Cando falla unha unión de unión, os nosos primeiros pasos normalmente implican avaliar se a resistencia adhesiva é adecuada, o tratamento da superficie é o adecuado, a impregnación é suficiente e os materiais non envelleceron.
Non obstante, nas aplicacións de enxeñería reais, certos fallos non comezan só despois da posta en servizo; máis ben, os riscos potenciais xa están presentes unha vez que o adhesivo se cura por completo.
Este perigo potencial é a presenza de tensión interna residual.
É invisible e difícil de medir con precisión directamente, aínda que non é de natureza mística. Simplemente, o adhesivo encolle durante o curado e o arrefriamento; se o substrato circundante restrinxe a súa deformación libre, a parte non encollíbel convértese en tensión residual dentro da capa adhesiva.
Hoxe, vouvos guiar a todos para comprender a fondo este concepto.
0 1 Por que estudalo?
Os riscos do estrés interno son de natureza de "-almacenamento de enerxía".
Despois do curado, a capa adhesiva almacena unha parte da enerxía de deformación elástica. Esta enerxía serve como forza impulsora subxacente para a posterior delaminación interfacial, propagación de microgrietas e deformación por deformación.
Tome como exemplo a delaminación e a delaminación da interface: as tensións internas acumúlanse sobre a carga operativa, o que fai que a tensión real da interface supere con creces o valor de clasificación-calculado do deseño. Noutras palabras, mesmo antes de que a capa adhesiva comece o servizo formal, a interface xa está sometida a un pre-tensado excesivo.
Outro exemplo é a deriva da precisión, que resulta particularmente prexudicial para conxuntos de precisión como robots, motores e compoñentes ópticos.
A posición do núcleo magnético no motor, o aliñamento dos compoñentes ópticos e as dimensións das pezas estruturais poden sufrir unha deriva-a longo prazo debido á liberación gradual das tensións internas. Se os compoñentes son inicialmente compatibles durante a montaxe pero presentan desviacións despois de centos de horas de funcionamento, tales problemas adoitan derivarse da presenza de tensións internas.
Ademais, a vida útil redúcese. O estrés interno representa un-nivel medio de estrés a longo prazo que, en conxunto, reduce a curva de vida útil pola fatiga. A combinación de ciclos de temperatura, humidade e vibración adoita levar a situacións nas que os produtos pasan as probas iniciais pero fallan durante a produción en masa.
Polo tanto, o estrés interno non é un problema secundario senón o requisito previo fundamental para a fiabilidade da unión. Determina non só se pode producirse a adhesión, senón tamén canto tempo permanece estable a unión despois.
0 2 Onde se orixina o estrés interno?
Para comprender o estrés interno, primeiro hai que comprender a súa orixe.
O estrés interno durante o curado do adhesivo xorde fundamentalmente de dous tipos de cepas que presentan unha tendencia a contraerse pero que realmente non poden facelo.
A primeira categoría é curar a contracción, tamén coñecida como encollemento químico.
Nos monómeros líquidos, as moléculas manteñen o contacto a través das forzas de van der Waals (interaccións débiles). Non hai enlaces químicos entre os átomos das dúas moléculas; simplemente existen nas proximidades, cunha distancia típica de aproximadamente 0,3–0,4 nm (o que representa a suma dos raios de van der Waals de ambas moléculas).
Durante a reacción de polimerización fórmanse enlaces covalentes entre monómeros. Tomando como exemplo o enlace simple C-C máis común, a súa lonxitude de enlace é de aproximadamente 0,154 nm. Isto significa que dúas moléculas separadas orixinalmente por unha distancia solta duns 0,35 nm son agora unidas por forza mediante un enlace covalente cunha lonxitude de aproximadamente 0,15 nm-o que resulta nunha redución da distancia intermolecular máis da metade. (Figura)
A nivel macroscópico, a contracción simultánea de billóns de tales pares moleculares maniféstase como unha redución de volume. Esta é unha consecuencia física que non se pode evitar por completo en ningunha reacción de polimerización por adición.
A segunda categoría é a tensión de desaxuste térmico.
Moitos adhesivos requiren calefacción para curar. Despois do curado, cando se arrefría de alta temperatura a temperatura ambiente, os coeficientes de expansión térmica do adhesivo e do substrato difiren.
O coeficiente de expansión térmica do adhesivo adoita ser significativamente maior que o dos materiais de base como metais, imáns e cerámicas. Durante o arrefriamento, o adhesivo tende a contraerse aínda máis, pero o material base impide a súa contracción libre, co que restrinxe a capa de adhesivo e provoca tensión interna residual.
O concepto máis crítico aquí é o punto de xel.
Antes do punto de xel, o adhesivo permanece fluído e pode fluír. Durante esta etapa, aínda que se produza a contracción, o material pode disipar esa deformación mediante o fluxo, a reorganización e o recheo, minimizando así a acumulación de tensión interna.
