Onderzoek naar onthechtingstechnologie

Koolstofvezelsluiers zijn dunne non-woven materialen die het losmaken van met lijm verbonden composietverbindingen mogelijk maken. Deze studie onderzoekt de effecten van drie verschillende koolstofvezelsluiers op de mechanische, thermische en elektrische eigenschappen van epoxylijmsystemen ingeklemd tussen glasvezelversterkte polymeerlagen (GFRP).

Vergeleken met zuivere epoxyconfiguraties verbetert interleaving met koolstofvezelsluiers de opslagmodulus, de thermische diffusiviteit en de overlap-afschuifsterkte (LSS) van de lijmverbindingen, terwijl de specifieke warmtecapaciteit (Cp) en de glasovergangstemperatuur (Tg) worden verlaagd. Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR)-analyse onthulde dat verwarmde epoxymonsters en composietmonsters gemaakt van een tussenliggende koolstofvezelsluier ingeklemd tussen twee epoxyfilmkleeflagen bij 100% u00b0C gedurende 1 minuut geen enkele detecteerbare verandering in hun chemische structuren vertoonden.

Er werden oppervlakteruwheids- en watercontacthoekmetingen uitgevoerd om de bevochtigbaarheid van de GFRP-adhesies te onderzoeken. Eindige elementen gekoppelde thermisch-elektrische simulaties en op machine learning gebaseerde oplossingen vertoonden goede overeenstemming met Joule-verwarmingsexperimenten. Thermomechanische onthechting via Joule-verwarming toonde effectieve onthechtingseigenschappen aan, zoals lage kracht- en tijdvereisten, geen vezelscheuring op het oppervlak van de hechtingspunten en selectieve verwarming van het verbonden gebied van de verbindingen.

Industriële toepassingen en voordelen

Lijmverbindingen hebben veel aandacht gekregen in industriële toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart-, automobiel-, bouw- en sportuitrusting vanwege de lichtgewicht functionaliteit, veelzijdigheid, uniforme spanningsverdeling, corrosieweerstand en kosteneffectiviteit. Lijmverbindingen zijn echter gevoelig voor temperatuur en vochtigheid, waardoor de duurzaamheid ervan kan afnemen.

Ook bij de structurele toepassingen van vezelversterkte polymeercomposieten worden lijmverbindingen steeds belangrijker. De lucht- en ruimtevaartindustrie geeft prioriteit aan composietmaterialen omdat deze lichtgewicht polymeercomposieten het economische rendement verbeteren en duurzame oplossingen bieden door het brandstofverbruik en de CO2-uitstoot te verminderen.

Bovendien is er een groeiende behoefte aan het recyclen van glasvezelversterkte polymeer (GFRP) en koolstofvezelversterkte polymeermatrix (CFRP) composieten. De internationale wetgeving inzake afgedankte voertuigen (ELV) is een belangrijk initiatief om de recycling-, terugwinnings- en hergebruikpercentages van composieten te verhogen, waardoor het schadevrij onthechten van hechtende materialen noodzakelijk wordt. Bijgevolg is er een toenemende trend in de ontwikkeling van onthechting-on-demand lijmtechnologieën, aangezien de huidige onthechtingstechnologieën gebaseerd op mechanische scheiding bewerkelijk en kostbaar zijn en het risico lopen de hechtende materialen te beschadigen.

De ontwikkelde onthechtingstechniek zal nuttig zijn voor het on-demand onthechten van met lijm verbonden composietverbindingen of metaal-composiet hybride verbindingen in de lucht- en ruimtevaart, windenergie, automobielindustrie, scheepsbouw en vele andere industrieën.

Innovatieve verwarmingsmethoden

Technologieën voor het verwijderen van lijm maken gebruik van verschillende verwarmingsmethoden, zoals oven-, selectieve en inductieverwarming. Joule-verwarming (d.w.z. weerstand en ohmse verwarming) is een veelbelovende methode bij de vervaardiging van composieten die wordt gebruikt voor gecontroleerde verwarming van de verbindingslijn, lijmverbindingen en evaluatie van de onthechting in CFRP-epoxylijmverbindingen met één overlapping. Rapporten geven aan dat thermohardende lijm uitgehard door Joule-verwarming 4,5 kJ verbruikte bij 4 kW, terwijl een soortgelijk monster 3 MJ nodig had bij 800 W tijdens het uitharden in de oven.

Kleefsystemen kunnen worden gefunctionaliseerd door niet-geweven sluiers voor fabricage, productie van elektrothermische materialen met een snel reactievermogen, productie van composietlaminaat door middel van Joule-verwarmingsproces, detectie van schade en monitoring in composietmaterialen en lijmverbindingen.

Het overbruggen van de kenniskloof

Dit werk heeft tot doel de volgende lacunes in de bestaande literatuur aan te pakken: (i) het ontwikkelen van een effectieve onthechtingstechniek voor structurele, door lijm gebonden GFRP-adhesieven, terwijl ze worden beschermd tegen de negatieve effecten van thermomechanische onthechting, en (ii) het evalueren van Joule-verwarming als een energie-efficiënte oplossing. verwarmingsmethode voor het onthechten van de verbindingen.

