Проучване на технологията за разглобяване

Воалите от въглеродни влакна са тънки нетъкани материали, които позволяват разлепване на залепени композитни съединения. Това проучване изследва ефектите на три различни воала от въглеродни влакна върху механичните, термичните и електрическите характеристики на епоксидни адхезивни системи, поставени между слоеве полимер, подсилен със стъклени влакна (GFRP).

В сравнение с изчистените епоксидни конфигурации, преплитането с воали от въглеродни влакна подобрява модула на съхранение, коефициента на топлинна дифузия и якостта на срязване при припокриване (LSS) на адхезивните съединения, като същевременно понижава специфичния топлинен капацитет (Cp) и температурата на встъкляване (Tg). Анализът с инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие (FTIR) разкри, че нагрети епоксидни проби и композитни проби, направени от преплитащ воал от въглеродни влакна, поставен между два адхезивни слоя от епоксиден филм при 100 % u00b0C за 1 минута, не показват никаква забележима промяна в техните химически структури.

Бяха проведени измервания на грапавостта на повърхността и ъгъла на контакт с вода, за да се изследва омокряемостта на GFRP лепилата. Термично-електрическите симулации с краен елемент и решенията, базирани на машинно обучение, показаха добро съответствие с експериментите за нагряване на Джаул. Термомеханичното разлепване чрез джаулово нагряване демонстрира ефективни характеристики на разлепване като ниски изисквания за сила и време, липса на разкъсване на влакна на повърхността на залепващите елементи и селективно нагряване на залепената област на ставите.

Индустриални приложения и ползи

Адхезивното залепване привлече значително внимание в промишлени приложения като космическото, автомобилното, строителното и спортното оборудване поради своята лека функционалност, гъвкавост, равномерно разпределение на напрежението, устойчивост на корозия и рентабилност. Въпреки това, залепените фуги са чувствителни към температура и влажност, което може да намали тяхната издръжливост.

Залепените съединения също стават все по-важни в структурните приложения на подсилени с влакна полимерни композити. Аерокосмическата индустрия дава приоритет на композитните материали, тъй като тези леки полимерни композити подобряват икономическата възвръщаемост и осигуряват устойчиви решения чрез намаляване на разхода на гориво и емисиите на CO2.

Освен това има нарастваща нужда от рециклиране на композитни материали от подсилен полимер (GFRP) и подсилена с въглеродни влакна полимерна матрица (CFRP). Международното законодателство относно излезлите от употреба превозни средства (ELV) е важна инициатива за увеличаване на нивата на рециклиране, оползотворяване и повторна употреба на композити, което налага разлепване без повреди на залепналите материали. Следователно, има нарастваща тенденция в развитието на лепилни технологии за разлепване при поискване, тъй като настоящите технологии за разлепване, базирани на механично разделяне, са трудоемки, скъпи и рискуват да повредят залепващите материали.

Разработената техника за разлепване ще бъде полезна за разлепване при поискване на адхезивно залепени композитни съединения или метално-композитни хибридни съединения в космическата индустрия, вятърната енергия, автомобилостроенето, корабостроенето и много други индустрии.

Иновативни методи за отопление

Технологиите за разлепване на лепило използват различни методи за нагряване като пещ, селективно и индукционно нагряване. Джаулово нагряване (т.е. съпротивление и омично нагряване) е обещаващ метод в производството на композити, използван за контролирано нагряване на линията на свързване, адхезивно свързване и оценка на разлепването в CFRP-епоксидни адхезивни съединения с една обиколка. Докладите показват, че термореактивното лепило, втвърдено чрез нагряване на Джаул, изразходва 4,5 kJ при 4 kW, докато подобна проба изисква 3 MJ при 800 W по време на втвърдяване в пещ.

Адхезивните системи могат да бъдат функционализирани чрез нетъкани воали за производство, производство на електротермични материали с бърза реакция, производство на композитен ламинат чрез процес на нагряване на Джаул, откриване на щети и наблюдение в композитни материали и лепилни съединения.

Преодоляване на празнината в знанията

Тази работа има за цел да отговори на следните пропуски в съществуващата литература: (i) разработване на ефективна техника за разлепване за структурно залепени GFRP лепила, като същевременно ги предпазва от отрицателните ефекти на термомеханичното разлепване, и (ii) оценяване на нагряването на Джаул като енергийно ефективно метод на нагряване за разлепване на ставите.

