接合部が破損した場合、通常、最初のステップとして、接着強度が適切であるか、表面処理が適切であるか、含浸が十分であるか、材料が劣化していないかを評価します。
ただし、実際のエンジニアリング用途では、特定の障害は試運転時のみに発生するわけではありません。むしろ、接着剤が完全に硬化した時点で、潜在的なリスクはすでに存在しています。
この潜在的な危険は、残留内部応力の存在です。
それは目に見えず、正確に直接測定することが困難ですが、本質的に神秘的なものではありません。簡単に言えば、接着剤は硬化および冷却中に収縮します。周囲の基材が自由な変形を制限すると、非収縮部分が接着層内の残留応力になります。
今日は、この概念を徹底的に理解するために皆さんを指導します。
0 1 なぜそれを勉強するのですか？
内部ストレスの危険性は「エネルギー貯蔵」の性質を持っています。-
硬化すると、接着層は弾性ひずみエネルギーの一部を蓄えます。このエネルギーは、その後の界面剥離、微小亀裂の伝播、および反り変形の基礎となる原動力として機能します。
界面の剥離と層間剥離を例に挙げます。動作負荷に加えて内部応力が蓄積し、実際の界面応力が設計で計算された評価値をはるかに超えてしまいます。-言い換えれば、接着層が正式に使用される前であっても、インターフェースはすでに過剰なプリテンションを受けています。-。
もう 1 つの例は精度ドリフトで、これはロボット、モーター、光学部品などの精密アセンブリに特に悪影響を及ぼします。
モーター内の磁気コアの位置、光学部品の配置、構造部品の寸法はすべて、内部応力が徐々に解放されるため、長期にわたって変動する可能性があります。{0}}コンポーネントが組み立て中に最初は準拠していても、数百時間の動作後に偏差が現れる場合、そのような問題は多くの場合、内部応力の存在に起因します。
さらに、疲労寿命も短くなります。内部応力は、疲労寿命曲線を全体的に低下させる長期平均応力レベルを表します。-温度サイクル、湿度、振動の組み合わせにより、製品が初期テストに合格しても、量産中に失敗するという状況がよく発生します。
したがって、内部応力は二次的な問題ではなく、むしろ接合信頼性の基本的な前提条件です。それは、接着が発生するかどうかだけでなく、その後接着がどれだけ長く安定しているかも決定します。
0 2 内部ストレスはどこから発生しますか?
内部ストレスを理解するには、まずその起源を理解する必要があります。
接着剤の硬化中の内部応力は、基本的に、収縮する傾向を示すものの実際には収縮できない 2 種類の歪みから発生します。
最初のカテゴリは硬化収縮で、化学収縮とも呼ばれます。
液体モノマーでは、分子はファンデルワールス力（弱い相互作用）によって接触を維持します。 2 つの分子の原子間には化学結合はありません。それらは単に近接して存在し、通常の距離は約 0.3 ～ 0.4 nm (これは両方の分子のファンデルワールス半径の合計を表します) です。
重合反応中に、モノマー間に共有結合が形成されます。最も一般的な C-C 単結合を例にとると、その結合長は約 0.154 nm です。これは、もともと約 0.35 nm という緩やかな距離で離れていた 2 つの分子が、約 0.15 nm の長さの共有結合によって強制的に結合され、その結果、分子間距離が半分以下に減少することを意味します。-。 （形）
巨視的なレベルでは、何兆ものそのような分子ペアが同時に収縮すると、体積の減少として現れます。これは、付加重合反応において完全に回避することのできない物理的結果です。
2 番目のカテゴリは熱不整合応力です。
多くの接着剤は硬化するために加熱が必要です。硬化後、高温から室温まで冷却すると、接着剤と基材の熱膨張係数が異なります。
接着剤の熱膨張係数は、通常、金属、磁石、セラミックなどの基材の熱膨張係数よりも大幅に高くなります。冷却中、接着剤はさらに収縮する傾向がありますが、基材がその自由な収縮を妨げ、それによって接着剤層が拘束され、残留内部応力が誘発されます。
ここで最も重要な概念はゲル点です。
ゲル化点に達するまでは、接着剤は液体のままであり、流動することができます。この段階では、たとえ収縮が発生したとしても、材料は流動、再組織化、充填を通じてそのような変形を消散させることができ、それによって内部応力の蓄積を最小限に抑えることができます。
