Khi mối nối liên kết bị hỏng, các bước đầu tiên của chúng tôi thường liên quan đến việc đánh giá xem cường độ bám dính có đủ hay không, xử lý bề mặt có phù hợp, độ thấm đủ và vật liệu có bị lão hóa hay không.
Tuy nhiên, trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, một số lỗi nhất định không chỉ bắt đầu khi đưa vào vận hành; đúng hơn, những rủi ro tiềm ẩn đã hiện hữu khi chất kết dính đã khô hoàn toàn.
Mối nguy hiểm tiềm ẩn này là sự hiện diện của ứng suất dư bên trong.
Nó vô hình và khó đo lường một cách chính xác một cách trực tiếp, nhưng về bản chất lại không hề huyền bí. Nói một cách đơn giản, chất kết dính sẽ co lại trong quá trình đóng rắn và làm nguội; nếu chất nền xung quanh hạn chế sự biến dạng tự do của nó thì phần không thể co lại sẽ trở thành ứng suất dư trong lớp dính.
Hôm nay tôi sẽ hướng dẫn các bạn hiểu cặn kẽ khái niệm này.
0 1 Tại sao lại nghiên cứu nó?
Mối nguy hiểm của căng thẳng bên trong có tính chất "lưu trữ năng lượng".
Sau khi đóng rắn, lớp dính sẽ lưu trữ một phần năng lượng biến dạng đàn hồi. Năng lượng này đóng vai trò là động lực cơ bản cho sự phân tách bề mặt tiếp theo, sự lan truyền vết nứt vi mô và biến dạng cong vênh.
Lấy sự phân tách và phân tách giao diện làm ví dụ: ứng suất bên trong tích tụ trên tải vận hành, khiến ứng suất giao diện thực tế vượt xa giá trị xếp hạng được tính toán-của thiết kế. Nói cách khác, ngay cả trước khi lớp dính bắt đầu sử dụng chính thức, giao diện đã phải chịu lực căng trước quá mức.
Một ví dụ khác là độ lệch độ chính xác, điều này đặc biệt gây bất lợi cho các tổ hợp chính xác như robot, động cơ và các bộ phận quang học.
Vị trí của lõi từ trong động cơ, sự thẳng hàng của các bộ phận quang học và kích thước của các bộ phận kết cấu đều có thể bị trôi-trong thời gian dài do sự giải phóng dần dần ứng suất bên trong. Nếu các bộ phận ban đầu tuân thủ trong quá trình lắp ráp nhưng lại xuất hiện sai lệch sau hàng trăm giờ hoạt động thì những vấn đề như vậy thường xuất phát từ sự hiện diện của ứng suất bên trong.
Ngoài ra, tuổi thọ mệt mỏi giảm. Ứng suất bên trong biểu thị mức độ ứng suất trung bình-dài hạn làm giảm chung đường cong tuổi thọ mỏi. Sự kết hợp giữa chu trình nhiệt độ, độ ẩm và độ rung thường dẫn đến tình huống sản phẩm vượt qua thử nghiệm ban đầu nhưng lại thất bại trong quá trình sản xuất hàng loạt.
Do đó, ứng suất bên trong không phải là vấn đề thứ yếu mà là điều kiện tiên quyết cơ bản cho độ tin cậy của liên kết. Nó xác định không chỉ liệu độ bám dính có thể xảy ra hay không mà còn xác định liên kết sẽ ổn định trong bao lâu sau đó.
0 2 Căng thẳng bên trong bắt nguồn từ đâu?
Để hiểu được căng thẳng bên trong, trước tiên người ta phải hiểu nguồn gốc của nó.
Ứng suất bên trong trong quá trình xử lý keo về cơ bản phát sinh từ hai loại biến dạng có xu hướng co lại nhưng thực tế không thể làm như vậy.
Loại đầu tiên là xử lý co rút hay còn gọi là co ngót hóa học.
Trong các monome lỏng, các phân tử duy trì sự tiếp xúc thông qua lực van der Waals (tương tác yếu). Không có liên kết hóa học giữa các nguyên tử của hai phân tử; chúng chỉ đơn giản tồn tại ở những khoảng cách gần nhau, với khoảng cách điển hình là khoảng 0,3–0,4 nm (đại diện cho tổng bán kính van der Waals của cả hai phân tử).
