כאשר מפרק מליטה נכשל, הצעדים הראשונים שלנו כוללים בדרך כלל הערכה אם חוזק ההדבקה מספק, טיפול פני השטח תקין, ההספגה מספקת והחומרים לא התיישנו.
עם זאת, ביישומים הנדסיים בפועל, כשלים מסוימים אינם מתחילים רק עם ההפעלה; במקום זאת, סיכונים פוטנציאליים קיימים כבר לאחר שהדבק התרפא במלואו.
סכנה פוטנציאלית זו היא נוכחות של מתח פנימי שיורי.
זה בלתי נראה וקשה למדוד באופן ישיר בדיוק, אך לא מיסטי באופיו. במילים פשוטות, דבק עובר הצטמקות במהלך ריפוי וקירור; אם המצע שמסביב מגביל את העיוות החופשי שלו, החלק הבלתי ניתן לכווץ הופך למתח שיורי בתוך שכבת הדבק.
היום, אני אדריך את כולכם בהבנה יסודית של מושג זה.
0 1 למה ללמוד את זה?
הסכנות של מתח פנימי הן בעלות אופי של "אחסון-אנרגיה".
לאחר הריפוי, שכבת הדבק אוגרת חלק מאנרגיית המתח האלסטית. אנרגיה זו משמשת ככוח המניע הבסיסי לדילמינציה של הממשק, התפשטות מיקרו-סדקים ועיוות עיוות.
קח דה-למינציה ו-delamination של ממשק כדוגמאות: מתחים פנימיים מצטברים על גבי העומס התפעולי, מה שגורם למתח הממשק בפועל לחרוג בהרבה מערך הדירוג המחושב בתכנון.- במילים אחרות, עוד לפני שהשכבה הדביקה מתחילה שירות רשמי, הממשק כבר נתון למתיחה מקדימה- מוגזמת.
דוגמה נוספת היא סחיפה של דיוק, שמתגלה כמזיקה במיוחד למכלולים מדויקים כגון רובוטים, מנועים ורכיבים אופטיים.
מיקום הליבה המגנטית במנוע, יישור הרכיבים האופטיים והממדים של חלקי המבנה עשויים לעבור סחיפה-לטווח ארוך עקב שחרור הדרגתי של מתחים פנימיים. אם רכיבים תואמים בתחילה במהלך ההרכבה אך מציגים סטיות לאחר מאות שעות פעולה, בעיות כאלה נובעות לרוב מנוכחות של מתחים פנימיים.
בנוסף, חיי העייפות מצטמצמים. מתח פנימי מייצג רמת מתח ממוצעת לטווח ארוך-שמורידה ביחד את עקומת חיי העייפות. השילוב של מחזורי טמפרטורה, לחות ורטט מוביל לרוב למצבים שבהם מוצרים עוברים בדיקות ראשוניות אך נכשלים במהלך ייצור המוני.
לכן, מתח פנימי אינו נושא משני אלא התנאי הבסיסי לאמינות החיבור. זה קובע לא רק אם הידבקות יכולה להתרחש, אלא גם כמה זמן הקשר נשאר יציב לאחר מכן.
0 2 מהיכן נובע הלחץ הפנימי?
כדי להבין מתח פנימי, יש להבין תחילה את מקורו.
הלחץ הפנימי במהלך ריפוי דבק נובע ביסודו משני סוגים של זנים שמפגינים נטייה להתכווץ אך אינם יכולים לעשות זאת בפועל.
הקטגוריה הראשונה היא ריפוי הצטמקות, הידועה גם בשם כיווץ כימי.
במונומרים נוזליים, מולקולות שומרות על מגע באמצעות כוחות ואן דר ואלס (אינטראקציות חלשות). אין קשרים כימיים בין האטומים של שתי המולקולות; הם פשוט קיימים בסמיכות, עם מרחק טיפוסי של 0.3-0.4 ננומטר בקירוב (המייצג את סכום רדיוסי ואן דר ואלס של שתי המולקולות).
