый параметр здесь постоянно меняется: скорость сжатия, температура, модуль упругости и даже способность материала снимать напряжение — все это варьируется.
Следовательно, характеристика внутреннего напряжения не может опираться исключительно на одно числовое значение; оно должно одновременно решать два вопроса:
Во-первых, какое напряжение или деформация остается в конце?
Во-вторых, как формируются эти напряжения в процессе отверждения?
Что касается методов тестирования, их обычно можно разделить на две категории.
Одна категория включает в себя прямое измерение результатов напряжения или деформации, тогда как другая измеряет внутренние параметры материала для создания моделей.
Категория 1: Прямое измерение результатов напряжения или деформации.
Этот подход направлен на определение степени деформации или остаточного напряжения, возникающего в конструкции после отверждения клея.
Самым классическим методом является изгиб консольной балки или балки из двух материалов. Клей наносится на тонкие металлические листы, кремниевые пластины или другие материалы подложки; во время отверждения усадка клея приводит к изгибу основы. Измеряя кривизну в реальном времени и используя метод, аналогичный уравнению Стоуни, можно рассчитать среднее напряжение внутри клеевого слоя. Преимущество этого подхода заключается в том, что он интуитивно понятен и хорошо-обоснован, позволяя визуализировать кривые, показывающие, как напряжение меняется в зависимости от времени отверждения.
Существует также метод волоконной брэгговской решетки (ВБР). Встраивая оптические волокна в слой геля, можно измерить напряжение внутри геля в режиме реального времени. Этот метод обеспечивает более точное отражение внутреннего состояния геля по сравнению с измерением только поверхностной деформации, хотя он влечет за собой более высокие затраты и большую сложность эксплуатации.
Мониторинг деформации отверждения в композитных ламинатах с помощью распределенного оптического датчика (источник изображения)
Для прозрачных клеев также можно использовать методы фотоэластичности или двойного лучепреломления для наблюдения за распределением напряжений посредством двойного лучепреломления,-индуцированного напряжением.
Кроме того, в особых условиях для измерения остаточного напряжения или косвенной деформации также можно использовать такие методы, как бурение, отбор проб керна, дифракция рентгеновских лучей (XRD), нейтронное рассеяние и анализ комбинационного рассеяния света.