접착 조인트가 실패할 경우 일반적으로 첫 번째 단계에서는 접착 강도가 적절한지, 표면 처리가 적절한지, 함침이 충분한지, 재료가 노화되지 않았는지 평가하는 작업이 포함됩니다.
그러나 실제 엔지니어링 애플리케이션에서는 특정 오류가 시운전 시에만 시작되지 않습니다. 오히려 접착제가 완전히 경화되면 잠재적인 위험이 이미 존재합니다.
이러한 잠재적 위험은 잔류 내부 응력의 존재입니다.
그것은 눈에 보이지 않고 직접적으로 정확하게 측정하기 어렵지만 본질적으로 신비롭지는 않습니다. 간단히 말해서, 접착제는 경화 및 냉각 중에 수축을 겪습니다. 주변 기재가 자유 변형을 제한하면 수축되지 않는 부분은 접착층 내에서 잔류 응력이 됩니다.
오늘은 여러분 모두가 이 개념을 완전히 이해할 수 있도록 안내해 드리겠습니다.
0 1 왜 연구해야 할까요?
내부 스트레스의 위험은 '에너지-저장' 특성에 있습니다.
경화 시, 접착제 층은 탄성 변형 에너지의 일부를 저장합니다. 이 에너지는 후속 계면 박리, 미세 균열 전파 및 뒤틀림 변형의 기본 원동력 역할을 합니다.
인터페이스 박리 및 박리를 예로 들면, 작동 부하 외에 내부 응력이 누적되어 실제 인터페이스 응력이 설계-계산된 정격 값을 훨씬 초과하게 됩니다. 즉, 접착층이 정식 서비스를 시작하기 전에도 인터페이스는 이미 과도한 프리텐션을 받고 있습니다.-
또 다른 예로 정확도 드리프트가 있는데, 이는 로봇, 모터, 광학 부품과 같은 정밀 어셈블리에 특히 해로운 것으로 입증되었습니다.
모터의 자기 코어 위치, 광학 구성 요소의 정렬 및 구조 부품의 치수는 모두 내부 응력의 점진적인 해제로 인해 -장기적인 드리프트를 겪을 수 있습니다. 구성 요소가 조립 중에 처음에는 규정을 준수하지만 수백 시간의 작동 후에 편차가 나타나는 경우 이러한 문제는 종종 내부 응력의 존재로 인해 발생합니다.
게다가 피로 수명도 단축됩니다. 내부 응력은 피로 수명 곡선을 전체적으로 낮추는 장기-평균 응력 수준을 나타냅니다. 온도 순환, 습도 및 진동의 조합으로 인해 제품이 초기 테스트를 통과했지만 대량 생산 중에는 실패하는 상황이 발생하는 경우가 많습니다.
따라서 내부 응력은 부차적인 문제가 아니라 접합 신뢰성을 위한 근본적인 전제 조건입니다. 접착이 발생할 수 있는지 여부뿐만 아니라 이후 접착이 얼마나 오랫동안 안정적으로 유지되는지도 결정됩니다.
0 2 내부 스트레스는 어디에서 발생합니까?
내부 스트레스를 이해하려면 먼저 그 원인을 이해해야 합니다.
접착제 경화 중 내부 응력은 기본적으로 수축 경향을 나타내지만 실제로는 수축할 수 없는 두 가지 유형의 변형으로 인해 발생합니다.
첫 번째 범주는 화학적 수축이라고도 알려진 경화 수축입니다.
액체 단량체에서 분자는 반데르발스 힘(약한 상호작용)을 통해 접촉을 유지합니다. 두 분자의 원자 사이에는 화학적 결합이 없습니다. 그것들은 단순히 대략 0.3-0.4 nm의 일반적인 거리로 매우 근접하게 존재합니다(이는 두 분자의 반 데르 발스 반경의 합을 나타냄).
중합 반응 중에 단량체 사이에 공유 결합이 형성됩니다. 가장 일반적인 C-C 단일 결합을 예로 들면 결합 길이는 약 0.154 nm입니다. 이는 원래 약 0.35nm의 느슨한 거리로 분리되어 있던 두 분자가 이제 약 0.15nm 길이의 공유 결합에 의해 강제로 결합되어-분자간 거리가 절반 이상 감소한다는 의미입니다. (수치)
거시적 수준에서, 수조 개의 그러한 분자 쌍의 동시 수축은 부피 감소로 나타납니다. 이는 어떠한 부가중합 반응에서도 완전히 피할 수 없는 물리적 결과이다.
두 번째 범주는 열 불일치 스트레스입니다.
많은 접착제는 경화되기 위해 가열이 필요합니다. 경화 후 고온에서 실온으로 냉각되면 접착제와 기재의 열팽창 계수가 다릅니다.
접착제의 열팽창 계수는 일반적으로 금속, 자석, 세라믹과 같은 기본 재료의 열팽창 계수보다 훨씬 높습니다. 냉각 중에 접착제는 더 수축하는 경향이 있지만 모재가 자유 수축을 방해하여 접착제 층을 구속하고 잔류 내부 응력을 유발합니다.
여기서 가장 중요한 개념은 겔 포인트(gel point)입니다.
겔화점 이전에는 접착제가 유동성을 유지하고 흐를 수 있습니다. 이 단계에서는 수축이 발생하더라도 재료는 흐름, 재구성, 충진을 통해 이러한 변형을 소멸시켜 내부 응력의 축적을 최소화할 수 있습니다.
