Quando uma junta de colagem falha, nossos primeiros passos normalmente envolvem avaliar se a resistência adesiva é adequada, se o tratamento de superfície é adequado, se a impregnação é suficiente e se os materiais não envelheceram.
Contudo, em aplicações reais de engenharia, certas falhas não começam apenas no comissionamento; em vez disso, riscos potenciais já estão presentes quando o adesivo estiver totalmente curado.
Este perigo potencial é a presença de tensão interna residual.
É invisível e difícil de medir com precisão e diretamente, mas não é de natureza mística. Simplificando, o adesivo encolhe durante a cura e o resfriamento; se o substrato circundante restringir a sua deformação livre, a porção não contraída torna-se uma tensão residual dentro da camada adesiva.
Hoje, orientarei todos vocês na compreensão completa desse conceito.
0 1 Por que estudar?
Os perigos do estresse interno são de natureza de “armazenamento de energia”.
Após a cura, a camada adesiva armazena uma porção da energia de deformação elástica. Esta energia serve como força motriz subjacente para subsequente delaminação interfacial, propagação de microfissuras e deformação por empenamento.
Considere a delaminação e a delaminação da interface como exemplos: as tensões internas se acumulam sobre a carga operacional, fazendo com que a tensão real da interface exceda em muito o valor da classificação-calculada do projeto. Em outras palavras, mesmo antes da camada adesiva iniciar o serviço formal, a interface já está sujeita a pré-tensionamento excessivo.
Outro exemplo é o desvio de precisão, que se mostra particularmente prejudicial para montagens de precisão, como robôs, motores e componentes ópticos.
A posição do núcleo magnético no motor, o alinhamento dos componentes ópticos e as dimensões das peças estruturais podem sofrer desvios de longo-prazo devido à liberação gradual de tensões internas. Se os componentes estiverem inicialmente em conformidade durante a montagem, mas apresentarem desvios após centenas de horas de operação, tais problemas geralmente decorrem da presença de tensões internas.
Além disso, a vida à fadiga é reduzida. A tensão interna representa um nível de tensão médio-de longo prazo que, coletivamente, reduz a curva de vida útil da fadiga. A combinação de ciclos de temperatura, umidade e vibração geralmente leva a situações em que os produtos passam nos testes iniciais, mas falham durante a produção em massa.
Portanto, o estresse interno não é uma questão secundária, mas sim o pré-requisito fundamental para a confiabilidade da ligação. Determina não apenas se a adesão pode ocorrer, mas também por quanto tempo a ligação permanece estável depois disso.
0 2 De onde se origina o estresse interno?
Para compreender o estresse interno, é preciso primeiro compreender sua origem.
A tensão interna durante a cura do adesivo surge fundamentalmente de dois tipos de deformações que apresentam tendência a se contrair, mas na verdade não conseguem fazê-lo.
A primeira categoria é a retração de cura, também conhecida como retração química.
Nos monômeros líquidos, as moléculas mantêm contato através de forças de van der Waals (interações fracas). Não existem ligações químicas entre os átomos das duas moléculas; eles simplesmente existem próximos, com uma distância típica de aproximadamente 0,3–0,4 nm (que representa a soma dos raios de van der Waals de ambas as moléculas).
Durante a reação de polimerização, ligações covalentes são formadas entre monômeros. Tomando como exemplo a ligação simples C – C mais comum, seu comprimento de ligação é de aproximadamente 0,154 nm. Isso significa que duas moléculas originalmente separadas por uma distância frouxa de cerca de 0,35 nm são agora unidas à força por uma ligação covalente com um comprimento de aproximadamente 0,15 nm-resultando em uma redução da distância intermolecular em mais da metade. (Figura)
No nível macroscópico, a contração simultânea de trilhões desses pares moleculares se manifesta como redução de volume. Esta é uma consequência física que não pode ser totalmente evitada em qualquer reação de polimerização por adição.
A segunda categoria é o estresse de incompatibilidade térmica.
Muitos adesivos requerem aquecimento para curar. Após a cura, quando resfriado de alta temperatura até a temperatura ambiente, os coeficientes de expansão térmica do adesivo e do substrato diferem.
O coeficiente de expansão térmica do adesivo é normalmente significativamente maior do que o de materiais de base, como metais, ímãs e cerâmicas. Durante o arrefecimento, o adesivo tende a contrair-se ainda mais, mas o material de base impede a sua contração livre, restringindo assim a camada adesiva e induzindo tensão interna residual.
O conceito mais crítico aqui é o ponto de gel.
Antes do ponto de gelificação, o adesivo permanece fluido e pode fluir. Durante esta etapa, mesmo que ocorra contração, o material pode dissipar tal deformação através de fluxo, reorganização e enchimento, minimizando assim o acúmulo de tensões internas.
