Kui ühendusvuuk ebaõnnestub, on meie esimesed sammud tavaliselt seotud selle hindamisega, kas nakketugevus on piisav, pinnatöötlus on korralik, immutamine on piisav ja materjalid pole vananenud.
Kuid tegelikes insenerirakendustes ei alga teatud tõrked alles kasutuselevõtul; pigem on võimalikud riskid olemas juba siis, kui liim on täielikult kõvenenud.
See potentsiaalne oht on sisemise jääkpinge olemasolu.
See on nähtamatu ja raskesti täpselt mõõdetav, kuid mitte müstiline. Lihtsamalt öeldes tõmbub liim kõvenemise ja jahutamise ajal kokku; kui ümbritsev aluspind piirab selle vaba deformatsiooni, muutub kokkutõmbumatu osa liimikihis jääkpingeks.
Täna juhendan teid kõiki selle kontseptsiooni põhjalikul mõistmisel.
0 1 Miks seda uurida?
Sisepinge ohud on "energia{0}}salvestamiseks".
Kõvenemisel salvestab liimikiht osa elastsest deformatsioonienergiast. See energia toimib järgneva liidese delaminatsiooni, mikropragude levimise ja deformatsiooni deformatsiooni aluseks.
Võtke näiteks liidese eraldumine ja delaminatsioon: sisemised pinged kogunevad töökoormuse peale, mistõttu liidese tegelik pinge ületab tunduvalt projekteeritud -arvutatud reitinguväärtust. Teisisõnu, isegi enne liimikihi ametlikku teenindamist on liides juba üleliigselt eelpingestatud.
Teine näide on täpsuse triiv, mis osutub eriti kahjulikuks täppissõlmedele, nagu robotid, mootorid ja optilised komponendid.
Magnetsüdamiku asend mootoris, optiliste komponentide joondamine ja konstruktsiooniosade mõõtmed võivad kõik{0}}sisepingete järkjärgulise vabanemise tõttu pikaajaliselt muutuda. Kui komponendid on kokkupanemise ajal algselt nõuetele vastavad, kuid pärast sadu töötunde ilmnevad kõrvalekalded, tulenevad sellised probleemid sageli sisemisest pingest.
Lisaks väheneb väsimuse eluiga. Sisemine stress esindab pikaajalist-keskmist stressitaset, mis üheskoos vähendab väsimuse eluea kõverat. Temperatuuritsükli, niiskuse ja vibratsiooni kombinatsioon põhjustab sageli olukordi, kus tooted läbivad esialgse testimise, kuid ebaõnnestuvad masstootmise ajal.
Seetõttu ei ole sisemine pinge teisejärguline probleem, vaid pigem sidumise usaldusväärsuse põhieeldus. See ei määra mitte ainult seda, kas adhesioon võib tekkida, vaid ka seda, kui kaua side pärast seda stabiilsena püsib.
0 2 Kust sisemine stress pärineb?
Sisemise stressi mõistmiseks tuleb kõigepealt mõista selle päritolu.
Liimi kõvenemise ajal tekkiv sisepinge tuleneb põhimõtteliselt kahte tüüpi tüvedest, mis kalduvad kokku tõmbuma, kuid ei saa seda tegelikult teha.
Esimene kategooria on kõvenev kokkutõmbumine, tuntud ka kui keemiline kokkutõmbumine.
Vedelates monomeerides säilitavad molekulid kontakti läbi van der Waalsi jõudude (nõrgad interaktsioonid). Kahe molekuli aatomite vahel ei ole keemilisi sidemeid; nad lihtsalt eksisteerivad vahetus läheduses, tüüpilise vahekaugusega umbes 0,3–0,4 nm (mis esindab mõlema molekuli van der Waalsi raadiuste summat).
Polümerisatsioonireaktsiooni käigus tekivad monomeeride vahel kovalentsed sidemed. Võttes näiteks kõige tavalisema C-C üksiksideme, on selle sideme pikkus ligikaudu 0,154 nm. See tähendab, et kaks molekuli, mis olid algselt eraldatud umbes 0,35 nm lõdva vahemaaga, viiakse nüüd sunniviisiliselt kokku umbes 0,15 nm -pikkuse kovalentse sidemega, mille tulemusena väheneb molekulidevaheline kaugus rohkem kui poole võrra. (Joonis)
Makroskoopilisel tasandil väljendub selliste molekulipaaride triljonite samaaegne kokkutõmbumine mahu vähenemisena. See on füüsiline tagajärg, mida ei saa täielikult vältida üheski liitpolümerisatsioonireaktsioonis.
Teine kategooria on termiline ebakõla pinge.
Paljud liimid vajavad kõvenemiseks kuumutamist. Pärast kõvenemist, jahutamisel kõrgest temperatuurist toatemperatuurini, erinevad liimi ja aluspinna soojuspaisumistegurid.
Liimi soojuspaisumistegur on tavaliselt oluliselt kõrgem kui alusmaterjalidel, nagu metallid, magnetid ja keraamika. Jahtumisel kipub liim veelgi kokku tõmbuma, kuid alusmaterjal takistab selle vaba kokkutõmbumist, piirates sellega liimikihti ja tekitades sisemise jääkpinge.
Kõige kriitilisem kontseptsioon on siin geelipunkt.
Enne geelistumist jääb liim vedelaks ja võib voolata. Selles etapis, isegi kui toimub kokkutõmbumine, võib materjal sellist deformatsiooni voolu, ümberkorraldamise ja täitmise kaudu hajutada, minimeerides seeläbi sisemise pinge kuhjumist.
