Wanneer een verbindingsverbinding faalt, bestaan onze eerste stappen doorgaans uit het beoordelen of de lijmsterkte voldoende is, de oppervlaktebehandeling goed is, de impregnering voldoende is en de materialen niet verouderd zijn.
Bij daadwerkelijke technische toepassingen beginnen bepaalde storingen echter niet pas bij de inbedrijfstelling; in plaats daarvan zijn potentiële risico's al aanwezig zodra de lijm volledig is uitgehard.
Dit potentiële gevaar is de aanwezigheid van resterende interne spanning.
Het is onzichtbaar en moeilijk precies en direct te meten, maar toch niet mystiek van aard. Simpel gezegd: lijm ondergaat krimp tijdens het uitharden en afkoelen; als het omringende substraat zijn vrije vervorming beperkt, wordt het niet-krimpbare gedeelte restspanning binnen de lijmlaag.
Vandaag begeleid ik jullie allemaal bij het grondig begrijpen van dit concept.
0 1 Waarom dit bestuderen?
De gevaren van interne stress zijn van aard op het gebied van 'energie-opslag'.
Bij het uitharden slaat de lijmlaag een deel van de elastische rekenergie op. Deze energie dient als de onderliggende drijvende kracht voor daaropvolgende delaminatie van het grensvlak, de voortplanting van microscheuren en kromtrekkende vervorming.
Neem interface-delaminatie en delaminatie als voorbeeld: interne spanningen stapelen zich op bovenop de operationele belasting, waardoor de daadwerkelijke interface-spanning de door het ontwerp-berekende beoordelingswaarde ruimschoots overschrijdt. Met andere woorden: zelfs voordat de lijmlaag formeel in gebruik wordt genomen, wordt de interface al onderworpen aan overmatige voorspanning-.
Een ander voorbeeld is de nauwkeurigheidsdrift, die vooral nadelig blijkt te zijn voor precisieassemblages zoals robots, motoren en optische componenten.
De positie van de magnetische kern in de motor, de uitlijning van optische componenten en de afmetingen van structurele onderdelen kunnen allemaal op lange termijn- drift ondergaan als gevolg van het geleidelijk vrijkomen van interne spanningen. Als componenten in eerste instantie aan de eisen voldoen tijdens de montage, maar na honderden bedrijfsuren afwijkingen vertonen, komen dergelijke problemen vaak voort uit de aanwezigheid van interne spanningen.
Bovendien wordt de levensduur tegen vermoeiing verminderd. Interne spanning vertegenwoordigt een gemiddeld spanningsniveau op lange termijn- dat gezamenlijk de levensduurcurve voor vermoeiing verlaagt. De combinatie van temperatuurwisselingen, vochtigheid en trillingen leidt vaak tot situaties waarin producten de eerste tests doorstaan, maar tijdens de massaproductie falen.
Daarom is interne spanning geen secundair probleem, maar eerder de fundamentele voorwaarde voor de betrouwbaarheid van de verbinding. Het bepaalt niet alleen of er adhesie kan optreden, maar ook hoe lang de binding daarna stabiel blijft.
0 2 Waar komt interne stress vandaan?
Om interne stress te begrijpen, moet je eerst de oorsprong ervan begrijpen.
De interne spanning tijdens het uitharden van de lijm komt in principe voort uit twee soorten spanningen die de neiging vertonen om samen te trekken, maar dit feitelijk niet kunnen doen.
De eerste categorie is het uitharden van krimp, ook wel chemische krimp genoemd.
In vloeibare monomeren houden moleculen contact via van der Waals-krachten (zwakke interacties). Er zijn geen chemische bindingen tussen de atomen van de twee moleculen; ze bestaan eenvoudigweg dicht bij elkaar, met een typische afstand van ongeveer 0,3–0,4 nm (wat de som vertegenwoordigt van de van der Waals-stralen van beide moleculen).
Tijdens de polymerisatiereactie worden covalente bindingen gevormd tussen monomeren. Als we de meest voorkomende enkelvoudige C-C-binding als voorbeeld nemen, bedraagt de bindingslengte ongeveer 0,154 nm. Dit betekent dat twee moleculen die oorspronkelijk gescheiden waren door een losse afstand van ongeveer 0,35 nm, nu met kracht bij elkaar worden gebracht door een covalente binding met een lengte van ongeveer 0,15 nm-, wat resulteert in een verkleining van de intermoleculaire afstand met meer dan de helft. (Figuur)
Op macroscopisch niveau manifesteert de gelijktijdige samentrekking van biljoenen van dergelijke moleculaire paren zich als volumereductie. Dit is een natuurkundig gevolg dat bij geen enkele additiepolymerisatiereactie volledig kan worden vermeden.
De tweede categorie is thermische mismatch-stress.
Veel lijmen hebben verwarming nodig om uit te harden. Na uitharding, bij afkoeling van hoge temperatuur naar kamertemperatuur, verschillen de thermische uitzettingscoëfficiënten van de lijm en het substraat.
De thermische uitzettingscoëfficiënt van de lijm is doorgaans aanzienlijk hoger dan die van basismaterialen zoals metalen, magneten en keramiek. Tijdens het afkoelen heeft de lijm de neiging verder samen te trekken, maar het basismateriaal verhindert de vrije samentrekking ervan, waardoor de lijmlaag wordt tegengehouden en er interne spanning ontstaat.
Het meest kritische concept hier is het gelpunt.
Vóór het gelpunt blijft de lijm vloeibaar en kan vloeien. Tijdens deze fase kan het materiaal, zelfs als er samentrekking plaatsvindt, deze vervorming door vloeien, reorganisatie en vulling dissiperen, waardoor de accumulatie van interne spanning wordt geminimaliseerd.