Após o ponto de gel, a situação muda. Uma rede tri-dimensional começa a se formar dentro do adesivo, e o material gradualmente faz a transição do estado líquido para o sólido. Nesta fase, a camada adesiva adquire capacidade de carga-e começa a "lembrar" eventos subsequentes de contração e deformação.
Em outras palavras, a porção de contração que ocorre após o ponto de gel é realmente propensa a gerar estresse interno.
À medida que o tempo passa, o material solidifica ainda mais e a sua Tg aumenta continuamente. Quando a Tg excede a temperatura operacional atual, a camada adesiva passa de um estado de borracha para um estado vítreo.
Ao entrar no estado vítreo, o módulo da camada adesiva aumenta rapidamente, dificultando o movimento do segmento da cadeia; conseqüentemente, uma parte do estresse que anteriormente poderia ser liberada torna-se ainda mais difícil de ser liberada.
Portanto, o estresse interno pode ser entendido simplesmente como:
Antes do ponto de gel: a contração pode ocorrer sem induzir prontamente o estresse.
Após o ponto de gel: a camada de gel começa a formar uma rede e o encolhimento subsequente é evitado.
Após a vitrificação: o material fica rígido, com suas cadeias moleculares imobilizadas, dificultando a liberação de tensões.
Como todos sabemos:
Tensão=Módulo × Deformação
Tensão interna final ≈ módulo efetivo × (contração de cura pós-gelificação + deformação por incompatibilidade térmica) - liberação de relaxamento
A deformação por incompatibilidade de calor pode ser simplesmente entendida como:
Deformação por incompatibilidade térmica ≈ (coeficiente de expansão térmica do adesivo - coeficiente de expansão térmica do substrato) × diferença de temperatura efetiva
Somente a contração e a incompatibilidade térmica que ocorrem após o ponto de gelificação, multiplicadas pelo módulo continuamente crescente, menos a porção liberada através do relaxamento durante o processo, constituem a tensão interna líquida final.
Esta é também a razão pela qual a tensão interna é difícil de estudar: ela não surge abruptamente num único instante, mas acumula-se gradualmente durante os processos de cura e resfriamento. Ao longo deste processo, o encolhimento, a temperatura, o módulo e a capacidade do material de liberar tensões sofrem mudanças contínuas.
03 Como caracterizar: Primeiro meça o “resultado” e depois meça a “causa”.
É agora amplamente reconhecido que a tensão interna não surge abruptamente num único instante, mas acumula-se gradualmente durante os processos de cura e arrefecimento.
Cada parâmetro aqui muda constantemente: a taxa de contração, a temperatura, o módulo e até mesmo a capacidade do material de liberar tensão variam.
Portanto, a caracterização das tensões internas não pode depender apenas de um único valor numérico; deve abordar simultaneamente duas questões:
Primeiro, que quantidade de tensão ou deformação permanece no final?
Segundo, como essas tensões são formadas durante o processo de cura?
Quando se trata de métodos de teste, eles geralmente podem ser divididos em duas categorias.
Uma categoria envolve medição direta de resultados de tensão ou deformação, enquanto a outra mede parâmetros intrínsecos do material para estabelecer modelos.
Categoria 1: Medição direta de resultados de tensão ou deformação
Esta abordagem centra-se na determinação da extensão da deformação ou tensão residual induzida na estrutura após a cura do adesivo.
O método mais clássico é a abordagem de viga cantilever ou flexão de viga bimaterial. O adesivo é aplicado em finas folhas de metal, pastilhas de silício ou outros materiais de substrato; durante a cura, o encolhimento do adesivo faz com que o substrato dobre. Medindo a curvatura em tempo real e empregando um método análogo à equação de Stoney, a tensão média dentro da camada adesiva pode ser calculada. Essa abordagem oferece a vantagem de ser intuitiva e bem{3}}estabelecida, permitindo a visualização de curvas que mostram como a tensão varia com o tempo de cura.
Existe também a técnica da rede de Bragg em fibra (FBG). Ao incorporar fibras ópticas em uma camada de gel, a tensão dentro do gel pode ser medida em tempo real. Este método proporciona uma reflexão mais precisa do estado interno do gel em comparação apenas com medições de deformação superficial, embora implique custos mais elevados e maior complexidade operacional.
Monitoramento de deformação de cura em laminados compostos usando um sensor óptico distribuído (fonte de imagem)
Para adesivos transparentes, métodos de fotoelasticidade ou birrefringência também podem ser empregados para observar a distribuição de tensão por meio da birrefringência-induzida por tensão.
Além disso, métodos como perfuração, amostragem de testemunho, difração de-raios X (XRD), espalhamento de nêutrons e análise de deslocamento Raman também podem ser empregados sob condições específicas para medir tensão residual ou deformação indireta.