Wenn eine Klebeverbindung versagt, prüfen wir in der Regel zunächst, ob die Klebekraft ausreichend ist, die Oberflächenbehandlung richtig ist, die Imprägnierung ausreichend ist und die Materialien nicht gealtert sind.
Bei tatsächlichen technischen Anwendungen treten jedoch bestimmte Fehler nicht erst bei der Inbetriebnahme auf; Vielmehr bestehen potenzielle Risiken bereits, wenn der Klebstoff vollständig ausgehärtet ist.
Diese potenzielle Gefahr besteht im Vorhandensein innerer Eigenspannungen.
Es ist unsichtbar und schwer direkt präzise zu messen, aber dennoch nicht mystischer Natur. Vereinfacht gesagt schrumpft der Klebstoff beim Aushärten und Abkühlen; Wenn das umgebende Substrat seine freie Verformung einschränkt, wird der nicht schrumpfbare Teil zu einer Restspannung innerhalb der Klebeschicht.
Heute werde ich Sie alle dabei unterstützen, dieses Konzept gründlich zu verstehen.
0 1 Warum es studieren?
Die Gefahren von innerem Stress sind „Energiespeicherung“-bezogener Natur.
Beim Aushärten speichert die Klebstoffschicht einen Teil der elastischen Dehnungsenergie. Diese Energie dient als zugrunde liegende treibende Kraft für die anschließende Grenzflächendelaminierung, die Ausbreitung von Mikrorissen und die Verformung.
Nehmen Sie als Beispiel die Delamination von Grenzflächen: Interne Spannungen akkumulieren zusätzlich zur Betriebslast, was dazu führt, dass die tatsächliche Grenzflächenspannung den vom Entwurf-berechneten Nennwert weit übersteigt. Mit anderen Worten: Noch bevor die Klebeschicht ihren offiziellen Dienst aufnimmt, steht die Schnittstelle bereits unter einer übermäßigen Vorspannung.
Ein weiteres Beispiel ist die Genauigkeitsdrift, die sich insbesondere bei Präzisionsbaugruppen wie Robotern, Motoren und optischen Komponenten als schädlich erweist.
Die Position des Magnetkerns im Motor, die Ausrichtung optischer Komponenten und die Abmessungen struktureller Teile können aufgrund des allmählichen Abbaus innerer Spannungen einer langfristigen Abweichung unterliegen. Wenn Komponenten während der Montage zunächst konform sind, nach Hunderten von Betriebsstunden jedoch Abweichungen auftreten, sind solche Probleme häufig auf das Vorhandensein interner Spannungen zurückzuführen.
Darüber hinaus wird die Ermüdungslebensdauer verringert. Die innere Spannung stellt ein langfristiges durchschnittliches Spannungsniveau dar, das insgesamt die Ermüdungslebensdauerkurve senkt. Die Kombination aus Temperaturwechsel, Feuchtigkeit und Vibration führt häufig dazu, dass Produkte die ersten Tests bestehen, bei der Massenproduktion jedoch versagen.
Eigenspannungen sind daher kein zweitrangiges Thema, sondern die Grundvoraussetzung für die Zuverlässigkeit der Verbindung. Sie bestimmt nicht nur, ob es zu einer Haftung kommen kann, sondern auch, wie lange die Verbindung danach stabil bleibt.
0 2 Wo entsteht innerer Stress?
Um inneren Stress zu verstehen, muss man zunächst seinen Ursprung verstehen.
Die Eigenspannung bei der Aushärtung des Klebstoffs entsteht im Wesentlichen durch zwei Arten von Spannungen, die dazu neigen, sich zusammenzuziehen, dies aber nicht tun können.
Die erste Kategorie ist die Härtungsschrumpfung, auch chemische Schrumpfung genannt.
In flüssigen Monomeren halten Moleküle den Kontakt durch Van-der-Waals-Kräfte (schwache Wechselwirkungen) aufrecht. Zwischen den Atomen der beiden Moleküle bestehen keine chemischen Bindungen; Sie existieren einfach in unmittelbarer Nähe, mit einem typischen Abstand von etwa 0,3–0,4 nm (was der Summe der Van-der-Waals-Radien beider Moleküle entspricht).
