عندما تفشل وصلة الربط، تتضمن خطواتنا الأولى عادةً تقييم ما إذا كانت قوة اللصق كافية، والمعالجة السطحية مناسبة، والتشريب كافٍ، والمواد لم تتقادم.
ومع ذلك، في التطبيقات الهندسية الفعلية، لا تبدأ بعض حالات الفشل عند التشغيل فقط؛ بل إن المخاطر المحتملة موجودة بالفعل بمجرد معالجة المادة اللاصقة بالكامل.
هذا الخطر المحتمل هو وجود الضغوط الداخلية المتبقية.
إنه غير مرئي ويصعب قياسه بدقة ومباشرة، ولكنه ليس غامضًا بطبيعته. ببساطة، يتعرض اللاصق للانكماش أثناء المعالجة والتبريد؛ إذا كانت الركيزة المحيطة تقيد تشوهها الحر، فإن الجزء غير القابل للانكماش يصبح إجهادًا متبقيًا داخل الطبقة اللاصقة.
اليوم، سأرشدكم جميعًا إلى فهم شامل لهذا المفهوم.
0 1 لماذا ندرسها؟
إن مخاطر الإجهاد الداخلي هي ذات طبيعة "تخزين-الطاقة".
عند المعالجة، تقوم الطبقة اللاصقة بتخزين جزء من طاقة الإجهاد المرنة. تعمل هذه الطاقة كقوة دافعة أساسية للتصفيح البيني اللاحق، وانتشار الشقوق الدقيقة، وتشوه الالتواء.
خذ تصفيح الواجهة وتصفيتها كأمثلة: تتراكم الضغوط الداخلية فوق الحمل التشغيلي، مما يتسبب في أن يتجاوز ضغط الواجهة الفعلي قيمة التصنيف المحسوبة للتصميم-. بمعنى آخر، حتى قبل أن تبدأ الطبقة اللاصقة في الخدمة الرسمية، تكون الواجهة معرضة بالفعل للشد المسبق المفرط-.
مثال آخر هو انحراف الدقة، والذي يثبت أنه ضار بشكل خاص للمجموعات الدقيقة مثل الروبوتات والمحركات والمكونات البصرية.
قد يخضع موضع القلب المغناطيسي في المحرك، ومحاذاة المكونات البصرية، وأبعاد الأجزاء الهيكلية إلى انحراف طويل الأمد- بسبب التحرير التدريجي للضغوط الداخلية. إذا كانت المكونات متوافقة في البداية أثناء التجميع ولكنها تظهر انحرافات بعد مئات ساعات التشغيل، فغالبًا ما تنبع هذه المشكلات من وجود ضغوط داخلية.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تقليل عمر التعب. يمثل الضغط الداخلي مستوى إجهاد متوسطًا-على المدى الطويل والذي يعمل بشكل جماعي على تقليل منحنى عمر التعب. غالبًا ما يؤدي الجمع بين دورة درجة الحرارة والرطوبة والاهتزاز إلى حالات تجتاز فيها المنتجات الاختبارات الأولية ولكنها تفشل أثناء الإنتاج الضخم.
ولذلك، فإن الإجهاد الداخلي ليس مسألة ثانوية بل هو الشرط الأساسي لموثوقية الترابط. فهو لا يحدد فقط ما إذا كان الالتصاق يمكن أن يحدث، ولكن أيضًا المدة التي تظل فيها الرابطة مستقرة بعد ذلك.
0 2 أين ينشأ الضغط الداخلي؟
لفهم التوتر الداخلي، يجب على المرء أولاً أن يفهم أصله.
ينشأ الضغط الداخلي أثناء معالجة المادة اللاصقة أساسًا من نوعين من السلالات التي تظهر ميلًا إلى الانكماش ولكنها لا تستطيع فعل ذلك فعليًا.
الفئة الأولى هي معالجة الانكماش، المعروف أيضًا باسم الانكماش الكيميائي.
في المونومرات السائلة، تحافظ الجزيئات على الاتصال من خلال قوى فان دير فالس (تفاعلات ضعيفة). ولا توجد روابط كيميائية بين ذرات الجزيئين؛ فهي ببساطة موجودة على مقربة، بمسافة نموذجية تبلغ حوالي 0.3–0.4 نانومتر (وهو ما يمثل مجموع نصف قطر فان دير فالس لكلا الجزيئين).
