Når en limfuge svikter, involverer våre første trinn typisk å vurdere om limstyrken er tilstrekkelig, overflatebehandlingen er riktig, impregneringen er tilstrekkelig og materialene ikke har eldet.
Men i faktiske ingeniørapplikasjoner begynner visse feil ikke bare ved igangkjøring; snarere er potensielle risikoer allerede tilstede når limet er fullstendig herdet.
Denne potensielle faren er tilstedeværelsen av gjenværende indre stress.
Det er usynlig og vanskelig å måle nøyaktig direkte, men likevel ikke av mystisk natur. Enkelt sagt, lim gjennomgår krymping under herding og avkjøling; hvis det omgivende substratet begrenser dens frie deformasjon, blir den ikke-krympbare delen restspenning inne i klebemiddellaget.
I dag vil jeg veilede dere alle til å forstå dette konseptet grundig.
0 1 Hvorfor studere det?
Farene ved intern stress er av «energi{0}}lagringstype.
Ved herding lagrer limlaget en del av elastisk tøyningsenergi. Denne energien tjener som den underliggende drivkraften for påfølgende delaminering av grensesnitt, forplantning av mikrosprekker og vridningsdeformasjon.
Ta grensesnittdelaminering og delaminering som eksempler: indre spenninger akkumuleres på toppen av driftsbelastningen, noe som fører til at den faktiske grensesnittspenningen langt overstiger design-beregnet vurderingsverdi. Med andre ord, selv før det selvklebende laget begynner formell tjeneste, er grensesnittet allerede utsatt for overdreven-forspenning.
Et annet eksempel er nøyaktighetsdrift, som viser seg å være spesielt skadelig for presisjonsenheter som roboter, motorer og optiske komponenter.
Posisjonen til den magnetiske kjernen i motoren, justeringen av optiske komponenter og dimensjonene til strukturelle deler kan alle gjennomgå langvarig-drift på grunn av gradvis frigjøring av indre spenninger. Hvis komponenter i utgangspunktet er kompatible under montering, men viser avvik etter hundrevis av timers drift, skyldes slike problemer ofte tilstedeværelsen av indre påkjenninger.
I tillegg reduseres utmattelsestiden. Intern stress representerer et langsiktig-gjennomsnittlig stressnivå som samlet sett senker utmattelseslivskurven. Kombinasjonen av temperatursvingninger, fuktighet og vibrasjoner fører ofte til situasjoner der produktene består innledende testing, men mislykkes under masseproduksjon.
Derfor er intern stress ikke et sekundært problem, men snarere den grunnleggende forutsetningen for bindingspålitelighet. Det bestemmer ikke bare om adhesjon kan oppstå, men også hvor lenge bindingen forblir stabil deretter.
0 2 Hvor oppstår internt stress?
For å forstå indre stress må man først forstå opprinnelsen.
Den indre spenningen under limherding oppstår fundamentalt fra to typer tøyninger som har en tendens til å trekke seg sammen, men som faktisk ikke kan gjøre det.
Den første kategorien er herdekrymping, også kjent som kjemisk krymping.
I flytende monomerer opprettholder molekyler kontakt gjennom van der Waals-krefter (svake interaksjoner). Det er ingen kjemiske bindinger mellom atomene til de to molekylene; de eksisterer ganske enkelt i umiddelbar nærhet, med en typisk avstand på omtrent 0,3–0,4 nm (som representerer summen av van der Waals-radiene til begge molekylene).
Under polymerisasjonsreaksjonen dannes kovalente bindinger mellom monomerer. Med den vanligste CC-enkelbindingen som et eksempel, er bindingslengden omtrent 0,154 nm. Dette betyr at to molekyler som opprinnelig var separert med en løs avstand på ca. 0,35 nm, nå bringes sammen med en kovalent binding med en lengde på ca. 0,15 nm-, noe som resulterer i en reduksjon av den intermolekylære avstanden med mer enn halvparten. (Figur)
På makroskopisk nivå manifesterer den samtidige sammentrekningen av billioner av slike molekylære par seg som volumreduksjon. Dette er en fysisk konsekvens som ikke helt kan unngås i noen addisjonspolymerisasjonsreaksjon.
Den andre kategorien er termisk uoverensstemmelsesspenning.
Mange lim krever oppvarming for å herde. Etter herding, når den er avkjølt fra høy temperatur til romtemperatur, er de termiske ekspansjonskoeffisientene til limet og underlaget forskjellige.
Den termiske ekspansjonskoeffisienten til limet er vanligvis betydelig høyere enn for basismaterialer som metaller, magneter og keramikk. Under avkjøling har limet en tendens til å trekke seg ytterligere sammen, men grunnmaterialet hindrer dets frie sammentrekning, og holder derved limlaget og induserer gjenværende indre spenninger.
Det mest kritiske konseptet her er gelpunktet.
Før gelpunktet forblir limet flytende og kan flyte. I løpet av dette stadiet, selv om sammentrekning oppstår, kan materialet forsvinne slik deformasjon gjennom flyt, reorganisering og fylling, og derved minimere akkumuleringen av indre spenninger.