Während der Polymerisationsreaktion werden kovalente Bindungen zwischen Monomeren gebildet. Am Beispiel der häufigsten C-C-Einfachbindung beträgt ihre Bindungslänge etwa 0,154 nm. Das bedeutet, dass zwei ursprünglich durch einen losen Abstand von etwa 0,35 nm getrennte Moleküle nun durch eine kovalente Bindung mit einer Länge von etwa 0,15 nm zwangsweise zusammengebracht werden-, was zu einer Verringerung des intermolekularen Abstands um mehr als die Hälfte führt. (Figur)
Auf makroskopischer Ebene manifestiert sich die gleichzeitige Kontraktion von Billionen solcher Molekülpaare in einer Volumenverringerung. Dies ist eine physikalische Konsequenz, die bei keiner Additionspolymerisationsreaktion vollständig vermieden werden kann.
Die zweite Kategorie ist die thermische Fehlanpassungsspannung.
Viele Klebstoffe erfordern zum Aushärten Erhitzen. Nach dem Aushärten, wenn von hoher Temperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird, unterscheiden sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Klebstoff und Substrat.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Klebstoffs ist typischerweise deutlich höher als der von Grundmaterialien wie Metallen, Magneten und Keramik. Während des Abkühlens neigt der Klebstoff dazu, sich weiter zusammenzuziehen, aber das Grundmaterial verhindert seine freie Kontraktion, wodurch die Klebstoffschicht zurückgehalten wird und eine innere Restspannung entsteht.
Das wichtigste Konzept hier ist der Gelpunkt.
Vor dem Gelpunkt bleibt der Kleber flüssig und kann fließen. Selbst wenn in dieser Phase eine Kontraktion auftritt, kann das Material diese Verformung durch Fließen, Reorganisieren und Füllen abbauen, wodurch die Anhäufung innerer Spannungen minimiert wird.
Nach dem Gelpunkt ändert sich die Situation. Innerhalb des Klebstoffs beginnt sich ein dreidimensionales Netzwerk zu bilden, und das Material geht allmählich vom flüssigen in den festen Zustand über. In diesem Stadium erlangt die Klebeschicht ihre Tragfähigkeit und beginnt, sich an nachfolgende Schrumpfungs- und Verformungsereignisse zu „erinnern“.
Mit anderen Worten, der Teil der Kontraktion, der nach dem Gelpunkt auftritt, ist tatsächlich anfällig für die Erzeugung von innerem Stress.
Mit fortschreitender Zeit verfestigt sich das Material weiter und seine Tg steigt kontinuierlich an. Wenn die Tg die aktuelle Betriebstemperatur überschreitet, geht die Klebeschicht von einem gummiartigen Zustand in einen glasartigen Zustand über.
Beim Eintritt in den Glaszustand steigt der Modul der Klebeschicht schnell an, was die Bewegung der Kettensegmente erschwert; Infolgedessen wird es noch schwieriger, einen Teil des Stresses abzubauen, der zuvor abgebaut werden konnte.
Daher kann innerer Stress einfach verstanden werden als:
Vor dem Gelpunkt: Eine Kontraktion kann erfolgen, ohne dass es zu Stress kommt.
Nach dem Gelpunkt: Die Gelschicht beginnt sich zu vernetzen und ein späteres Schrumpfen wird verhindert.
Nach der Vitrifizierung: Das Material wird starr und seine Molekülketten sind immobilisiert, was den Spannungsabbau erschwert.