Na het gelpunt verandert de situatie. Er begint zich een driedimensionaal netwerk te vormen in de lijm, en het materiaal gaat geleidelijk over van een vloeibare naar een vaste toestand. In dit stadium verkrijgt de lijmlaag draagvermogen- en begint hij de daaropvolgende krimp- en vervormingsgebeurtenissen te "herinneren".
Met andere woorden: het gedeelte van de contractie dat optreedt na het gelpunt is werkelijk gevoelig voor het genereren van interne spanning.
Naarmate de tijd verstrijkt, stolt het materiaal verder en stijgt de Tg voortdurend. Wanneer de Tg de huidige bedrijfstemperatuur overschrijdt, gaat de lijmlaag over van een rubberachtige toestand naar een glasachtige toestand.
Bij het bereiken van de glastoestand neemt de modulus van de lijmlaag snel toe, waardoor de beweging van de kettingsegmenten moeilijker wordt; als gevolg daarvan wordt een deel van de stress die voorheen kon worden losgelaten, nog moeilijker los te laten.
Daarom kan interne stress eenvoudig worden begrepen als:
Vóór het gelpunt: contractie kan optreden zonder gemakkelijk stress te veroorzaken.
Na het gelpunt: de gellaag begint een netwerk te vormen en daaropvolgende krimp wordt voorkomen.
Na verglazing: het materiaal wordt stijf en de moleculaire ketens worden geïmmobiliseerd, waardoor het loslaten van spanning moeilijker wordt.
Zoals we allemaal weten:
Spanning=Modulus × rek
Uiteindelijke interne spanning ≈ effectieve modulus × (krimp na -gelatie-uitharding + thermische mismatch-vervorming) − ontspanningsvrijgave
Vervorming door hitte-mismatch kan eenvoudig worden begrepen als:
Thermische mismatch-vervorming ≈ (thermische uitzettingscoëfficiënt van de lijm − thermische uitzettingscoëfficiënt van het substraat) × effectief temperatuurverschil
Alleen de contractie en de thermische mismatch die optreden na het gelpunt, vermenigvuldigd met de continu toenemende modulus, minus het deel dat vrijkomt door relaxatie tijdens het proces, vormen de uiteindelijke netto interne spanning.
Dit is ook de reden waarom interne spanning moeilijk te bestuderen is: deze ontstaat niet abrupt op een bepaald moment, maar stapelt zich geleidelijk op tijdens het uithardings- en afkoelingsproces. Gedurende dit proces ondergaan krimp, temperatuur, modulus en het vermogen van het materiaal om spanning op te heffen voortdurend veranderingen.
03 Hoe te karakteriseren: meet eerst het 'resultaat' en meet vervolgens de 'oorzaak'.
Het wordt nu algemeen erkend dat interne spanning niet abrupt op een enkel moment ontstaat, maar zich geleidelijk ophoopt tijdens het uithardings- en afkoelproces.
Elke parameter hier verandert voortdurend: de contractiesnelheid, temperatuur, modulus en zelfs het vermogen van het materiaal om spanning op te heffen variëren allemaal.
Daarom kan de karakterisering van interne spanning niet uitsluitend op een enkele numerieke waarde berusten; het moet tegelijkertijd twee vragen beantwoorden:
Ten eerste: welke hoeveelheid spanning of vervorming blijft er uiteindelijk over?
Ten tweede: hoe worden deze spanningen gevormd tijdens het uithardingsproces?
Als het om testmethoden gaat, kunnen deze over het algemeen in twee categorieën worden verdeeld.
Eén categorie omvat directe meting van spannings- of vervormingsresultaten, terwijl de andere materiële intrinsieke parameters meet om modellen op te stellen.
Categorie 1: Directe meting van spannings- of vervormingsresultaten
Deze aanpak richt zich op het bepalen van de mate van vervorming of restspanning die in de constructie wordt geïnduceerd nadat de lijm is uitgehard.
De meest klassieke methode is de benadering van het buigen van vrijdragende balken of bimaterialen. Kleefstof wordt aangebracht op dunne metalen platen, siliciumwafels of andere substraatmaterialen; tijdens het uitharden zorgt krimp van de lijm ervoor dat het substraat buigt. Door de kromming in realtime te meten en een methode te gebruiken die analoog is aan de vergelijking van Stoney, kan de gemiddelde spanning in de lijmlaag worden berekend. Deze aanpak biedt de voordelen dat deze intuïtief en goed ingeburgerd is, waardoor curven kunnen worden gevisualiseerd die weergeven hoe de spanning varieert met de uithardingstijd.
Er is ook de vezel-Bragg-roostertechniek (FBG). Door optische vezels in een gellaag in te bedden, kan de spanning in de gel in realtime worden gemeten. Deze methode biedt een nauwkeurigere weerspiegeling van de interne toestand van de gel vergeleken met metingen van oppervlaktevervorming alleen, hoewel dit hogere kosten en een grotere operationele complexiteit met zich meebrengt.
Monitoring van uithardingsrek in composietlaminaten met behulp van een gedistribueerde optische sensor (bron van afbeelding)
Voor transparante lijmen kunnen ook foto-elasticiteits- of dubbele brekingsmethoden worden gebruikt om de spanningsverdeling te observeren via spannings-geïnduceerde dubbele breking.
Bovendien kunnen methoden zoals boren, kernbemonstering, röntgendiffractie (XRD), neutronenverstrooiing en Raman-verschuivingsanalyse ook worden gebruikt onder specifieke omstandigheden voor het meten van restspanning of indirecte spanning.