第080篇｜應力鬆弛
第080篇｜應力鬆弛
Stress Relaxation
⸻
一句話定義
應力鬆弛（Stress Relaxation）是指材料在固定變形（Constant Strain）條件下，內部應力隨時間逐漸下降的現象，是高分子材料釋放內部應力、重新達到平衡狀態的重要黏彈性行為。
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為什麼重要
兩片材料貼合完成後。
⸻
即使外觀看起來沒有變化。
⸻
界面內部其實可能存在大量應力。
⸻
電子封裝材料受到熱膨脹時。
⸻
會產生熱應力。
⸻
密封膠受到壓縮時。
⸻
會產生壓縮應力。
⸻
接著劑受到拉伸時。
⸻
會產生拉伸應力。
⸻
若這些應力長期存在。
⸻
可能造成：
• 翹曲
• 開裂
• 剝離
• 疲勞破壞
⸻
因此高分子材料需要具備：
應力釋放能力。
⸻
而這種能力。
⸻
便稱為：
Stress Relaxation。
⸻
基本原理
高分子材料受到變形後。
⸻
分子鏈被迫偏離原本平衡狀態。
⸻
形成內部應力。
⸻
然而高分子鏈具有移動能力。
⸻
隨著時間經過。
⸻
鏈段逐漸重新排列。
⸻
部分應力被釋放。
⸻
即使材料長度完全不變。
⸻
內部應力仍會下降。
⸻
此現象稱為：
應力鬆弛。
⸻
應力鬆弛的物理意義
可以想像一條橡皮筋。
⸻
被拉長固定後。
⸻
剛開始張力很大。
⸻
數分鐘後。
⸻
張力逐漸降低。
⸻
即使長度沒有改變。
⸻
張力仍持續下降。
⸻
這就是典型應力鬆弛現象。
⸻
高分子材料內部亦遵循相同機制。
⸻
應力鬆弛與蠕變差異
兩者經常被混淆。
⸻
但測試條件完全不同。
⸻
Creep（蠕變）
固定應力。
⸻
觀察變形增加。
⸻
Stress Relaxation（應力鬆弛）
固定變形。
⸻
觀察應力下降。
⸻
兩者皆屬於黏彈性行為。
⸻
但觀察角度不同。
⸻
比較表
項目 蠕變 應力鬆弛
固定條件 應力 應變
觀察項目 變形增加 應力下降
主要用途 長期承載分析 應力消散分析
⸻
數學定義
理想Maxwell模型中。
⸻
應力隨時間衰減：
genui{“math_block_widget_always_prefetch_v2”:{“content”:”sigma(t)=sigma_0e^{-t/tau}”}}
其中：
σ(t) = 時間t之應力
σ₀ = 初始應力
τ = 鬆弛時間
⸻
當：
t = τ
⸻
應力下降至：
36.8%
⸻
因此：
Relaxation Time
是應力鬆弛的重要指標。
⸻
應力鬆弛與分子鏈運動
應力鬆弛本質上來自：
分子鏈重新排列。
⸻
鏈段移動能力越高。
⸻
應力下降越快。
⸻
因此：
鏈段活動能力 ↑
↓
Stress Relaxation ↑
⸻
應力鬆弛與溫度關係
溫度提高時。
⸻
高分子鏈活動增加。
⸻
應力更容易釋放。
⸻
因此：
Temperature ↑
↓
Stress Relaxation ↑
⸻
也就是：
應力下降速度更快。
⸻
這是高溫環境常見現象。
⸻
應力鬆弛與Tg關係
Tg以下。
⸻
鏈段運動困難。
⸻
應力難以釋放。
⸻
Stress Relaxation較弱。
⸻
Tg以上。
⸻
鏈段活動增加。
⸻
Stress Relaxation大幅提升。
⸻
因此Tg是重要控制因素。
⸻
應力鬆弛與交聯密度
交聯程度提高。
⸻
鏈段受到限制。
⸻
移動能力下降。
⸻
因此：
Crosslink Density ↑
↓
Stress Relaxation ↓
⸻
這也是熱固型材料較難釋放應力的原因之一。
⸻
重要數據或表格
不同材料應力鬆弛能力
材料 應力鬆弛能力
水 極高
溶劑 極高
PSA 高
TPU 中至高
橡膠 中
熱固型樹脂 低
⸻
影響應力鬆弛因素
因素 影響
溫度提高 ↑
分子量提高 ↓
交聯密度提高 ↓
結晶度提高 ↓
時間增加 ↑
鏈段活動能力提高 ↑
⸻
應力鬆弛與PSA
壓敏膠貼附時。
⸻
界面產生局部應力。
⸻
若應力無法消散。
⸻
可能降低接觸面積。
⸻