Wie wir alle wissen:
Spannung=Modul × Dehnung
Endgültige innere Spannung ≈ effektiver Modul × (Schrumpfung nach der Gelierung + thermische Fehlanpassungsverformung) − Entspannungsfreisetzung
Die Wärmefehlanpassungsverformung kann einfach wie folgt verstanden werden:
Thermische Fehlanpassungsverformung ≈ (Wärmeausdehnungskoeffizient des Klebstoffs − Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats) × effektive Temperaturdifferenz
Nur die Kontraktion und die thermische Fehlanpassung, die nach dem Gelpunkt auftreten, multipliziert mit dem kontinuierlich zunehmenden Modul, abzüglich des durch Entspannung während des Prozesses freigesetzten Anteils, bilden die endgültige innere Nettospannung.
Dies ist auch der Grund, warum innere Spannungen schwer zu untersuchen sind: Sie entstehen nicht schlagartig in einem einzigen Moment, sondern bauen sich während des Aushärte- und Abkühlvorgangs allmählich auf. Während dieses Prozesses unterliegen Schrumpfung, Temperatur, Modul und die Fähigkeit des Materials, Spannungen abzubauen, ständigen Veränderungen.
03 So charakterisieren Sie: Messen Sie zuerst das „Ergebnis“, dann die „Ursache“.
Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass innere Spannungen nicht plötzlich in einem einzigen Moment entstehen, sondern sich während des Aushärte- und Abkühlprozesses allmählich ansammeln.
Jeder Parameter ändert sich hier ständig: Die Kontraktionsrate, die Temperatur, der Modul und sogar die Fähigkeit des Materials, Spannungen abzubauen, variieren alle.
Daher kann die Charakterisierung der inneren Spannung nicht ausschließlich auf einem einzigen numerischen Wert beruhen; Es muss sich gleichzeitig mit zwei Fragen befassen:
Erstens: Wie viel Spannung oder Verformung verbleibt am Ende?
Zweitens: Wie entstehen diese Spannungen während des Aushärtungsprozesses?
Was die Testmethoden betrifft, lassen sie sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen.
Eine Kategorie umfasst die direkte Messung von Spannungs- oder Verformungsergebnissen, während die andere materialintrinsische Parameter misst, um Modelle zu erstellen.
Kategorie 1: Direkte Messung von Spannungs- oder Verformungsergebnissen
Dieser Ansatz konzentriert sich auf die Bestimmung des Ausmaßes der Verformung oder Eigenspannung, die in der Struktur nach dem Aushärten des Klebstoffs entsteht.
Die klassischste Methode ist der Cantilever-Beam- oder Bimaterial-Biegeansatz. Der Klebstoff wird auf dünne Metallbleche, Siliziumwafer oder andere Substratmaterialien aufgetragen; Während der Aushärtung führt die Schrumpfung des Klebstoffs dazu, dass sich das Substrat verbiegt. Durch Messung der Krümmung in Echtzeit und Verwendung einer Methode analog zur Stoney-Gleichung kann die durchschnittliche Spannung innerhalb der Klebeschicht berechnet werden. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass er intuitiv und gut etabliert ist und die Visualisierung von Kurven ermöglicht, die darstellen, wie sich die Spannung mit der Aushärtezeit ändert.
Es gibt auch die Faser-Bragg-Gitter-Technik (FBG). Durch die Einbettung optischer Fasern in eine Gelschicht kann die Spannung im Gel in Echtzeit gemessen werden. Diese Methode liefert eine genauere Darstellung des inneren Zustands des Gels im Vergleich zu Messungen der Oberflächenverformung allein, ist jedoch mit höheren Kosten und einer größeren betrieblichen Komplexität verbunden.
Überwachung der Aushärtedehnung in Verbundlaminaten mithilfe eines verteilten optischen Sensors (Bildquelle)
Bei transparenten Klebstoffen können auch Photoelastizitäts- oder Doppelbrechungsmethoden eingesetzt werden, um die Spannungsverteilung über spannungsinduzierte Doppelbrechung zu beobachten.
Darüber hinaus können unter bestimmten Bedingungen auch Methoden wie Bohren, Kernprobenentnahme, Röntgenbeugung (XRD), Neutronenstreuung und Raman-Verschiebungsanalyse zur Messung von Eigenspannung oder indirekter Dehnung eingesetzt werden.