Pärast geelipunkti olukord muutub. Liimi sees hakkab moodustuma kolmemõõtmeline võrgustik ja materjal läheb järk-järgult vedelast tahkeks. Selles etapis omandab liimikiht kandevõime-ja hakkab järgnevaid kokkutõmbumisi ja deformatsioone "mäletama".
Teisisõnu, pärast geelipunkti toimuv kokkutõmbumise osa on tõeliselt altid sisemise stressi tekitamisele.
Aja edenedes materjal tahkub veelgi ja selle Tg tõuseb pidevalt. Kui Tg ületab praegust töötemperatuuri, läheb liimikiht kummisest olekust klaasjas olekusse.
Klaasi olekusse sisenemisel suureneb liimikihi moodul kiiresti, muutes ketisegmendi liikumise raskemaks; järelikult muutub osa stressist, mida võis varem vabastada, veelgi raskem vabastada.
Seetõttu võib sisemist stressi lihtsalt mõista järgmiselt:
Enne geelipunkti: kokkutõmbumine võib toimuda ilma stressi tekitamata.
Pärast geelipunkti: geelikiht hakkab moodustama võrgustikku ja sellele järgnev kokkutõmbumine välditakse.
Pärast klaasistamist: materjal muutub jäigaks, selle molekulaarsed ahelad on immobiliseeritud, muutes stressi vabanemise raskemaks.
Nagu me kõik teame:
Pinge=moodul × pinge
Lõplik sisepinge ≈ efektiivne moodul × (-geelistumisejärgne kokkutõmbumine + termilise mittevastavuse deformatsioon) − lõdvestusvabastus
Soojuse mittevastavuse deformatsiooni võib lihtsalt mõista järgmiselt:
Termiline mittevastavusdeformatsioon ≈ (liimi soojuspaisumistegur − aluspinna soojuspaisumistegur) × efektiivne temperatuuride erinevus
Lõpliku sisemise netopinge moodustab ainult pärast geelipunkti tekkiv kokkutõmbumine ja termiline ebakõla, mis on korrutatud pidevalt kasvava mooduliga, millest on lahutatud protsessi käigus lõdvestusest vabanev osa.
See on ka põhjus, miks sisemist pinget on raske uurida: see ei teki järsult ühe hetkega, vaid koguneb järk-järgult kõvenemis- ja jahtumisprotsesside käigus. Kogu selle protsessi jooksul muutuvad pidevalt kokkutõmbumine, temperatuur, moodul ja materjali võime pinget vabastada.
03 Kuidas iseloomustada: kõigepealt mõõta "tulemust", seejärel mõõta "põhjust".
Nüüdseks on laialdaselt tunnustatud, et sisemine pinge ei teki järsult ühe hetkega, vaid pigem koguneb järk-järgult kõvenemis- ja jahutamisprotsesside käigus.
Kõik parameetrid muutuvad siin pidevalt: kokkutõmbumiskiirus, temperatuur, moodul ja isegi materjali võime pinget vabastada on kõik erinevad.
Seetõttu ei saa sisepinge iseloomustamine tugineda ainult ühele arvväärtusele; see peab käsitlema korraga kahte küsimust:
Esiteks, kui suur pinge või deformatsioon jääb lõpuks alles?
Teiseks, kuidas need pinged kõvenemisprotsessi ajal tekivad?
Testimismeetodite osas võib need üldiselt jagada kahte kategooriasse.
Üks kategooria hõlmab pinge- või deformatsioonitulemuste otsest mõõtmist, samas kui teine mõõdab mudelite loomiseks materjali sisemisi parameetreid.
1. kategooria: pinge- või deformatsioonitulemuste otsene mõõtmine
See lähenemisviis keskendub pärast liimi kõvenemist struktuuris esile kutsutud deformatsiooni või jääkpinge ulatuse kindlaksmääramisele.
Kõige klassikalisem meetod on konsooltala või bimaterjalist tala painutamine. Liim kantakse õhukestele metalllehtedele, räniplaatidele või muudele alusmaterjalidele; kõvenemise ajal põhjustab liimi kokkutõmbumine aluspinna paindumist. Mõõtes kõverust reaalajas ja kasutades Stoney võrrandiga analoogset meetodit, saab arvutada liimikihi keskmise pinge. Selle lähenemisviisi eelisteks on see, et see on intuitiivne ja hästi väljakujunenud-, võimaldades visualiseerida kõveraid, mis näitavad, kuidas stress kõvenemisajaga muutub.
Samuti on olemas kiud-Braggi resti (FBG) tehnika. Optiliste kiudude kinnistamisel geelikihti saab geeli sees olevat pinget mõõta reaalajas. See meetod annab geeli sisemise oleku täpsema peegelduse, võrreldes ainult pinna deformatsiooni mõõtmisega, kuigi sellega kaasnevad suuremad kulud ja töö keerukus.
Kõvenemise deformatsiooni jälgimine komposiitlaminaatides hajutatud optilise anduri abil (pildiallikas)
Läbipaistvate liimide puhul saab kasutada ka fotoelastsuse või kaksikmurdmise meetodeid, et jälgida pingejaotust pinge{0}}indutseeritud kaksikmurdumise kaudu.
Lisaks saab jääkpinge või kaudse deformatsiooni mõõtmiseks konkreetsetel tingimustel kasutada selliseid meetodeid nagu puurimine, südamiku proovide võtmine, röntgendifraktsioon (XRD), neutronite hajumine ja Ramani nihke analüüs.