因此PSA通常具有較佳Stress Relaxation能力。
⸻
有助於提高潤濕效果。
⸻
應力鬆弛與PU系統
PU中的：
Soft Segment
具有較佳應力鬆弛能力。
⸻
Hard Segment
則提供結構強度。
⸻
因此軟硬段比例會影響Stress Relaxation特性。
⸻
應力鬆弛與電子材料
電子封裝材料。
⸻
長期受到：
• 熱膨脹差異
• 熱循環
• 振動
影響。
⸻
若無法有效鬆弛應力。
⸻
可能造成：
• Delamination
• Crack
• Solder Failure
⸻
因此Stress Relaxation極為重要。
⸻
應力鬆弛與密封膠
建築密封膠長期承受：
• 熱脹冷縮
• 結構位移
⸻
良好的Stress Relaxation能力可降低界面破壞風險。
⸻
與接著工程的關係
應力鬆弛直接影響：
Durability
耐久性。
⸻
Thermal Cycling Resistance
耐熱循環性。
⸻
Crack Resistance
抗開裂能力。
⸻
Delamination Resistance
抗剝離能力。
⸻
Fatigue Resistance
抗疲勞能力。
⸻
Reliability
可靠度。
⸻
因此Stress Relaxation是長期可靠度分析的重要工具。
⸻
軟包裝案例
不同材料貼合後。
⸻
因熱膨脹係數差異。
⸻
容易累積內部應力。
⸻
良好的Stress Relaxation有助於降低捲曲與剝離風險。
⸻
電子封裝案例
晶片CTE與基板CTE不同。
⸻
熱循環過程產生應力。
⸻
Stress Relaxation能力越佳。
⸻
可靠度通常越高。
⸻
車用材料案例
車用接著劑長期承受振動。
⸻
良好的Stress Relaxation有助於降低疲勞破壞。
⸻
常見應用
PSA壓敏膠
Pressure Sensitive Adhesive。
⸻
PU接著劑
Polyurethane Adhesive。
⸻
TPU
Thermoplastic Polyurethane。
⸻
電子封裝材料
Electronic Encapsulation Materials。
⸻
密封膠
Sealant。
⸻
車用接著系統
Automotive Adhesive Systems。
⸻
相關名詞
• Relaxation Time（鬆弛時間）
• Creep（蠕變）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• DMA（動態機械分析）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
⸻
FAQ
Q1：應力鬆弛是否代表材料變弱？
不一定。
應力鬆弛是高分子正常的應力管理機制。
⸻
Q2：應力鬆弛與蠕變哪個比較重要？
兩者同樣重要。
蠕變評估變形。
應力鬆弛評估應力消散。
⸻
Q3：如何提高應力鬆弛能力？
可提高軟鏈段比例、降低交聯密度或設計適當黏彈性結構。
⸻
APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，許多接著失效並非來自強度不足，而是內部應力長期累積所造成。
尤其在軟包裝貼合、電子封裝、車用接著與高性能密封膠領域，Stress Relaxation往往比短期強度更能反映產品的真實可靠度。
因此在產品開發過程中，建議同步評估 Stress Relaxation（應力鬆弛）、Relaxation Time（鬆弛時間）、Creep（蠕變）與 Viscoelasticity（黏彈性）特性。
優秀的接著系統不只是承受力量，更懂得如何管理力量。
⸻
延伸閱讀
• Relaxation Time（鬆弛時間）
• Creep（蠕變）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• DMA（動態機械分析）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