Trong phản ứng trùng hợp, liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các monome. Lấy liên kết đơn C–C phổ biến nhất làm ví dụ, độ dài liên kết của nó xấp xỉ 0,154 nm. Điều này có nghĩa là hai phân tử ban đầu cách nhau một khoảng cách nhỏ khoảng 0,35 nm giờ đây bị buộc phải gắn kết lại với nhau bằng liên kết cộng hóa trị có chiều dài khoảng 0,15 nm-dẫn đến khoảng cách giữa các phân tử giảm hơn một nửa. (Nhân vật)
Ở cấp độ vĩ mô, sự co lại đồng thời của hàng nghìn tỷ cặp phân tử như vậy biểu hiện bằng sự giảm thể tích. Đây là một hậu quả vật lý không thể tránh khỏi hoàn toàn trong bất kỳ phản ứng trùng hợp cộng nào.
Loại thứ hai là ứng suất không phù hợp nhiệt.
Nhiều chất kết dính cần phải đun nóng để xử lý. Sau khi đóng rắn, khi làm nguội từ nhiệt độ cao về nhiệt độ phòng, hệ số giãn nở nhiệt của chất kết dính và chất nền khác nhau.
Hệ số giãn nở nhiệt của chất kết dính thường cao hơn đáng kể so với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu cơ bản như kim loại, nam châm và gốm sứ. Trong quá trình làm mát, chất kết dính có xu hướng co lại nhiều hơn, nhưng vật liệu nền ngăn cản sự co lại tự do của nó, do đó hạn chế lớp dính và gây ra ứng suất dư bên trong.
Khái niệm quan trọng nhất ở đây là điểm gel.
Trước điểm gel, chất kết dính vẫn ở dạng lỏng và có thể chảy. Trong giai đoạn này, ngay cả khi xảy ra hiện tượng co lại, vật liệu có thể tiêu tan biến dạng đó thông qua dòng chảy, sự sắp xếp lại và sự lấp đầy, do đó giảm thiểu sự tích tụ ứng suất bên trong.
Sau điểm gel, tình hình thay đổi. Mạng ba chiều-bắt đầu hình thành bên trong chất kết dính và vật liệu dần dần chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Ở giai đoạn này, lớp dính có được khả năng chịu tải-và bắt đầu "ghi nhớ" các sự kiện co ngót và biến dạng tiếp theo.
Nói cách khác, phần co lại xảy ra sau điểm gel thực sự dễ tạo ra ứng suất bên trong.
Theo thời gian, vật liệu càng đông cứng lại và Tg của nó liên tục tăng lên. Khi Tg vượt quá nhiệt độ hoạt động hiện tại, lớp dính sẽ chuyển từ trạng thái cao su sang trạng thái thủy tinh.
Khi chuyển sang trạng thái thủy tinh, mô đun của lớp dính tăng nhanh khiến việc di chuyển các đoạn chuỗi trở nên khó khăn hơn; do đó, một phần căng thẳng vốn có thể được giải phóng trước đây lại càng trở nên khó giải phóng hơn.
Vì vậy, ứng suất bên trong có thể được hiểu đơn giản là:
Trước điểm gel: sự co lại có thể xảy ra mà không dễ gây ra căng thẳng.
Sau điểm gel: lớp gel bắt đầu hình thành mạng lưới và ngăn chặn sự co rút sau đó.
Sau khi thủy tinh hóa: vật liệu trở nên cứng, với các chuỗi phân tử cố định, khiến việc giải phóng ứng suất trở nên khó khăn hơn.
Như chúng ta đều biết:
Ứng suất=Mô đun × Biến dạng
Ứng suất bên trong cuối cùng ≈ mô đun hiệu dụng × (độ co ngót sau quá trình xử lý gel hóa + biến dạng không khớp nhiệt) − giải phóng hồi phục
Biến dạng không tương xứng nhiệt có thể hiểu đơn giản là:
Biến dạng không khớp nhiệt ≈ (hệ số giãn nở nhiệt của chất kết dính − hệ số giãn nở nhiệt của chất nền) × chênh lệch nhiệt độ hiệu dụng
Chỉ có sự co lại và không khớp nhiệt xảy ra sau điểm gel, nhân với mô đun tăng liên tục, trừ đi phần được giải phóng do giãn trong quá trình, tạo thành ứng suất ròng cuối cùng.