במהלך תגובת הפילמור נוצרים קשרים קוולנטיים בין מונומרים. אם לוקחים את הקשר היחיד הנפוץ ביותר של C–C כדוגמה, אורך הקשר שלו הוא בערך 0.154 ננומטר. המשמעות היא ששתי מולקולות שהופרדו במקור על ידי מרחק רופף של כ-0.35 ננומטר מובאות כעת יחדיו בכוח על ידי קשר קוולנטי באורך של כ-0.15 ננומטר- וכתוצאה מכך הקטנה של המרחק הבין מולקולרי ביותר ממחצית. (דְמוּת)
ברמה המקרוסקופית, התכווצות בו-זמנית של טריליונים של זוגות מולקולריים כאלה מתבטאת בהפחתת נפח. זוהי תוצאה פיזיקלית שלא ניתן להימנע ממנה לחלוטין בכל תגובת פילמור תוספת.
הקטגוריה השנייה היא מתח חוסר התאמה תרמי.
דבקים רבים דורשים חימום כדי לרפא. לאחר ריפוי, כאשר מקורר מטמפרטורה גבוהה לטמפרטורת החדר, מקדמי ההתפשטות התרמית של הדבק והמצע שונים.
מקדם ההתפשטות התרמית של הדבק הוא בדרך כלל גבוה משמעותית מזה של חומרי בסיס כגון מתכות, מגנטים וקרמיקה. במהלך הקירור, הדבק נוטה להתכווץ עוד יותר, אך חומר הבסיס מונע את התכווצותו החופשית, ובכך מרסן את שכבת הדבק וגורם ללחץ פנימי שיורי.
הקונספט הקריטי ביותר כאן הוא נקודת הג'ל.
לפני נקודת הג'ל, הדבק נשאר נוזלי ויכול לזרום. במהלך שלב זה, גם אם מתרחשת התכווצות, החומר יכול להפיג עיוות כזה באמצעות זרימה, ארגון מחדש ומילוי, ובכך למזער את הצטברות הלחץ הפנימי.
לאחר נקודת הג'ל, המצב משתנה. רשת תלת-ממדית מתחילה להיווצר בתוך הדבק, והחומר עובר בהדרגה ממצב נוזלי למצב מוצק. בשלב זה, שכבת הדבק רוכשת יכולת נשיאת עומס- ומתחילה "לזכור" אירועי התכווצות ודפורמציה שלאחר מכן.
במילים אחרות, חלק ההתכווצות המתרחש לאחר נקודת הג'ל נוטה באמת ליצור מתח פנימי.
ככל שהזמן מתקדם, החומר מתמצק עוד יותר, וה-Tg שלו עולה ללא הרף. כאשר ה-Tg חורג מטמפרטורת הפעולה הנוכחית, שכבת הדבק עוברת ממצב גומי למצב זגוגי.
עם הכניסה למצב הזכוכית, המודולוס של שכבת הדבק גדל במהירות, מה שהופך את תנועת מקטע השרשרת לקשה יותר; כתוצאה מכך, חלק מהלחץ שהיה יכול להשתחרר הופך להיות אפילו יותר קשה לשחרור.
לכן, לחץ פנימי ניתן פשוט להבין כ:
לפני נקודת הג'ל: התכווצות יכולה להתרחש מבלי לגרום בקלות ללחץ.
לאחר נקודת הג'ל: שכבת הג'ל מתחילה להיווצר רשת, ולאחר מכן נמנעת הצטמקות.
לאחר זיגוג: החומר הופך קשיח, כאשר השרשראות המולקולריות שלו משותקות, מה שמקשה על שחרור מתח.
