Utforska debonding-teknik

Kolfiberslöjor är tunna ovävda material som möjliggör lossning av limfogade kompositfogar. Denna studie undersöker effekterna av tre olika kolfiberslöjor på de mekaniska, termiska och elektriska egenskaperna hos epoxilimsystem mellan glasfiberförstärkta polymerskikt (GFRP).

Jämfört med snygga epoxikonfigurationer förbättrar interfoliering med kolfiberslöjor lagringsmodulen, termisk diffusivitet och överlappsskjuvhållfasthet (LSS) för limfogarna samtidigt som den sänker den specifika värmekapaciteten (Cp) och glasövergångstemperaturen (Tg). Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) analys avslöjade att uppvärmda epoxiprover och kompositprover gjorda av interleaving kolfiberslöja inklämd mellan två epoxifilmlimskikt vid 100 % u00b0C under 1 min inte uppvisade någon detekterbar förändring i deras kemiska strukturer.

Ytjämnhet och vattenkontaktvinkelmätningar utfördes för att undersöka vätbarheten hos GFRP-vidhäftningarna. Finita element kopplade termisk-elektriska simuleringar och maskininlärningsbaserade lösningar visade god överensstämmelse med Joule värmeexperiment. Termomekanisk avbindning via Joule-uppvärmning visade effektiva avbindningsegenskaper såsom låga kraft- och tidskrav, ingen fiberrivning på vidhäftningsytan och selektiv uppvärmning av det sammanfogade området av lederna.

Industriella tillämpningar och fördelar

Limbindning har fått stor uppmärksamhet i industriella applikationer som flyg-, bil-, bygg- och sportutrustning på grund av dess lätta funktionalitet, mångsidighet, enhetliga spänningsfördelning, korrosionsbeständighet och kostnadseffektivitet. Däremot är limfogar känsliga för temperatur och fuktighet, vilket kan minska deras hållbarhet.

Självhäftande fogar blir också allt viktigare i de strukturella tillämpningarna av fiberförstärkta polymerkompositer. Flygindustrin prioriterar kompositmaterial eftersom dessa lätta polymerkompositer förbättrar den ekonomiska avkastningen och ger hållbara lösningar genom att minska bränsleförbrukningen och CO2-utsläppen.

Dessutom finns det ett växande behov av att återvinna kompositer av glasfiberförstärkt polymer (GFRP) och kolfiberförstärkt polymermatris (CFRP). Internationell lagstiftning om uttjänta fordon (ELV) är ett viktigt initiativ för att öka återvinnings-, återvinnings- och återanvändningsgraden av kompositer, vilket gör det nödvändigt att skada vidhäftande material. Följaktligen finns det en ökande trend i utvecklingen av adhesivteknologier för avbindning på begäran, eftersom nuvarande avbindningsteknologier baserade på mekanisk separation är arbetskrävande, kostsamma och riskerar att skada de vidhäftande materialen.

Den utvecklade avbindningstekniken kommer att vara användbar för on-demand-avbindning av adhesivt bundna kompositfogar eller metallkomposithybridfogar inom flyg-, vindenergi-, fordons-, varvsindustrin och många andra industrier.

Innovativa uppvärmningsmetoder

Teknologier för att lossa lim använder olika uppvärmningsmetoder såsom ugn, selektiv uppvärmning och induktionsuppvärmning. Joule-uppvärmning (d.v.s. motstånd och ohmsk uppvärmning) är en lovande metod inom komposittillverkning som används för kontrollerad uppvärmning av bindningslinjen, limbindning och utvärdering av avbindning i CFRP-epoxilim med enkelvarvsfogar. Rapporter indikerar att värmehärdande lim härdat med Joule-uppvärmning förbrukade 4,5 kJ vid 4 kW, medan ett liknande prov krävde 3 MJ vid 800 W under ugnshärdning.

Adhesivsystem kan funktionaliseras av icke-vävda slöjor för tillverkning, framställning av elektrotermiska material med snabb respons, tillverkning av kompositlaminat genom Joule-uppvärmningsprocess, skadadetektering och övervakning i kompositmaterial och limfogar.

Överbrygga kunskapsklyftan

Detta arbete syftar till att ta itu med följande luckor i den befintliga litteraturen: (i) utveckla en effektiv avbindningsteknik för strukturella adhesivt bundna GFRP-vidhäftningar samtidigt som de skyddas från de negativa effekterna av termomekanisk avbindning, och (ii) utvärdera Joule-uppvärmning som en energieffektiv uppvärmningsmetod för att lossa fogarna.