ゲル化点を過ぎると状況は変わります。接着剤内で三次元ネットワークが形成され始め、材料は徐々に液体から固体状態に移行します。-この段階で、接着層は耐荷重能力を獲得し、その後の収縮と変形イベントを「記憶」し始めます。-
言い換えれば、ゲル化点以降の収縮部分はまさに内部応力が発生しやすいのです。
時間の経過とともに材料はさらに固化し、Tg は継続的に上昇します。 Tg が現在の使用温度を超えると、接着剤層はゴム状の状態からガラス状の状態に変化します。
ガラス状態に入ると、接着層の弾性率が急速に増加し、チェーンセグメントの動きがより困難になります。その結果、以前は解放できていたストレスの一部を解放することがさらに困難になります。
したがって、内部応力は次のように単純に理解できます。
ゲル化点より前: 応力を容易に誘発することなく収縮が発生する可能性があります。
ゲル点以降: ゲル層がネットワークを形成し始め、その後の収縮が防止されます。
ガラス化後: 材料は分子鎖が固定化されて硬くなり、応力の解放がより困難になります。
誰もが知っているように:
応力=弾性率 × ひずみ
最終内部応力 ≈ 有効弾性率 × (ゲル化後硬化収縮 + 熱不一致変形) − 緩和解放
熱不一致変形は次のように単純に理解できます。
熱不整合変形 ≒ (接着剤の熱膨張係数 − 基材の熱膨張係数) × 実効温度差
ゲル化点の後に発生する収縮と熱の不一致に、継続的に増加する弾性率を掛けて、プロセス中の緩和によって解放される部分を差し引いたものだけが、最終的な正味の内部応力を構成します。
これが、内部応力の研究が難しい理由でもあります。内部応力は、ある瞬間に突然発生するのではなく、硬化および冷却のプロセス中に徐々に蓄積されます。このプロセス全体を通じて、収縮、温度、弾性率、および材料の応力解放能力はすべて継続的に変化します。
03 特徴付け方法：まず「結果」を測定し、次に「原因」を測定します。
内部応力は、ある瞬間に突然発生するのではなく、硬化および冷却のプロセス中に徐々に蓄積されることが現在では広く認識されています。
ここでのすべてのパラメータは常に変化しており、収縮率、温度、弾性率、さらには応力を解放する材料の能力さえもすべて異なります。
したがって、内部応力の特性評価は単一の数値のみに依存することはできません。次の 2 つの質問に同時に対処する必要があります。
まず、最終的にどの程度の応力や変形が残るのでしょうか？
第二に、これらの応力は硬化プロセス中にどのようにして形成されるのでしょうか?
テスト方法に関しては、一般に 2 つのカテゴリに分類できます。
1 つのカテゴリには応力または変形結果の直接測定が含まれ、もう 1 つのカテゴリはモデルを確立するために材料の固有パラメータを測定します。
カテゴリ 1: 応力または変形結果の直接測定
このアプローチは、接着剤が硬化した後に構造内に生じる変形または残留応力の程度を決定することに重点を置いています。
最も古典的な方法は、カンチレバー ビームまたはバイマテリアル ビームを曲げるアプローチです。接着剤は薄い金属シート、シリコンウェーハ、またはその他の基板材料に塗布されます。硬化中に接着剤の収縮により基板が曲がります。リアルタイムで曲率を測定し、ストーニーの方程式に類似した方法を採用することにより、接着層内の平均応力を計算できます。このアプローチには、直感的で確立されているという利点があり、硬化時間に応じて応力がどのように変化するかを示す曲線を視覚化できます。-
ファイバーブラッググレーティング (FBG) 技術もあります。ゲル層内に光ファイバーを埋め込むことで、ゲル内の歪みをリアルタイムで測定できます。この方法では、表面変形測定のみと比較して、ゲルの内部状態をより正確に反映できますが、コストと操作の複雑さが伴います。
分散型光センサーを使用した複合積層板の硬化ひずみモニタリング (画像ソース)
透明な接着剤の場合、光弾性法または複屈折法を使用して、応力-誘起複屈折による応力分布を観察することもできます。
さらに、掘削、コアサンプリング、X-線回折（XRD）、中性子散乱、ラマンシフト分析などの方法も、特定の条件下で残留応力や間接ひずみを測定するために使用できます。