أثناء تفاعل البلمرة، تتشكل روابط تساهمية بين المونومرات. بأخذ الرابطة الفردية C-C الأكثر شيوعًا كمثال، يبلغ طول الرابطة حوالي 0.154 نانومتر. وهذا يعني أن جزيئين مفصولين في الأصل بمسافة فضفاضة تبلغ حوالي 0.35 نانومتر، يتم الآن تجميعهما معًا بقوة بواسطة رابطة تساهمية بطول 0.15 نانومتر تقريبًا-مما يؤدي إلى تقليل المسافة بين الجزيئات بأكثر من النصف. (شكل)
على المستوى العياني، يتجلى الانكماش المتزامن لتريليونات هذه الأزواج الجزيئية في انخفاض الحجم. وهذه نتيجة فيزيائية لا يمكن تجنبها تمامًا في أي تفاعل بلمرة إضافي.
الفئة الثانية هي إجهاد عدم التطابق الحراري.
تتطلب العديد من المواد اللاصقة التسخين للمعالجة. بعد المعالجة، عند تبريدها من درجة حرارة عالية إلى درجة حرارة الغرفة، تختلف معاملات التمدد الحراري للمادة اللاصقة والركيزة.
عادةً ما يكون معامل التمدد الحراري للمادة اللاصقة أعلى بكثير من معامل التمدد الحراري للمواد الأساسية مثل المعادن والمغناطيس والسيراميك. أثناء التبريد، تميل المادة اللاصقة إلى الانكماش بشكل أكبر، لكن المادة الأساسية تمنع انكماشها الحر، وبالتالي تقييد الطبقة اللاصقة وتحفيز الضغط الداخلي المتبقي.
المفهوم الأكثر أهمية هنا هو نقطة الهلام.
قبل نقطة الجل، يظل اللاصق سائلًا ويمكن أن يتدفق. خلال هذه المرحلة، حتى لو حدث انكماش، يمكن للمادة أن تبدد هذا التشوه من خلال التدفق وإعادة التنظيم والتعبئة، وبالتالي تقليل تراكم الضغط الداخلي.
بعد نقطة الجل يتغير الوضع. تبدأ شبكة ثلاثية الأبعاد-بالتشكل داخل المادة اللاصقة، وتتحول المادة تدريجيًا من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. في هذه المرحلة، تكتسب الطبقة اللاصقة قدرة تحمل-وتبدأ في "تذكر" أحداث الانكماش والتشوه اللاحقة.
وبعبارة أخرى، فإن جزء الانكماش الذي يحدث بعد نقطة الهلام يكون عرضة حقًا لتوليد إجهاد داخلي.
مع مرور الوقت، تتصلب المادة أكثر، ويرتفع Tg بشكل مستمر. عندما يتجاوز Tg درجة حرارة التشغيل الحالية، تنتقل الطبقة اللاصقة من الحالة المطاطية إلى الحالة الزجاجية.
عند دخول الحالة الزجاجية، يزداد معامل الطبقة اللاصقة بسرعة، مما يجعل حركة جزء السلسلة أكثر صعوبة؛ وبالتالي، فإن جزءًا من الضغط الذي كان من الممكن التخلص منه سابقًا يصبح من الصعب التخلص منه.
لذلك، يمكن فهم الضغط الداخلي ببساطة على النحو التالي:
قبل نقطة الهلام: يمكن أن يحدث الانكماش دون التسبب في التوتر بسهولة.
بعد نقطة الهلام: تبدأ طبقة الهلام في تكوين شبكة، ويتم منع الانكماش اللاحق.
بعد التزجيج: تصبح المادة صلبة، مع تجميد سلاسلها الجزيئية، مما يجعل التخلص من الإجهاد أكثر صعوبة.