Настоящото изследване възприема уникален подход за използване на метода на нагряване на Джаул за разлепване на конфигурации на фуги, направени от воали от въглеродни влакна, преплетени с епоксидна смола. Изследванията включват: (i) повърхностни характеристики на GFRP след повърхностна обработка, (ii) влиянието на преплитането на различни воали от въглеродни влакна в епоксидни адхезивни съединения върху техните термични и механични свойства, (iii) характеристиките на нагряване на Джаул на различни конфигурации на воали от въглеродни влакна , и (iv) сравнението на тестовете за нагряване на Джаул с резултати от свързана топлинно-електрическа симулация на базата на крайни елементи и резултати от решения, базирани на машинно обучение.

Методика

Материали и подготовка на образците:
Три вида воали от въглеродни влакна бяха избрани за това изследване, всеки с различен диаметър на влакното и повърхностна плътност. Воалите бяха преплетени с епоксидни адхезивни системи и поставени между GFRP лепенки. Образците бяха подготвени след стандартни процедури за адхезивно свързване, осигуряващи постоянна дебелина на адхезивния слой и подравняване на GFRP слоевете.

Механични тестове:
Бяха проведени тестове за якост на срязване при препокриване (LSS), за да се оцени механичното представяне на залепените съединения. Тестовете бяха проведени при стайна температура и резултатите бяха сравнени с чисти епоксидни конфигурации. Допълнителни механични свойства, като модул на съхранение, бяха измерени с помощта на динамичен механичен анализ (DMA).

Термична и електрическа характеристика:
Топлинната дифузивност и специфичният топлинен капацитет (Cp) бяха измерени с помощта на диференциална сканираща калориметрия (DSC). Определя се също температурата на встъкляване (Tg). Бяха извършени измервания на електрическата проводимост, за да се оценят възможностите за нагряване на джаул на връзките с воал от въглеродни влакна.

FTIR анализ:
Инфрачервената спектроскопия с преобразуване на Фурие (FTIR) беше използвана за анализиране на химическите структури на нагрети епоксидни проби и композитни проби, направени от преплитащ воал от въглеродни влакна. Пробите се нагряват при 100 % u00b0C за 1 минута, за да се наблюдават всякакви потенциални химични промени.

Грапавост на повърхността и омокряемост:
Измерванията на грапавостта на повърхността бяха проведени с помощта на профилометър за оценка на характеристиките на повърхността на GFRP лепилата. Бяха извършени измервания на ъгъла на контакт с вода, за да се оцени омокряемостта на третираните повърхности.

Симулации с крайни елементи и машинно обучение:
Проведени са симулации с крайни елементи, за да се моделира свързаното топлинно-електрическо поведение на свързаните съединения по време на нагряване на Джаул. Разработен е и модел за машинно обучение за прогнозиране на температурата на нагряване на Джаул въз основа на входните параметри. Резултатите от симулацията и ML бяха сравнени с експериментални данни за валидиране на моделите.

Експерименти с нагряване на Джаул:
Бяха проведени експерименти с джаулово нагряване, за да се оцени процеса на разцепване. Залепените съединения бяха подложени на електрически ток и температурният профил беше наблюдаван. Бяха записани характеристики на разлепване, като сила, изисквания за време и разкъсване на влакна върху прилепналите повърхности.

Резултати и дискусия

Преплитането на воалите от въглеродни влакна значително подобрява механичните и термичните свойства на лепилните съединения. LSS на ставите се увеличава, което показва повишена якост на свързване. Модулът за съхранение и коефициентът на топлинна дифузия също показват подобрения, докато Cp и Tg намаляват, което предполага по-добри възможности за управление на топлината.

FTIR анализът потвърди, че няма значителни химически промени в нагретите проби, което показва, че процесът на преплитане не е променил химическата структура на лепилото. Измерванията на грапавостта на повърхността и омокряемостта разкриват подобрени характеристики на повърхността, допринасящи за по-добра адхезия.

Симулациите с крайни елементи и моделите за машинно обучение показаха добро съответствие с експерименталните резултати, потвърждавайки точността на прогнозните модели. Експериментите с джаулово нагряване показаха ефективно разлепване с минимални изисквания за сила и време и без разкъсване на влакна върху залепените повърхности.

Това проучване демонстрира ефективността на използването на воали от въглеродни влакна, преплетени с епоксидни адхезивни системи за разлепване на залепени GFRP фуги чрез нагряване на Джаул. Процесът на преплитане подобрява механичните и термичните свойства на фугите, а Джауловото нагряване осигурява енергийно ефективен и ефективен метод за разлепване. Комбинираното използване на симулации с крайни елементи и модели за машинно обучение предлага точни прогнози за поведението при нагряване на Джаул, което прави този подход обещаващо решение за разлепване при поискване в различни индустриални приложения.