De huidige studie hanteert een unieke benadering waarbij gebruik wordt gemaakt van de Joule-verwarmingsmethode om verbindingsconfiguraties te onthechten die zijn gemaakt van koolstofvezelsluiers die zijn doorvlochten met epoxy. De onderzoeken omvatten: (i) oppervlaktekarakteristieken van GFRP na oppervlaktebehandeling, (ii) de invloed van het verweven van verschillende koolstofvezelsluiers in epoxylijmverbindingen op hun thermische en mechanische eigenschappen, (iii) de Joule-verwarmingseigenschappen van verschillende configuraties van koolstofvezelsluiers en (iv) de vergelijking van Joule-verwarmingstests met op eindige elementen gebaseerde gekoppelde thermisch-elektrische simulatieresultaten en op machine learning gebaseerde oplossingsresultaten.

Methodologie

Materialen en monstervoorbereiding:
Voor dit onderzoek zijn drie soorten koolstofvezelsluiers geselecteerd, elk met verschillende vezeldiameters en oppervlaktedichtheden. De sluiers werden verweven met epoxykleefstofsystemen en ingeklemd tussen GFRP-hechteinden. Er werden monsters vervaardigd volgens standaardprocedures voor lijmverbinding, waardoor een consistente dikte van de lijmlaag en uitlijning van de GFRP-lagen werd gegarandeerd.

Mechanisch testen:
Er werden tests voor de schuifsterkte (LSS) uitgevoerd om de mechanische prestaties van de verbonden verbindingen te evalueren. De tests werden uitgevoerd bij kamertemperatuur en de resultaten werden vergeleken met zuivere epoxyconfiguraties. Aanvullende mechanische eigenschappen, zoals opslagmodulus, werden gemeten met behulp van dynamische mechanische analyse (DMA).

Thermische en elektrische karakterisering:
Thermische diffusiviteit en specifieke warmtecapaciteit (Cp) werden gemeten met behulp van differentiële scanningcalorimetrie (DSC). Ook werd de glasovergangstemperatuur (Tg) bepaald. Er werden elektrische geleidbaarheidsmetingen uitgevoerd om het Joule-verwarmingsvermogen van de tussenliggende verbindingen met koolstofvezelsluier te beoordelen.

FTIR-analyse:
Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR) werd gebruikt om de chemische structuren van verwarmde epoxymonsters en composietmonsters gemaakt van tussenliggende koolstofvezelsluier te analyseren. Monsters werden gedurende 1 minuut verwarmd op 100% u00b0C om mogelijke chemische veranderingen waar te nemen.

Oppervlakteruwheid en bevochtigbaarheid:
Oppervlakteruwheidsmetingen werden uitgevoerd met behulp van een profilometer om de oppervlaktekarakteristieken van de GFRP-adhesies te beoordelen. Er werden watercontacthoekmetingen uitgevoerd om de bevochtigbaarheid van de behandelde oppervlakken te evalueren.

Eindige-elementensimulaties en machinaal leren:
Eindige-elementensimulaties werden uitgevoerd om het gekoppelde thermisch-elektrische gedrag van de verbonden verbindingen tijdens Joule-verwarming te modelleren. Er werd ook een machine learning-model ontwikkeld om de Joule-verwarmingstemperatuur te voorspellen op basis van de invoerparameters. De simulatie- en ML-resultaten werden vergeleken met experimentele gegevens om de modellen te valideren.

Joule-verwarmingsexperimenten:
Er werden Joule-verwarmingsexperimenten uitgevoerd om het onthechtingsproces te evalueren. De verbonden verbindingen werden onderworpen aan elektrische stroom en het temperatuurprofiel werd gevolgd. Ontbindingskarakteristieken zoals kracht, tijdsvereisten en vezelscheuring op de hechtingsoppervlakken werden geregistreerd.

Resultaten en discussie

Het verweven van koolstofvezelsluiers verbeterde de mechanische en thermische eigenschappen van de lijmverbindingen aanzienlijk. De LSS van de gewrichten nam toe, wat wijst op een verbeterde hechtsterkte. De opslagmodulus en thermische diffusie vertoonden ook verbeteringen, terwijl Cp en Tg afnamen, wat duidt op betere thermische beheersmogelijkheden.

FTIR-analyse bevestigde dat er geen significante chemische veranderingen in de verwarmde monsters waren, wat aangeeft dat het interleaving-proces de chemische structuur van de lijm niet veranderde. Metingen van oppervlakteruwheid en bevochtigbaarheid lieten verbeterde oppervlakte-eigenschappen zien, wat bijdroeg aan een betere hechting.

Eindige-elementensimulaties en machine learning-modellen vertoonden goede overeenstemming met experimentele resultaten, wat de nauwkeurigheid van de voorspellende modellen valideerde. Joule-verwarmingsexperimenten hebben een efficiënte onthechting aangetoond met minimale kracht- en tijdvereisten, en zonder vezelscheuring op de hechtoppervlakken.

Deze studie toont de effectiviteit aan van het gebruik van koolstofvezelsluiers, afgewisseld met epoxylijmsystemen, voor het onthechten van lijmgebonden GFRP-verbindingen via Joule-verwarming. Het interleaving-proces verbetert de mechanische en thermische eigenschappen van de verbindingen, en Joule-verwarming zorgt voor een energie-efficiënte en effectieve onthechtingsmethode. Het gecombineerde gebruik van eindige-elementensimulaties en machine learning-modellen biedt nauwkeurige voorspellingen van het Joule-verwarmingsgedrag, waardoor deze aanpak een veelbelovende oplossing is voor on-demand onthechting in verschillende industriële toepassingen.