Đây cũng là lý do tại sao ứng suất bên trong rất khó nghiên cứu: nó không phát sinh đột ngột ngay lập tức mà tích lũy dần dần trong quá trình đóng rắn và làm nguội. Trong suốt quá trình này, độ co ngót, nhiệt độ, mô đun và khả năng giải phóng ứng suất của vật liệu đều trải qua những thay đổi liên tục.
03 Cách mô tả: Đầu tiên đo lường “kết quả”, sau đó đo lường “nguyên nhân”.
Hiện nay người ta đã thừa nhận rộng rãi rằng ứng suất bên trong không phát sinh đột ngột ngay lập tức mà tích lũy dần dần trong quá trình đóng rắn và làm nguội.
Mọi thông số ở đây liên tục thay đổi: tốc độ co lại, nhiệt độ, mô đun và thậm chí khả năng giải phóng ứng suất của vật liệu đều khác nhau.
Do đó, việc mô tả đặc tính của ứng suất bên trong không thể chỉ dựa vào một giá trị số duy nhất; nó phải đồng thời giải quyết hai câu hỏi:
Đầu tiên, mức độ căng thẳng hoặc biến dạng còn lại ở cuối là bao nhiêu?
Thứ hai, những ứng suất này được hình thành như thế nào trong quá trình đóng rắn?
Khi nói đến các phương pháp thử nghiệm, chúng thường có thể được chia thành hai loại.
Một loại liên quan đến việc đo trực tiếp các kết quả ứng suất hoặc biến dạng, trong khi loại kia đo các thông số nội tại của vật liệu để thiết lập mô hình.
Loại 1: Đo trực tiếp kết quả ứng suất hoặc biến dạng
Cách tiếp cận này tập trung vào việc xác định mức độ biến dạng hoặc ứng suất dư gây ra trong kết cấu sau khi keo đã khô.
Phương pháp cổ điển nhất là phương pháp uốn dầm đúc hẫng hoặc phương pháp uốn dầm lưỡng vật liệu. Chất kết dính được áp dụng cho các tấm kim loại mỏng, tấm silicon hoặc các vật liệu nền khác; trong quá trình đóng rắn, chất kết dính co lại làm cho lớp nền bị uốn cong. Bằng cách đo độ cong trong thời gian thực và sử dụng phương pháp tương tự như phương trình của Stoney, có thể tính được ứng suất trung bình trong lớp dính. Cách tiếp cận này mang lại lợi ích là trực quan và-được thiết lập tốt, cho phép hiển thị trực quan các đường cong mô tả ứng suất thay đổi như thế nào theo thời gian lưu hóa.
Ngoài ra còn có kỹ thuật cách tử sợi Bragg (FBG). Bằng cách nhúng các sợi quang vào trong một lớp gel, độ căng trong gel có thể được đo theo thời gian thực. Phương pháp này cung cấp sự phản ánh chính xác hơn về trạng thái bên trong của gel so với các phép đo biến dạng bề mặt, mặc dù nó đòi hỏi chi phí cao hơn và độ phức tạp vận hành cao hơn.
Xử lý giám sát biến dạng trong tấm composite bằng cảm biến quang học phân tán (Nguồn hình ảnh)
Đối với chất kết dính trong suốt, phương pháp quang đàn hồi hoặc lưỡng chiết cũng có thể được sử dụng để quan sát sự phân bổ ứng suất thông qua hiện tượng lưỡng chiết do ứng suất-gây ra.
Ngoài ra, các phương pháp như khoan, lấy mẫu lõi, nhiễu xạ tia X (XRD), tán xạ neutron và phân tích dịch chuyển Raman cũng có thể được sử dụng trong các điều kiện cụ thể để đo ứng suất dư hoặc biến dạng gián tiếp.