כפי שכולנו יודעים:
מתח=מודולוס × מתח
מתח פנימי סופי ≈ מודול אפקטיבי × (אחר-התכווצות של ריפוי ג'ל + דפורמציה תרמית אי התאמה) - שחרור הרפיה
ניתן להבין עיוות אי-התאמת חום בפשטות כך:
חוסר התאמה תרמית דפורמציה ≈ (מקדם התפשטות תרמית של הדבק − מקדם התפשטות תרמית של המצע) × הפרש טמפרטורה אפקטיבי
רק ההתכווצות ואי ההתאמה התרמית המתרחשים לאחר נקודת הג'ל, כפול המודולוס ההולך וגובר, בניכוי החלק המשתחרר באמצעות הרפיה במהלך התהליך, מהווה את הלחץ הפנימי הסופי נטו.
זו גם הסיבה לכך שקשה לחקור מתח פנימי: הוא אינו מתעורר בפתאומיות ברגע אחד אלא מצטבר בהדרגה במהלך תהליכי הריפוי והקירור. לאורך תהליך זה, הצטמקות, טמפרטורה, מודולוס ויכולת החומר לשחרר מתח עוברים כולם שינויים מתמשכים.
03 איך לאפיין: ראשית יש למדוד את ה"תוצאה", ולאחר מכן למדוד את ה"סיבה".
כיום ידוע באופן נרחב כי מתח פנימי אינו מתעורר בפתאומיות ברגע אחד, אלא מצטבר בהדרגה במהלך תהליכי הריפוי והקירור.
כל פרמטר כאן משתנה כל הזמן: קצב ההתכווצות, הטמפרטורה, המודולוס ואפילו יכולת החומר לשחרר מתח משתנים.
לכן, אפיון הלחץ הפנימי אינו יכול להסתמך רק על ערך מספרי בודד; עליו להתייחס בו-זמנית לשתי שאלות:
ראשית, איזו כמות מתח או דפורמציה נשארת בסוף?
שנית, איך הלחצים הללו נוצרים במהלך תהליך הריפוי?
כשמדובר בשיטות בדיקה, ניתן לחלק אותן בדרך כלל לשתי קטגוריות.
קטגוריה אחת כוללת מדידה ישירה של תוצאות מתח או דפורמציה, בעוד שהשנייה מודדת פרמטרים מהותיים מהותיים כדי לבסס מודלים.
קטגוריה 1: מדידה ישירה של תוצאות מתח או דפורמציה
גישה זו מתמקדת בקביעת מידת העיוות או הלחץ השיורי הנגרמים במבנה לאחר שהדבק התרפא.
השיטה הקלאסית ביותר היא גישת קרן שלוחה או כיפוף קרן דו-חומרית. דבק מוחל על יריעות מתכת דקות, פרוסות סיליקון או חומרי מצע אחרים; במהלך הריפוי, התכווצות הדבק גורמת לכיפוף המצע. על ידי מדידת עקמומיות בזמן אמת ושימוש בשיטה מקבילה למשוואת סטוני, ניתן לחשב את המתח הממוצע בתוך שכבת הדבק. גישה זו מציעה את היתרונות של היותה אינטואיטיבית ומבוססת- היטב, ומאפשרת הדמיה של עקומות המתארות כיצד מתח משתנה עם זמן הריפוי.
קיימת גם טכניקת סיב Bragg grating (FBG). על ידי הטבעת סיבים אופטיים בתוך שכבת ג'ל, ניתן למדוד מתח בתוך הג'ל בזמן אמת. שיטה זו מספקת השתקפות מדויקת יותר של המצב הפנימי של הג'ל בהשוואה למדידות דפורמציה של פני השטח בלבד, אם כי היא כרוכה בעלויות גבוהות יותר ומורכבות תפעולית רבה יותר.
ניטור מתח ריפוי בלמינטים מרוכבים באמצעות חיישן אופטי מבוזר (מקור תמונה)
עבור דבקים שקופים, ניתן להשתמש בשיטות פוטו-אלסטיות או שבירה דו-פעמית כדי לראות את התפלגות המתח באמצעות שבירה דו-פעמית-.
בנוסף, ניתן להשתמש בשיטות כגון קידוח, דגימת ליבות, עקיפה של קרני X-(XRD), פיזור נויטרונים וניתוח משמרת ראמאן גם בתנאים ספציפיים למדידת מתח שיורי או מתח עקיף.