معرفی تحلیل Fracture Analysis

شکنندگی شیشه و اجزای سرامیکی در الکترونیک مدرن مصرف کننده - از صفحه نمایش های تلفن هوشمند تا بستر سرامیک در پوشیدنی - نشان می دهد یک چالش مهندسی مداوم است. تجزیه و تحلیل Fracture یک چارچوب سیستماتیک برای درک چگونگی شکست این مواد شکننده، تولید کنندگان را قادر به بهبود دوام محصول و کاهش هزینه های گارانتی.با بررسی شروع ترک، مسیرهای و ویژگی های سطح شکستگی، مهندسان می توانند با نقص های خاص و شرایط بارگیری ارتباط برقرار کنند.

مواد Brittle مانند شیشه نوشابه، شیشه ای درخشان و سرامیک zirconia تقریبا هیچ گونه تغییر پلاستیک قبل از شکست، که ممکن است کشش یا عملکرد، این مواد به طور فاجعه بار یک بار یک بار تجزیه و تحلیل انتقادی به دست آمده است، بنابراین تمرکز بر شناسایی منشاء ترک ها، استرس در شکست، و نقش از نقص های ساختاری.

اصول مکانیک های Fracture

شدت استرس و سختی های Fracture

عامل شدت استرس (K) زمینه استرس را در نزدیکی نوک شکاف اندازه گیری می کند (برای یک ماده داده شده، یک مقدار حیاتی وجود دارد - سختی شکست (KIC - به جز یک مایع معمولی، مقدار نیتروژن را کاهش می دهد.

طراحان از این پارامتر در کنار توزیع اندازه نقص برای پیش بینی احتمال شکست استفاده می کنند.روابط توسط معادله K = Y ⁇ (πa) اداره می شود، که در آن σ استرس اعمال می شود، طول ترک است و Y یک عامل هندسی است.این به طور مستقیم تنش های قابل قبول را برای تشخیص اندازه های نقص قابل تشخیص می دهد.

حالت های Crackproagation Modes

انحراف در شیشه و سرامیک معمولا در سه حالت رخ می دهد: حالت I (باز کردن)، حالت II (سید)، و حالت III (تترس) در الکترونیک مصرف کننده، حالت من رایج است - به دلیل فشار کششی از خم شدن یا تاثیر. Mode II و III در شکست های ناشی از اوار ظاهر می شود، مانند زمانی که یک تلفن در گوشه ای قرار می گیرد، ایجاد الگوهای پیچیده مانند هک کردن خطوط.

علل رایج Fracture در الکترونیک

درک علل ریشه شکستگی برای بهبود طراحی هدفمند ضروری است. عوامل زیر مسئول اکثریت قریب به اتفاق شکست های میدانی هستند:

  • اثرات مکانیکی - Drops from کمر یا ارتفاع گوش نیروهای تاثیر بیش از 10 G. شیشه یا سرامیک باید آن انرژی را از طریق شکل گیری الاستیک یا تولید ترک جذب کند.
  • استرس های الکتریکی - تغییرات سریع دما، مانند یک تلفن سرد در معرض نور خورشید، می تواند گسترش تفاوت ایجاد کند که تنش های کششی را بیش از قدرت مادی ایجاد می کند.
  • (FLT:0) نقص های ناشی از اختلال در تولید [FLT 1] - Microcracks، گنجاندن، یا غلظت استرس باقیمانده از سنگ شکن، برش و یا فرآیندهای گناه، اجزای ضعیف را قبل از رسیدن به کاربران تضعیف می کند.
  • Wear و خستگی - رشد شکاف بحرانی منجر به تخریب قدرت بیش از هزاران رویداد میکرو اثر می شود، همانطور که در کریستال های ساعت مشاهده شده و پشت پوشش می دهد بارها و بارها تاکید.

تجزیه و تحلیل آماری واحدهای بازگشتی به طور مداوم نشان می دهد که شکست های مرتبط با تاثیر تقریبا ۷۰ درصد از تمام شکستگی های شیشه ای در گوشی های هوشمند را تشکیل می دهند و اثرات لبه رایج ترین آغازگر است.

روش های تجزیه و تحلیل Fracture

یک برنامه تجزیه و تحلیل قوی تجزیه و تحلیل شکستگی ترکیبی از بازرسی ماکروسکوپی، تصویربرداری میکروسکوپی و آزمایش های کمی را به کار می گیرد.

میکروسکوپ نوری

آزمون کم بزرگنمایی (10 تا 100×) اجازه می دهد تا شناسایی خطوط هک، خطوط دیوارنر و مناطق آینه - مناطقی که در سطح شکستگی قرار دارند، شناسایی خطوط و سرعت انتشار کرک را نشان دهد، به عنوان مثال، یک منطقه آینه صاف در نزدیکی مبدا به دنبال آن، غبار و هکل نشان دهنده یک شکستگی سریع، ناپایدار - معمول از شکست های اثر است.

میکروسکوپ الکترونی (SEM)

SEM در بزرگنمایی های بالاتر (100 تا 100.000 ×) جزئیات ریزساختاری مانند شکاف های دانه در سرامیک یا عدم کم کردن منافذ مجار را حل می کند، تایید کننده شکست شکننده اشعه ایکس (EDS) می تواند ذرات خارجی یا آلودگی شیمیایی را که ممکن است شکستگی را آغاز کرده اند، تشخیص دهد.

تست سختی

تست های استاندارد شده مانند ASTM C1421 برای سرامیک یا ISO 6872 برای اندازه گیری شیشه ای دندان KIC در توسعه محصول، نمونه های مینیاتوری از اجزای شکست خورده می توانند برای تأیید اینکه آیا خواص مواد با مشخصات مطابقت دارند، آزمایش شوند.