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參考文獻
1. Ferry, J.D. Viscoelastic Properties of Polymers.
2. Ward, I.M. & Sweeney, J. Mechanical Properties of Solid Polymers.
3. Macosko, C.W. Rheology: Principles, Measurements and Applications.
4. Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
5. Journal of Rheology.
6. Rheologica Acta.
7. Polymer.
8. Progress in Polymer Science.
Stress Relaxation
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一句話定義
應力鬆弛（Stress Relaxation）是指材料在固定變形（Constant Strain）條件下，內部應力隨時間逐漸下降的現象，是高分子材料釋放內部應力、重新達到平衡狀態的重要黏彈性行為。
⸻
為什麼重要
兩片材料貼合完成後。
⸻
即使外觀看起來沒有變化。
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界面內部其實可能存在大量應力。
⸻
電子封裝材料受到熱膨脹時。
⸻
會產生熱應力。
⸻
密封膠受到壓縮時。
⸻
會產生壓縮應力。
⸻
接著劑受到拉伸時。
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會產生拉伸應力。
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若這些應力長期存在。
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可能造成：
• 翹曲
• 開裂
• 剝離
• 疲勞破壞
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因此高分子材料需要具備：
應力釋放能力。
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而這種能力。
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便稱為：
Stress Relaxation。
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基本原理
高分子材料受到變形後。
⸻
分子鏈被迫偏離原本平衡狀態。
⸻
形成內部應力。
⸻
然而高分子鏈具有移動能力。
⸻
隨著時間經過。
⸻
鏈段逐漸重新排列。
⸻
部分應力被釋放。
⸻
即使材料長度完全不變。
⸻
內部應力仍會下降。
⸻
此現象稱為：
應力鬆弛。
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應力鬆弛的物理意義
可以想像一條橡皮筋。
⸻
被拉長固定後。
⸻
剛開始張力很大。
⸻
數分鐘後。
⸻
張力逐漸降低。
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即使長度沒有改變。
⸻
張力仍持續下降。
⸻
這就是典型應力鬆弛現象。
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高分子材料內部亦遵循相同機制。
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應力鬆弛與蠕變差異
兩者經常被混淆。
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但測試條件完全不同。
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Creep（蠕變）
固定應力。
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觀察變形增加。
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Stress Relaxation（應力鬆弛）
固定變形。
⸻
觀察應力下降。
⸻
兩者皆屬於黏彈性行為。
⸻
但觀察角度不同。
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比較表
項目 蠕變 應力鬆弛
固定條件 應力 應變
觀察項目 變形增加 應力下降
主要用途 長期承載分析 應力消散分析
⸻
數學定義
理想Maxwell模型中。
⸻
應力隨時間衰減：
genui{“math_block_widget_always_prefetch_v2”:{“content”:”sigma(t)=sigma_0e^{-t/tau}”}}
其中：
σ(t) = 時間t之應力
σ₀ = 初始應力
τ = 鬆弛時間
⸻
當：
t = τ
⸻
應力下降至：
36.8%
⸻
因此：
Relaxation Time
是應力鬆弛的重要指標。
⸻
應力鬆弛與分子鏈運動
應力鬆弛本質上來自：
分子鏈重新排列。
⸻
鏈段移動能力越高。
⸻
應力下降越快。
⸻
因此：
鏈段活動能力 ↑
↓
Stress Relaxation ↑
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應力鬆弛與溫度關係
溫度提高時。
⸻
高分子鏈活動增加。
⸻
應力更容易釋放。
⸻
因此：
Temperature ↑
↓
Stress Relaxation ↑
⸻
也就是：
應力下降速度更快。
⸻
這是高溫環境常見現象。
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應力鬆弛與Tg關係
Tg以下。
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鏈段運動困難。
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應力難以釋放。
⸻
Stress Relaxation較弱。
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Tg以上。
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鏈段活動增加。
⸻
Stress Relaxation大幅提升。
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因此Tg是重要控制因素。
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應力鬆弛與交聯密度
交聯程度提高。
⸻
鏈段受到限制。
⸻
移動能力下降。
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因此：
Crosslink Density ↑
↓
Stress Relaxation ↓
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這也是熱固型材料較難釋放應力的原因之一。
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重要數據或表格
不同材料應力鬆弛能力
材料 應力鬆弛能力
水 極高
溶劑 極高
PSA 高
TPU 中至高
橡膠 中
熱固型樹脂 低
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影響應力鬆弛因素
因素 影響
溫度提高 ↑
分子量提高 ↓
交聯密度提高 ↓
結晶度提高 ↓
時間增加 ↑
鏈段活動能力提高 ↑
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應力鬆弛與PSA
壓敏膠貼附時。
⸻
界面產生局部應力。
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若應力無法消散。
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可能降低接觸面積。
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因此PSA通常具有較佳Stress Relaxation能力。
