K povečanju trdnosti spoja pripomore tudi oblikovno ujemanje. Pri hrapavem lepljencu je lepilo popolnoma zapolnilo pore v lepljencu. Če želimo lepilo izvleči iz lepljenca, se to zatakne, ob nadaljnjem obremenjevanju pa se deformira. To ponovno povzroči absorpcijo energije. [1]
Poleg teh specifičnih vplivov povečana površina spoja s hrapavim lepljencem omogoča tudi večje število ostalih interakcij med lepilom in lepljencem opisanih v tem poglavju. Rezultat tega je bistveno bolj trden spoj. [1]
Ob nanašanju bakrovega sulfida in nikljeve spojine, so raziskovalci lahko ustvarili zelo majhne neravnine na bakreni pločevini debeline 35 μm. Vzorce so zlepili z epoksijem in jih obremenili na luščenje. [8]
Nanašanje je lahko potekalo v enem, dveh ali treh nanosih. V prvem nanosu se je ustvarilo večje neravnine (3 μm), v drugem pa manjše (0,3 μm). V tretjem nanosu so vzorec še oksidirali, kar je povzročilo še manjše neravnine. Prikaz različnih stopenj neravnin pod elektronskim mikroskopom je prikazan na sliki 2.9. [8]
Teoretične osnove in pregled literature
11 Slika 2.9: Površina po prvem nanosu (levo) in po drugem nanosu (desno) [8]
Rezultati so zbrani v preglednici 2.1. Z manjšimi neravninami povečanje trdnosti ni tako opazno, ob uporabi obeh nanosov in oksidacije pa se trdnost spoja potroji. Razlogi za povečanje potrebne sile so v mehanskem ujemanju. Še večji vpliv na trdnost pa ima bistveno večja površina med lepilom in lepljencem. [1], [8]
Preglednica 2.1: Trdnost lepljenega spoja ob različnih neravninah na površini [8]
Opis in prikaz površine Sila potrebna za luščenje [g/cm]
Raven 670
Raven
+ 0,3 µm izbokline 680
Raven + 0,3 µm izbokline
+ oksid
785
Piramide velikosti 3 µm 1055
Piramide velikosti 3 µm + 0,3 µm izbokline
+ oksid
2420
2.3.2 Površinska energija
Lastnost površin je, da stvari ločujejo. Pri tem ne gre le za različne kemijsko spojene elemente, ampak tudi agregatna stanja. [1]
Teoretične osnove in pregled literature
12
Pri kapljevinah lahko na površini zaznamo tudi površinsko napetost, ki povzroča površinsko energijo. Zaznamo jo lahko s potiskanjem predmeta skozi površino.
Ker večja površina predstavlja večjo energijo, vsi sistemi pa težijo k minimalni energiji, kapljevine vedno zavzamejo obliko z najmanjšo površino. Ob odsotnosti zunanjih sil je ta oblika krogla. [1]
Pri lepilih je poznavanje površinske plasti zelo pomembno, saj tu prihaja do spajanja in posledično prenašanja obremenitev. [1]
Razlog za površinsko napetost je, da je molekula izpostavljena neuravnoteženosti zunanjih sil. Molekula, ki je v celoti obdana s kapljevino, je izpostavljena prej omenjenim silam z vseh strani in je na ta način v ravnovesju. Molekula na površini pa je silam izpostavljena le z ene strani. Za uravnoteženje sil se molekule na površini nekoliko razmaknejo med sabo, kar pa povzroči napetost v smeri površine. Dokazano je tudi bilo, da ima kapljevina pri trojni točki najmanjšo gostoto ravno na površini. [1]
Energijo, ki jo ima molekula zaradi stika z ostalimi molekulami (X), lahko izračunamo z enačbo (2.5). Pri tem zb predstavlja število stikov z ostalimi molekulami v snovi. Na površini pa lahko energijo izračunamo z enačbo (2.6). V tem primeru pa zs predstavlja število stikov z ostalimi molekulami na površini.
Površinsko energijo (γ) predstavlja razlika med obema energijama. Število stikov je v obeh enačbah deljeno z 2, ker s tem izločimo dvojno štetje stika (v eno ali drugo stran). [1]
𝑋A𝑏 =𝑧𝑏
2.3.3 Delo kohezije in adhezije
Če predmet prerežemo ali porušimo, nastaneta dve novi površini. Vso delo se je torej porabilo za nastanek površin. Če je material homogen in sta površini enotski, je porabljena energija enaka dvokratniku površinske energije. Potrebno delo se izračuna z enačbo (2.8).
Ker je površina nastala v homogenem materialu, je torej prišlo do njegove porušitve in to delo imenujemo delo kohezije (poruši se samo lepilo ali lepljenec).
Podoben princip velja pri rasti razpok. Te rastejo le, če energija deformacije oz. obremenitve preseže površinsko energijo. [1]
𝑊coh = 2𝛾 (2.8)
V primeru porušitve na spoju dveh materialov energija ni enaka samo seštevku obeh površinskih energij. Med različnima materialoma prihaja še do drugih privlačnih sil in posledično energij, ki so opisane v prejšnjih poglavjih. Te moramo iz dela za nastanek
Teoretične osnove in pregled literature
13 površin odšteti. Zaradi odpovedi na spoju, pa to delo imenujemo delo adhezije (lepilo se odlepi od lepljenca). [1]
𝑊𝐸 = 2𝜋𝜎0ℎ (2.9)
Delo adhezije naj ne bi bilo odvisno od materialnih lastnosti lepila (viskoznost, ...) ampak le od temperature in same kemijske sestave le tega. [1]
Opisovali smo že elektrostatične sile. Pri njih bi lahko delo za porušitev spoja izračunali z enačbo (2.9). S to enačbo izračunamo delo, ki je potrebno za razmik nabitih delcev na določeno razdaljo (h). [1]
2.3.4 Omočljivost in adhezija
Doslej smo sklepali, da je lepilo popolnoma prekrilo celotno površino, ki je prisotna v lepljenem spoju. V realnosti pa temu ni tako, saj lepilo lahko ne prodre v vsako režo oz.
poro, zato ostajajo med lepilom in lepljencem prazni prostori. Poleg tega je lahko površina lepljenca kontaminirana, kar povzroči spajanje lepila z nečistočo, ki ni spojena z lepljencem.
Obe napaki sta prikazani na sliki 2.10. Vsaka od teh nepravilnosti zmanjšuje dejansko kontaktno površino in povzroča koncentracijo napetosti na koncih napake. To še poveča resnost težave in s tem se trdnost spoja bistveno zmanjša.
Za trden spoj sta čistost površine in omočljivost lepila ključnega pomena. [1]