Etter gelpunktet endres situasjonen. Et tre-dimensjonalt nettverk begynner å dannes i limet, og materialet går gradvis over fra flytende til fast tilstand. På dette stadiet får limlaget bæreevne- og begynner å "huske" påfølgende krympings- og deformasjonshendelser.
Med andre ord, den delen av sammentrekningen som oppstår etter gelpunktet er virkelig utsatt for å generere indre stress.
Etter hvert som tiden går, størkner materialet ytterligere, og dets Tg stiger kontinuerlig. Når Tg overskrider gjeldende driftstemperatur, går limlaget over fra en gummiaktig tilstand til en glassaktig tilstand.
Ved å gå inn i glasstilstanden øker modulen til limlaget raskt, noe som gjør kjedesegmentbevegelse vanskeligere; følgelig blir en del av spenningen som tidligere kunne frigjøres enda vanskeligere å frigjøre.
Derfor kan indre stress ganske enkelt forstås som:
Før gelpunktet: sammentrekning kan forekomme uten lett å indusere stress.
Etter gelpunktet: gellaget begynner å danne et nettverk, og påfølgende krymping forhindres.
Etter forglasning: Materialet blir stivt, med dets molekylære kjeder immobilisert, noe som gjør stressfrigjøring vanskeligere.
Som vi alle vet:
Stress=modul × belastning
Endelig indre spenning ≈ effektiv modul × (krymping etter-geleringsherding + termisk mistilpasningsdeformasjon) − relaksasjonsfrigjøring
Varmemistilpasningsdeformasjon kan enkelt forstås som:
Termisk mistilpasningsdeformasjon ≈ (termisk ekspansjonskoeffisient for limet − termisk ekspansjonskoeffisient for underlaget) × effektiv temperaturforskjell
Bare sammentrekningen og den termiske mistilpasningen som oppstår etter gelpunktet, multiplisert med den kontinuerlig økende modulen, minus den delen som frigjøres gjennom avspenning under prosessen, utgjør den endelige netto indre spenningen.
Dette er også grunnen til at indre stress er vanskelig å studere: det oppstår ikke brått på et enkelt øyeblikk, men akkumuleres gradvis under herde- og kjøleprosessene. Gjennom denne prosessen gjennomgår krymping, temperatur, modul og materialets evne til å frigjøre stress kontinuerlige endringer.
03 Hvordan karakterisere: Mål først «resultatet», mål deretter «årsaken».
Det er nå allment anerkjent at indre stress ikke oppstår brått på et enkelt øyeblikk, men snarere akkumuleres gradvis under herde- og kjøleprosessene.
Hver parameter her er i konstant endring: sammentrekningshastigheten, temperaturen, modulen og til og med materialets evne til å frigjøre stress varierer.
Derfor kan karakteriseringen av indre stress ikke bare stole på en enkelt tallverdi; den må ta opp to spørsmål samtidig:
For det første, hvor mye stress eller deformasjon gjenstår på slutten?
For det andre, hvordan dannes disse spenningene under herdeprosessen?
Når det gjelder testmetoder, kan de generelt deles inn i to kategorier.
Den ene kategorien innebærer direkte måling av spennings- eller deformasjonsresultater, mens den andre måler materielle egenparametere for å etablere modeller.
Kategori 1: Direkte måling av spennings- eller deformasjonsresultater
Denne tilnærmingen fokuserer på å bestemme omfanget av deformasjon eller gjenværende spenning indusert i strukturen etter at limet har herdet.
Den mest klassiske metoden er tilnærmingen til bøying av utkragende bjelker eller bimateriale. Lim påføres tynne metallplater, silisiumskiver eller andre substratmaterialer; under herding fører klebemiddelkrymping til at underlaget bøyer seg. Ved å måle krumning i sanntid og bruke en metode som er analog med Stoneys ligning, kan den gjennomsnittlige spenningen i limlaget beregnes. Denne tilnærmingen gir fordelene ved å være intuitiv og vel-etablert, og muliggjør visualisering av kurver som viser hvordan stress varierer med herdetiden.
Det er også fiber Bragg grating (FBG)-teknikken. Ved å legge inn optiske fibre i et gellag, kan tøyningen i gelen måles i sanntid. Denne metoden gir en mer nøyaktig refleksjon av gelens indre tilstand sammenlignet med overflatedeformasjonsmålinger alene, selv om den medfører høyere kostnader og større operasjonell kompleksitet.
Overvåking av herdebelastning i komposittlaminater ved hjelp av en distribuert optisk sensor (bildekilde)
For transparente lim, kan fotoelastisitet eller dobbeltbrytningsmetoder også brukes for å observere spenningsfordeling via spennings-indusert dobbeltbrytning.
I tillegg kan metoder som boring, kjerneprøvetaking, røntgendiffraksjon (XRD), nøytronspredning og Raman-forskyvningsanalyse også brukes under spesifikke forhold for å måle gjenværende spenning eller indirekte tøyning.