Wanneer 'n bindingsvoeg misluk, behels ons eerste stappe gewoonlik om te bepaal of die kleefsterkte voldoende is, die oppervlakbehandeling behoorlik is, die bevrugting voldoende is en die materiaal nie verouder het nie.
In werklike ingenieurstoepassings begin sekere mislukkings egter nie eers by ingebruikneming nie; eerder, potensiële risiko's is reeds teenwoordig sodra die gom heeltemal uitgehard is.
Hierdie potensiële gevaar is die teenwoordigheid van oorblywende interne spanning.
Dit is onsigbaar en moeilik om presies direk te meet, maar tog nie misties van aard nie. Eenvoudig gestel, gom ondergaan krimp tydens uitharding en afkoeling; as die omliggende substraat sy vrye vervorming beperk, word die onkrimpbare gedeelte residuele spanning binne die kleeflaag.
Vandag sal ek julle almal lei om hierdie konsep deeglik te verstaan.
0 1 Waarom dit bestudeer?
Die gevare van interne stres is van 'n "energie-berging" aard.
By uitharding stoor die kleeflaag 'n gedeelte van elastiese vervormingsenergie. Hierdie energie dien as die onderliggende dryfkrag vir daaropvolgende grensvlak-delaminering, voortplanting van mikrokrake en vervormde vervorming.
Neem koppelvlakdelaminering en -delaminering as voorbeelde: interne spanning versamel bo-op die operasionele las, wat veroorsaak dat die werklike koppelvlakspanning die ontwerp-berekende graderingwaarde ver oorskry. Met ander woorde, selfs voordat die kleeflaag met formele diens begin, is die koppelvlak reeds onderworpe aan oormatige voorspanning.
Nog 'n voorbeeld is akkuraatheiddryf, wat veral nadelig is vir presisiesamestellings soos robotte, motors en optiese komponente.
Die posisie van die magnetiese kern in die motor, die belyning van optiese komponente, en die afmetings van strukturele dele kan almal langdurige-verdrywing ondergaan as gevolg van geleidelike vrystelling van interne spannings. As komponente aanvanklik voldoen tydens montering, maar afwykings toon na honderde ure se werking, spruit sulke probleme dikwels uit die teenwoordigheid van interne spanning.
Boonop word die moegheidslewe verminder. Interne stres verteenwoordig 'n lang-gemiddelde stresvlak wat gesamentlik die moegheidslewenskurwe verlaag. Die kombinasie van temperatuursiklus, humiditeit en vibrasie lei dikwels tot situasies waar produkte aanvanklike toetsing slaag, maar tydens massaproduksie misluk.
Daarom is interne stres nie 'n sekondêre kwessie nie, maar eerder die fundamentele voorvereiste vir bindingsbetroubaarheid. Dit bepaal nie net of adhesie kan plaasvind nie, maar ook hoe lank die binding daarna stabiel bly.
0 2 Waar ontstaan interne stres?
Om interne stres te verstaan, moet 'n mens eers die oorsprong daarvan begryp.
Die interne spanning tydens kleefharding spruit fundamenteel uit twee tipes stamme wat 'n neiging het om saam te trek, maar dit nie eintlik kan doen nie.
Die eerste kategorie is genesende krimping, ook bekend as chemiese krimping.
In vloeibare monomere behou molekules kontak deur van der Waals-kragte (swak interaksies). Daar is geen chemiese bindings tussen die atome van die twee molekules nie; hulle bestaan eenvoudig in die nabyheid, met 'n tipiese afstand van ongeveer 0,3–0,4 nm (wat die som van die van der Waals-radiusse van albei molekules verteenwoordig).
Tydens die polimerisasiereaksie word kovalente bindings tussen monomere gevorm. Neem die mees algemene C–C enkelbinding as 'n voorbeeld, sy bindingslengte is ongeveer 0.154 nm. Dit beteken dat twee molekules wat oorspronklik geskei is deur 'n los afstand van ongeveer 0.35 nm nou met geweld saamgebring word deur 'n kovalente binding met 'n lengte van ongeveer 0.15 nm -wat lei tot 'n vermindering van die intermolekulêre afstand met meer as die helfte. (Figuur)
Op die makroskopiese vlak manifesteer die gelyktydige sametrekking van triljoene van sulke molekulêre pare as volumevermindering. Dit is 'n fisiese gevolg wat nie heeltemal vermy kan word in enige addisiepolimerisasiereaksie nie.
Die tweede kategorie is termiese wanpasspanning.
Baie kleefmiddels benodig verhitting om te genees. Na verharding, wanneer afgekoel van hoë temperatuur tot kamertemperatuur, verskil die termiese uitsettingskoëffisiënte van die gom en substraat.
Die termiese uitsettingskoëffisiënt van die gom is tipies aansienlik hoër as dié van basismateriale soos metale, magnete en keramiek. Tydens afkoeling is die gom geneig om verder saam te trek, maar die basismateriaal verhoed die vrye sametrekking daarvan, waardeur die gomlaag beperk word en oorblywende interne spanning veroorsaak word.
Die mees kritieke konsep hier is die gel punt.
Voor die gelpunt bly die gom vloeibaar en kan vloei. Gedurende hierdie stadium, selfs as sametrekking plaasvind, kan die materiaal sulke vervorming verdryf deur vloei, herorganisasie en vulling, en sodoende die ophoping van interne spanning tot die minimum beperk.