كما نعلم جميعا:
الإجهاد=معامل × الانفعال
الإجهاد الداخلي النهائي ≈ المعامل الفعال × (الانكماش اللاحق للمعالجة الهلامية + تشوه عدم التطابق الحراري) − تحرير الاسترخاء
يمكن فهم تشوه عدم تطابق الحرارة ببساطة على النحو التالي:
تشوه عدم التطابق الحراري ≈ (معامل التمدد الحراري للمادة اللاصقة − معامل التمدد الحراري للركيزة) × فرق درجة الحرارة الفعال
فقط الانكماش وعدم التطابق الحراري الذي يحدث بعد نقطة الهلام، مضروبًا في المعامل المتزايد باستمرار، مطروحًا منه الجزء المتحرر من خلال الاسترخاء أثناء العملية، يشكل صافي الإجهاد الداخلي النهائي.
وهذا أيضًا هو السبب وراء صعوبة دراسة الإجهاد الداخلي: فهو لا ينشأ فجأة في لحظة واحدة ولكنه يتراكم تدريجيًا أثناء عمليتي المعالجة والتبريد. خلال هذه العملية، يخضع الانكماش ودرجة الحرارة والمعامل وقدرة المادة على التخلص من الإجهاد لتغيرات مستمرة.
03 كيفية التوصيف: قم أولاً بقياس "النتيجة"، ثم قم بقياس "السبب".
ومن المعترف به الآن على نطاق واسع أن الإجهاد الداخلي لا ينشأ فجأة في لحظة واحدة، بل يتراكم تدريجيًا أثناء عمليات المعالجة والتبريد.
كل معلمة هنا تتغير باستمرار: معدل الانكماش، ودرجة الحرارة، والمعامل، وحتى قدرة المادة على إطلاق الضغط، كلها تختلف.
ولذلك فإن توصيف الضغوط الداخلية لا يمكن أن يعتمد فقط على قيمة عددية واحدة؛ ويجب أن يتناول في الوقت نفسه سؤالين:
أولاً، ما مقدار الضغط أو التشوه المتبقي في النهاية؟
ثانياً، كيف تتشكل هذه الضغوط أثناء عملية المعالجة؟
عندما يتعلق الأمر بطرق الاختبار، يمكن تقسيمها عمومًا إلى فئتين.
تتضمن إحدى الفئات القياس المباشر لنتائج الإجهاد أو التشوه، بينما تقيس الفئة الأخرى المعلمات الجوهرية المادية لإنشاء النماذج.
الفئة 1: القياس المباشر لنتائج الإجهاد أو التشوه
يركز هذا الأسلوب على تحديد مدى التشوه أو الضغط المتبقي الناتج في الهيكل بعد شفاء المادة اللاصقة.
الطريقة الأكثر كلاسيكية هي طريقة ثني العارضة الكابولية أو ثني العارضة ثنائية المادة. يتم تطبيق المادة اللاصقة على الصفائح المعدنية الرقيقة، أو رقائق السيليكون، أو غيرها من المواد الأساسية؛ أثناء المعالجة، يؤدي انكماش المادة اللاصقة إلى انحناء الركيزة. ومن خلال قياس الانحناء في الوقت الفعلي واستخدام طريقة مشابهة لمعادلة ستوني، يمكن حساب متوسط الإجهاد داخل الطبقة اللاصقة. يقدم هذا الأسلوب مزايا كونه بديهيًا وراسخًا-، مما يتيح رؤية منحنيات تصور كيفية اختلاف الضغط مع وقت المعالجة.
هناك أيضًا تقنية شبكة الألياف Bragg (FBG). من خلال تضمين الألياف الضوئية داخل طبقة هلامية، يمكن قياس الضغط داخل الجل في الوقت الحقيقي. توفر هذه الطريقة انعكاسًا أكثر دقة للحالة الداخلية للهلام مقارنة بقياسات تشوه السطح وحدها، على الرغم من أنها تنطوي على تكاليف أعلى وتعقيد تشغيلي أكبر.
مراقبة سلالة المعالجة في الشرائح المركبة باستخدام مستشعر بصري موزع (مصدر الصورة)
بالنسبة للمواد اللاصقة الشفافة، يمكن أيضًا استخدام طرق المرونة الضوئية أو الانكسار المزدوج لمراقبة توزيع الإجهاد عبر الانكسار المزدوج الناجم عن الإجهاد.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام طرق مثل الحفر وأخذ العينات الأساسية وحيود الأشعة السينية (XRD) وتشتت النيوترونات وتحليل إزاحة رامان في ظل ظروف محددة لقياس الإجهاد المتبقي أو الإجهاد غير المباشر.