مدل سازی عنصر Finite (FEM)

شبیه سازی های صریح پویا (به عنوان مثال، با استفاده از LS-DYNA یا Abaqus) سناریوهای افت مدل، پیش بینی توزیع استرس و سایت های شروع ترک، این مدل ها شامل خواص مواد، جزئیات هندسی و شرایط تاثیر، اجازه می دهد طراحی مجازی قبل از تحریک فیزیکی.

مطالعات موردی در Consumer Electronics

صفحه نمایش گوشی هوشمند

یک تولید کننده بزرگ بیش از 1000 صفحه نمایش شکسته از بازده میدان تجزیه و تحلیل کرد. میکروسکوپ نوری نشان داد که 85٪ از شکستگی ها در لبه های صفحه نمایش ایجاد شده اند - یا در نقاط حفاری برای دوربین های جلو یا در امتداد لبه مبهم نزدیک به تکه گوش.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک.ک

شکست های ناشی از سرامیک در Wearables

سرامیک Zirconia در یک ردیاب تناسب اندام پوشش می دهد که پس از 6 تا 12 ماه استفاده از تجزیه و تحلیل SEM کشف رشد شکاف زیر بحرانی ناشی از منافذ چپ توسط تنظیم چرخه گناه و اجرای فشار گرم ایزوتواستاتیک (HIP)، تولید کننده از منافذ و عمر محصول گسترش یافته است.

عینک در ماژول های دوربین

در یک تلفن پرچمدار، شیشه پوشش شکسته بر روی دوربین اصلی به استرس های حرارتی در طول ترکیبی از شارژ بی سیم و تجزیه و تحلیل مستقیم نور خورشید ردیابی شد. تجزیه و تحلیل Fracture نشان داد مرزهای آینه - مرزهای سازگار با شیب حرارتی بیش از 100 درجه سانتیگراد بود. راه حل برای قرار دادن یک فیلم چند منظوره بین شیشه و قاب فلزی به بافر تفاوت های گسترش حرارتی.

این مطالعات موردی تأکید می کنند که چگونه تجزیه و تحلیل کامل شکستگی به طور مستقیم اقدامات اصلاحی را در هر دو طراحی و فرآیند به اطلاع می رساند.

مفاهیم طراحی و ساخت

کاهش تمرکز استرس

گوشه های تیز و لبه ها به عنوان دستورالعمل های طراحی استرس عمل می کنند، در حال حاضر راد لبه حداقل 0.3 میلی متر برای پوشش شیشه و 0.5 میلی متر برای مسکن سرامیک را مشخص می کند. علاوه بر این، توزیع ضخامت یکنواخت مانع خم شدن موضعی تحت فشار، یک علت رایج از شکست flexural می شود.

انتخاب و درمان مواد

شیشه ای که به صورت شیمیایی تقویت شده است (به عنوان مثال، Corning Gorilla Glass Victus یا Schott Xensation) لایه فشرده ای عمیق را فراهم می کند که مانع انتشار کرک می شود.

پوشش های حفاظتی و فیلم ها

پوشش های فیلم نازک (به عنوان مثال، کربن الماس مانند، لمینت های یاقوت) می توانند انرژی تاثیر را جذب کنند و از تماس مستقیم با سطوح سخت جلوگیری کنند، اما چسبندگی پوشش باید برای جلوگیری از توهم در زیر دوچرخه سواری حرارتی تایید شود.

بهبود کیفیت کنترل

سیستم های بازرسی نوری خودکار (AOI) هر جزء را برای نقص های سطحی بیش از 50 μm اسکن می کنند که همراه با آزمایش اثبات (با استفاده از استرس شناخته شده برای رد قطعات ضعیف)، تولید کنندگان به شش سیگما سطح نقص می رسند.

آینده در Fracture-Resistant Electronics

تکنولوژی های نوظهور، پیشرفت های بیشتری در دوام را وعده می دهند:

  • شیشه خود شفابخش - پلیمرهای یون-رسانی جاسازی شده در شیشه می توانند میکروکترها را با فعال سازی میدان الکتریکی ببندند.
  • ] سرامیک چاپ شده 3D [FLT 1 ] - تولید افزودنی زمین های پیچیده داخلی را که مسیرهای ترک را کاهش می دهند ، کاهش غلظت استرس را فراهم می کند.
  • ] یادگیری ماشین در پیش بینی شکست - شبکه های عصبی آموزش دیده در میلیون ها نقطه داده های آزمایشی الگوهای نقص نامرئی را برای تجزیه و تحلیل انسان شناسایی می کنند.
  • کامپوزیت های یاقوت سرخ - شیارهای یاقوت سرخ و فیبر کربن تا 50٪ سخت تر از یاقوت کبود تک بار ارائه می دهند.

این پیشرفت ها، همراه با دانش مکانیک شکستگی بنیادی، وسایل الکترونیکی مصرف کننده را به سمت محوطه های نزدیک به تخریبی سوق می دهد.

برای مطالعه بیشتر در مورد استانداردهای شکستگی شکننده، استاندارد ASTM C1421 را برای تست سخت گیری شکستگی و وikipedia] ماده مکانیک شکستگی برای پس زمینه نظری] ببینید.

نتیجه گیری

تجزیه و تحلیل فرموله از شیشه و اجزای سرامیکی بیش از یک تحقیق پس از یائسگی است - این یک نظم مهندسی فعال است که به طور مستقیم قابلیت اطمینان محصول را شکل می دهد.با استفاده از اصول مکانیک شکستگی، تکنیک های پیشرفته تشخیصی و تغییرات طراحی متفکرانه، تولید کنندگان می توانند به طور قابل توجهی کاهش نرخ شکستن در الکترونیک مصرف کننده.