젤 포인트 이후에는 상황이 달라집니다. 3차원-네트워크가 접착제 내에 형성되기 시작하고 재료가 점차 액체 상태에서 고체 상태로 전환됩니다. 이 단계에서 접착층은 하중-지지 용량을 확보하고 후속 수축 및 변형 이벤트를 "기억"하기 시작합니다.
즉, 겔화점 이후에 발생하는 수축 부분은 실제로 내부 응력이 발생하기 쉽습니다.
시간이 지남에 따라 재료는 더욱 굳어지고 Tg는 지속적으로 상승합니다. Tg가 현재 작동 온도를 초과하면 접착층은 고무 상태에서 유리 상태로 전환됩니다.
유리 상태에 들어가면 접착층의 모듈러스가 급격히 증가하여 사슬 세그먼트 이동이 더욱 어려워집니다. 결과적으로, 이전에 해소될 수 있었던 스트레스의 일부는 해소하기가 더욱 어려워집니다.
따라서 내부 스트레스는 다음과 같이 간단히 이해될 수 있습니다.
겔화점 이전: 쉽게 스트레스를 유발하지 않고 수축이 발생할 수 있습니다.
겔화점 이후: 겔층이 네트워크를 형성하기 시작하고 이후의 수축이 방지됩니다.
유리화 후: 재료가 단단해지고 분자 사슬이 고정되어 응력 방출이 더욱 어려워집니다.
우리 모두 알고 있듯이:
응력=계수 × 변형률
최종 내부 응력 ≒ 유효 계수 × (-겔화 경화 후 수축 + 열 불일치 변형) − 이완 해제
열 불일치 변형은 다음과 같이 간단히 이해될 수 있습니다.
열 불일치 변형 ≒(접착제의 열팽창 계수 - 기판의 열팽창 계수) × 유효 온도차
겔화점 이후에 발생하는 수축 및 열적 불일치에 연속적으로 증가하는 모듈러스를 곱하고 공정 중 이완을 통해 방출되는 부분만 최종 순 내부 응력을 구성합니다.
이것이 내부 응력이 연구하기 어려운 이유이기도 합니다. 내부 응력은 한 순간에 갑자기 발생하지 않고 경화 및 냉각 과정에서 점진적으로 축적됩니다. 이 과정 전반에 걸쳐 수축, 온도, 모듈러스 및 재료의 응력 방출 능력이 모두 지속적으로 변화합니다.
03 특성화 방법: 먼저 '결과'를 측정한 다음 '원인'을 측정합니다.
내부 응력은 한 순간에 갑자기 발생하는 것이 아니라 경화 및 냉각 과정에서 점진적으로 축적된다는 사실이 널리 인식되고 있습니다.
여기의 모든 매개변수는 끊임없이 변화합니다. 수축률, 온도, 모듈러스, 심지어 재료의 응력 방출 능력도 모두 다릅니다.
따라서 내부 응력의 특성화는 단일 수치에만 의존할 수 없습니다. 두 가지 질문을 동시에 해결해야 합니다.
첫째, 마지막에 어느 정도의 응력이나 변형이 남아 있습니까?
둘째, 경화 과정에서 이러한 응력은 어떻게 형성됩니까?
테스트 방법은 일반적으로 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
한 범주에는 응력 또는 변형 결과를 직접 측정하는 것이 포함되고, 다른 범주에는 재료 고유 매개변수를 측정하여 모델을 설정합니다.
카테고리 1: 응력 또는 변형 결과의 직접 측정
이 접근법은 접착제가 경화된 후 구조에 유발된 변형 또는 잔류 응력의 정도를 결정하는 데 중점을 둡니다.
가장 고전적인 방법은 캔틸레버 빔 또는 이중 재료 빔 굽힘 접근 방식입니다. 접착제는 얇은 금속 시트, 실리콘 웨이퍼 또는 기타 기판 재료에 적용됩니다. 경화 중에 접착제 수축으로 인해 기판이 구부러집니다. 실시간으로 곡률을 측정하고 Stoney 방정식과 유사한 방법을 사용하여 접착층 내의 평균 응력을 계산할 수 있습니다. 이 접근 방식은 직관적이고 잘 확립되어 있다는 이점을 제공하며 경화 시간에 따라 응력이 어떻게 변하는지를 묘사하는 곡선을 시각화할 수 있습니다.
광섬유 브래그 격자(FBG) 기술도 있습니다. 겔 층 내에 광섬유를 내장함으로써 겔 내의 변형을 실시간으로 측정할 수 있습니다. 이 방법은 표면 변형 측정에만 비해 겔의 내부 상태를 더 정확하게 반영하지만 비용이 더 많이 들고 작업이 더 복잡해집니다.
분산형 광학 센서를 사용하여 복합 라미네이트의 경화 변형 모니터링(이미지 출처)
투명 접착제의 경우 광탄성 또는 복굴절 방법을 사용하여 응력-유발 복굴절을 통한 응력 분포를 관찰할 수도 있습니다.
또한 드릴링, 코어 샘플링, X-선 회절(XRD), 중성자 산란 및 라만 이동 분석과 같은 방법을 특정 조건에서 잔류 응력 또는 간접 변형 측정에 사용할 수도 있습니다.