Despois do punto de xel, a situación cambia. Comeza a formarse unha rede tridimensional-no adhesivo e o material pasa gradualmente dun estado líquido a un sólido. Nesta fase, a capa adhesiva adquire capacidade de carga-e comeza a "recordar" os eventos de encollemento e deformación posteriores.
Noutras palabras, a parte de contracción que ocorre despois do punto de xel é realmente propensa a xerar estrés interno.
A medida que avanza o tempo, o material solidifica aínda máis e a súa Tg aumenta continuamente. Cando a Tg supera a temperatura de funcionamento actual, a capa adhesiva pasa dun estado gomoso a un estado vítreo.
Ao entrar no estado de vidro, o módulo da capa adhesiva aumenta rapidamente, dificultando o movemento do segmento da cadea; en consecuencia, unha parte do estrés que se podía liberar previamente faise aínda máis difícil de liberar.
Polo tanto, o estrés interno pódese entender simplemente como:
Antes do punto de xel: a contracción pode ocorrer sen inducir facilmente estrés.
Despois do punto de xel: a capa de xel comeza a formar unha rede e impídese a contracción posterior.
Despois da vitrificación: o material vólvese ríxido, coas súas cadeas moleculares inmobilizadas, dificultando a liberación do estrés.
Como todos sabemos:
Módulo de tensión=× Deformación
Esfuerzo interno final ≈ módulo efectivo × (contracción post-gelificación curado + deformación por desaxuste térmico) − liberación de relaxación
A deformación do desajuste térmico pódese entender simplemente como:
Deformación por desaxuste térmico ≈ (coeficiente de expansión térmica do adhesivo − coeficiente de expansión térmica do substrato) × diferenza de temperatura efectiva
Só a contracción e o desaxuste térmico que se producen despois do punto de xel, multiplicado polo módulo en continuo aumento, menos a porción liberada pola relaxación durante o proceso, constitúe a tensión interna neta final.
Esta é tamén a razón pola que o estrés interno é difícil de estudar: non xorde bruscamente nun só instante senón que se acumula gradualmente durante os procesos de curado e arrefriamento. Ao longo deste proceso, a contracción, a temperatura, o módulo e a capacidade do material para liberar estrés sofren cambios continuos.
03 Como caracterizar: primeiro mide o "resultado" e despois mide a "causa".
Agora é amplamente recoñecido que o estrés interno non xorde bruscamente nun só instante, senón que se acumula gradualmente durante os procesos de curado e arrefriamento.
Todos os parámetros aquí cambian constantemente: a taxa de contracción, a temperatura, o módulo e mesmo a capacidade do material para liberar estrés varían.
Polo tanto, a caracterización da tensión interna non pode depender unicamente dun único valor numérico; debe abordar simultáneamente dúas cuestións:
En primeiro lugar, que cantidade de tensión ou deformación queda ao final?
En segundo lugar, como se forman estas tensións durante o proceso de curado?
Cando se trata de métodos de proba, xeralmente pódense dividir en dúas categorías.
Unha categoría implica a medición directa dos resultados de tensión ou deformación, mentres que a outra mide parámetros intrínsecos materiais para establecer modelos.
Categoría 1: Medición directa dos resultados de tensión ou deformación
Este enfoque céntrase en determinar a extensión da deformación ou tensión residual inducida na estrutura despois do curado do adhesivo.
O método máis clásico é o enfoque de flexión da viga cantilever ou bimaterial. O adhesivo aplícase a chapas finas de metal, obleas de silicio ou outros materiais de substrato; durante o curado, a contracción do adhesivo fai que o substrato se doble. Medindo a curvatura en tempo real e empregando un método análogo á ecuación de Stoney, pódese calcular a tensión media dentro da capa adhesiva. Este enfoque ofrece as vantaxes de ser intuitivo e-ben establecido, e permite a visualización de curvas que representan como varía a tensión co tempo de curado.
Tamén existe a técnica da reixa de Bragg de fibra (FBG). Ao incorporar fibras ópticas nunha capa de xel, a tensión dentro do xel pódese medir en tempo real. Este método proporciona un reflexo máis preciso do estado interno do xel en comparación coas medidas de deformación da superficie só, aínda que implica custos máis elevados e maior complexidade operativa.
Monitorización da tensión de cura en laminados compostos mediante un sensor óptico distribuído (Fonte da imaxe)
Para os adhesivos transparentes, tamén se poden empregar métodos de fotoelasticidade ou birrefringencia para observar a distribución da tensión mediante a birrefringencia inducida por tensión-.
Ademais, métodos como a perforación, a mostraxe de núcleos, a difracción de raios X-(XRD), a dispersión de neutróns e a análise de desprazamento Raman tamén se poden empregar en condicións específicas para medir a tensión residual ou a deformación indirecta.