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有助於提高潤濕效果。
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應力鬆弛與PU系統
PU中的：
Soft Segment
具有較佳應力鬆弛能力。
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Hard Segment
則提供結構強度。
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因此軟硬段比例會影響Stress Relaxation特性。
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應力鬆弛與電子材料
電子封裝材料。
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長期受到：
• 熱膨脹差異
• 熱循環
• 振動
影響。
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若無法有效鬆弛應力。
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可能造成：
• Delamination
• Crack
• Solder Failure
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因此Stress Relaxation極為重要。
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應力鬆弛與密封膠
建築密封膠長期承受：
• 熱脹冷縮
• 結構位移
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良好的Stress Relaxation能力可降低界面破壞風險。
⸻
與接著工程的關係
應力鬆弛直接影響：
Durability
耐久性。
⸻
Thermal Cycling Resistance
耐熱循環性。
⸻
Crack Resistance
抗開裂能力。
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Delamination Resistance
抗剝離能力。
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Fatigue Resistance
抗疲勞能力。
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Reliability
可靠度。
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因此Stress Relaxation是長期可靠度分析的重要工具。
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軟包裝案例
不同材料貼合後。
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因熱膨脹係數差異。
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容易累積內部應力。
⸻
良好的Stress Relaxation有助於降低捲曲與剝離風險。
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電子封裝案例
晶片CTE與基板CTE不同。
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熱循環過程產生應力。
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Stress Relaxation能力越佳。
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可靠度通常越高。
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車用材料案例
車用接著劑長期承受振動。
⸻
良好的Stress Relaxation有助於降低疲勞破壞。
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常見應用
PSA壓敏膠
Pressure Sensitive Adhesive。
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PU接著劑
Polyurethane Adhesive。
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TPU
Thermoplastic Polyurethane。
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電子封裝材料
Electronic Encapsulation Materials。
⸻
密封膠
Sealant。
⸻
車用接著系統
Automotive Adhesive Systems。
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相關名詞
• Relaxation Time（鬆弛時間）
• Creep（蠕變）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• DMA（動態機械分析）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
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FAQ
Q1：應力鬆弛是否代表材料變弱？
不一定。
應力鬆弛是高分子正常的應力管理機制。
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Q2：應力鬆弛與蠕變哪個比較重要？
兩者同樣重要。
蠕變評估變形。
應力鬆弛評估應力消散。
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Q3：如何提高應力鬆弛能力？
可提高軟鏈段比例、降低交聯密度或設計適當黏彈性結構。
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APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，許多接著失效並非來自強度不足，而是內部應力長期累積所造成。
尤其在軟包裝貼合、電子封裝、車用接著與高性能密封膠領域，Stress Relaxation往往比短期強度更能反映產品的真實可靠度。
因此在產品開發過程中，建議同步評估 Stress Relaxation（應力鬆弛）、Relaxation Time（鬆弛時間）、Creep（蠕變）與 Viscoelasticity（黏彈性）特性。
優秀的接著系統不只是承受力量，更懂得如何管理力量。
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延伸閱讀
• Relaxation Time（鬆弛時間）
• Creep（蠕變）
• Viscoelasticity（黏彈性）
• Storage Modulus（儲能模數）
• Loss Modulus（損耗模數）
• DMA（動態機械分析）
• Tg（玻璃轉移溫度）
• Frequency Sweep（頻率掃描）
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參考文獻
1. Ferry, J.D. Viscoelastic Properties of Polymers.
2. Ward, I.M. & Sweeney, J. Mechanical Properties of Solid Polymers.
3. Macosko, C.W. Rheology: Principles, Measurements and Applications.
4. Mezger, T.G. The Rheology Handbook.
5. Journal of Rheology.
6. Rheologica Acta.
7. Polymer.
8. Progress in Polymer Science.