Den här studien antar ett unikt tillvägagångssätt för att använda Joule-uppvärmningsmetoden för att lossa fogkonfigurationer gjorda av kolfiberslöjor interfolierade med epoxi. Undersökningarna inkluderar: (i) ytegenskaper hos GFRP efter ytbehandling, (ii) påverkan av att interfoliera olika kolfiberslöjor i epoxilimfogar på deras termiska och mekaniska egenskaper, (iii) Joule-uppvärmningsegenskaperna för olika kolfiberslöjakonfigurationer , och (iv) jämförelsen av Joule-uppvärmningstest med finita elementbaserade kopplade termisk-elektriska simuleringsresultat och maskininlärningsbaserade lösningsresultat.

Metodik

Material och provberedning:
Tre typer av kolfiberslöjor valdes ut för denna studie, var och en med olika fiberdiametrar och ytdensiteter. Slöjorna interfolierades med epoxilimsystem och klämdes in mellan GFRP-vidhäftningar. Prover framställdes enligt standardprocedurer för limning, vilket säkerställer konsekvent limskikttjocklek och inriktning av GFRP-skikten.

Mekanisk testning:
Överlappsskjuvhållfasthetstest (LSS) utfördes för att utvärdera den mekaniska prestandan hos de bundna lederna. Testerna utfördes vid rumstemperatur och resultaten jämfördes med snygga epoxikonfigurationer. Ytterligare mekaniska egenskaper, såsom lagringsmodul, mättes med användning av dynamisk mekanisk analys (DMA).

Termisk och elektrisk karakterisering:
Termisk diffusivitet och specifik värmekapacitet (Cp) mättes med användning av differentiell scanningskalorimetri (DSC). Glasövergångstemperaturen (Tg) bestämdes också. Elektrisk konduktivitetsmätningar utfördes för att bedöma Joule-uppvärmningsförmågan hos de kolfiberslöjainterfolierade lederna.

FTIR-analys:
Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) användes för att analysera de kemiska strukturerna hos upphettade epoxiprover och kompositprover gjorda av mellanliggande kolfiberslöja. Prover värmdes vid 100 % u00b0C under 1 min för att observera eventuella kemiska förändringar.

Ytjämnhet och vätbarhet:
Ytgrovhetsmätningar utfördes med användning av en profilometer för att bedöma ytegenskaperna hos GFRP-vidhäftningarna. Vattenkontaktvinkelmätningar utfördes för att utvärdera vätbarheten hos de behandlade ytorna.

Finita elementsimuleringar och maskininlärning:
Finita elementsimuleringar utfördes för att modellera det kopplade termiskt-elektriska beteendet hos de bundna lederna under Joule-uppvärmning. En maskininlärningsmodell utvecklades också för att förutsäga Joule-uppvärmningstemperaturen baserat på ingångsparametrarna. Simulerings- och ML-resultaten jämfördes med experimentella data för att validera modellerna.

Joule-uppvärmningsexperiment:
Jouleuppvärmningsexperiment utfördes för att utvärdera avbindningsprocessen. De bundna lederna utsattes för elektrisk ström och temperaturprofilen övervakades. Avbindningsegenskaper såsom kraft, tidskrav och fiberrivning på de vidhäftande ytorna registrerades.

Resultat och diskussion

Sammanfogningen av kolfiberslöjor förbättrade avsevärt de mekaniska och termiska egenskaperna hos limfogarna. LSS i lederna ökade, vilket tyder på förbättrad bindningsstyrka. Lagringsmodulen och termisk diffusivitet visade också förbättringar, medan Cp och Tg minskade, vilket tyder på bättre termisk hanteringsförmåga.

FTIR-analys bekräftade att det inte fanns några signifikanta kemiska förändringar i de uppvärmda proverna, vilket tyder på att interfolieringsprocessen inte förändrade limmets kemiska struktur. Ytjämnhet och vätbarhetsmätningar visade förbättrade ytegenskaper, vilket bidrog till bättre vidhäftning.

Finita element-simuleringar och maskininlärningsmodeller visade god överensstämmelse med experimentella resultat, vilket validerade de prediktiva modellernas noggrannhet. Joule-uppvärmningsexperiment visade effektiv avbindning med minimala kraft- och tidskrav, och ingen fiberrivning på de vidhäftande ytorna.

Denna studie visar effektiviteten av att använda kolfiberslöjor sammanflätade med epoxilimsystem för att lossa limbundna GFRP-fogar via Joule-uppvärmning. Interfolieringsprocessen förbättrar ledernas mekaniska och termiska egenskaper, och Joule-uppvärmning ger en energieffektiv och effektiv avbindningsmetod. Den kombinerade användningen av finita element-simuleringar och maskininlärningsmodeller ger exakta förutsägelser av Joule-uppvärmningsbeteendet, vilket gör detta tillvägagångssätt till en lovande lösning för on-demand-avbindning i olika industriella tillämpningar.