Na die gelpunt verander die situasie. 'n Drie-dimensionele netwerk begin binne die gom vorm, en die materiaal gaan geleidelik oor van 'n vloeistof na 'n vaste toestand. Op hierdie stadium verkry die kleeflaag drakrag- en begin die daaropvolgende krimp- en vervormingsgebeure "onthou".
Met ander woorde, die gedeelte van sametrekking wat na die gelpunt plaasvind, is werklik geneig om interne stres te genereer.
Soos die tyd vorder, stol die materiaal verder, en sy Tg styg voortdurend. Wanneer die Tg die huidige bedryfstemperatuur oorskry, gaan die kleeflaag oor van 'n rubberagtige toestand na 'n glasagtige toestand.
Wanneer die glastoestand binnekom, neem die modulus van die kleeflaag vinnig toe, wat kettingsegmentbeweging moeiliker maak; gevolglik word 'n gedeelte van die spanning wat voorheen vrygestel kon word selfs moeiliker om vry te stel.
Daarom kan interne stres eenvoudig verstaan word as:
Voor die gelpunt: sametrekking kan plaasvind sonder dat dit maklik stres veroorsaak.
Na die gelpunt: die gellaag begin 'n netwerk vorm, en daaropvolgende krimping word voorkom.
Na verglazing: die materiaal word styf, met sy molekulêre kettings geïmmobiliseer, wat die vrystelling van spanning moeiliker maak.
Soos ons almal weet:
Spanning=Modulus × Vervorming
Finale interne spanning ≈ effektiewe modulus × (na-gelering uitharding krimping + termiese wanpas vervorming) − ontspanning vrystelling
Hitte wanaanpassing vervorming kan eenvoudig verstaan word as:
Termiese wanaanpassing vervorming ≈ (termiese uitsettingskoëffisiënt van die gom − termiese uitsettingskoëffisiënt van die substraat) × effektiewe temperatuurverskil
Slegs die sametrekking en termiese wanpassing wat na die gelpunt voorkom, vermenigvuldig met die voortdurend toenemende modulus, minus die gedeelte wat vrygestel word deur ontspanning tydens die proses, vorm die finale netto interne spanning.
Dit is ook die rede waarom interne stres moeilik is om te bestudeer: dit ontstaan nie skielik op 'n enkele oomblik nie, maar versamel geleidelik tydens die uithardings- en verkoelingsprosesse. Dwarsdeur hierdie proses ondergaan krimping, temperatuur, modulus en die materiaal se vermoë om spanning vry te stel, almal voortdurende veranderinge.
03 Hoe om te karakteriseer: Meet eers die "resultaat", meet dan die "oorsaak."
Dit word nou algemeen erken dat interne spanning nie skielik op 'n enkele oomblik ontstaan nie, maar eerder geleidelik ophoop tydens die uithardings- en verkoelingsprosesse.
Elke parameter hier verander voortdurend: die sametrekkingstempo, temperatuur, modulus en selfs die materiaal se vermoë om spanning vry te stel, verskil almal.
Daarom kan die karakterisering van interne spanning nie net op 'n enkele numeriese waarde staatmaak nie; dit moet gelyktydig twee vrae aanspreek:
Eerstens, watter hoeveelheid spanning of vervorming bly aan die einde oor?
Tweedens, hoe word hierdie spanninge tydens die uithardingsproses gevorm?
Wat toetsmetodes betref, kan hulle oor die algemeen in twee kategorieë verdeel word.
Een kategorie behels direkte meting van stres- of vervormingsresultate, terwyl die ander materiële intrinsieke parameters meet om modelle te vestig.
Kategorie 1: Direkte meting van spanning of vervorming resultate
Hierdie benadering fokus op die bepaling van die mate van vervorming of oorblywende spanning wat in die struktuur geïnduseer word nadat die gom uitgehard het.
Die mees klassieke metode is die vrydraende balk of tweemateriaal balk buig benadering. Kleefmiddel word op dun metaalplate, silikonwafels of ander substraatmateriale aangewend; tydens uitharding veroorsaak gomkrimping dat die substraat buig. Deur kromming in reële tyd te meet en 'n metode analoog aan Stoney se vergelyking te gebruik, kan die gemiddelde spanning binne die kleeflaag bereken word. Hierdie benadering bied die voordele om intuïtief en goed-gevestig te wees, wat die visualisering van kurwes moontlik maak wat uitbeeld hoe spanning met uithardingstyd verskil.
Daar is ook die vesel Bragg rasper (FBG) tegniek. Deur optiese vesels binne 'n gellaag in te sluit, kan spanning binne die gel intyds gemeet word. Hierdie metode bied 'n meer akkurate weerspieëling van die jel se interne toestand in vergelyking met oppervlakvervormingsmetings alleen, alhoewel dit hoër koste en groter operasionele kompleksiteit meebring.
Uithardingsvervormingsmonitering in saamgestelde laminate met behulp van 'n verspreide optiese sensor (Beeldbron)
Vir deursigtige kleefmiddels kan foto-elastisiteit of dubbelbrekingsmetodes ook gebruik word om spanningsverspreiding deur spannings-geïnduseerde dubbelbreking waar te neem.
Daarbenewens kan metodes soos boor, kernmonsterneming, X-straaldiffraksie (XRD), neutronverstrooiing en Raman-verskuiwingsanalise ook onder spesifieke toestande gebruik word vir die meting van oorblywende spanning of indirekte vervorming.