indice

Distacco efficiente di giunti GFRP incollati con velo adesivo in fibra di carbonio tramite riscaldamento Joule

2024-05-27 14:16

Esplorando la tecnologia di debonding

I veli in fibra di carbonio sono sottili materiali non tessuti che consentono il distacco di giunti compositi incollati mediante adesivo. Questo studio esamina gli effetti di tre diversi veli in fibra di carbonio sulle caratteristiche meccaniche, termiche ed elettriche dei sistemi adesivi epossidici inseriti tra strati di polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP).

Rispetto alle configurazioni epossidiche semplici, l'interlacciatura con veli in fibra di carbonio migliora il modulo di accumulo, la diffusività termica e la resistenza al taglio (LSS) dei giunti adesivi, riducendo al contempo la capacità termica specifica (Cp) e la temperatura di transizione vetrosa (Tg). L'analisi della spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) ha rivelato che i campioni di resina epossidica riscaldati e i campioni compositi realizzati con un velo di fibra di carbonio intercalato inserito tra due strati adesivi di pellicola epossidica al 100% u00b0C per 1 minuto non hanno mostrato alcun cambiamento rilevabile nelle loro strutture chimiche.

Sono state condotte misurazioni della rugosità superficiale e dell'angolo di contatto con l'acqua per studiare la bagnabilità degli aderendi in GFRP. Le simulazioni termo-elettriche accoppiate agli elementi finiti e le soluzioni basate sull'apprendimento automatico hanno mostrato un buon accordo con gli esperimenti di riscaldamento Joule. Il distacco termomeccanico tramite riscaldamento Joule ha dimostrato caratteristiche di distacco efficaci come bassi requisiti di forza e tempo, nessuna lacerazione delle fibre sulla superficie degli aderenti e riscaldamento selettivo della regione incollata dei giunti.

Applicazioni e vantaggi industriali

L'incollaggio adesivo ha guadagnato una notevole attenzione in applicazioni industriali come quelle aerospaziali, automobilistiche, edili e sportive grazie alla sua funzionalità leggera, versatilità, distribuzione uniforme delle sollecitazioni, resistenza alla corrosione e rapporto costo-efficacia. Tuttavia, i giunti incollati mediante adesivo sono sensibili alla temperatura e all’umidità, il che può ridurne la durata.

Anche i giunti incollati stanno diventando sempre più importanti nelle applicazioni strutturali dei compositi polimerici rinforzati con fibre. L’industria aerospaziale dà priorità ai materiali compositi perché questi compositi polimerici leggeri migliorano i rendimenti economici e forniscono soluzioni sostenibili riducendo il consumo di carburante e le emissioni di CO2.

Inoltre, vi è una crescente necessità di riciclare i compositi polimerici rinforzati con fibra di vetro (GFRP) e compositi con matrice polimerica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP). La legislazione internazionale sui veicoli fuori uso (ELV) è un'iniziativa importante per aumentare i tassi di riciclaggio, recupero e riutilizzo dei compositi, richiedendo un distacco senza danni dei materiali aderenti. Di conseguenza, vi è una tendenza crescente nello sviluppo di tecnologie adesive di distacco su richiesta, poiché le attuali tecnologie di distacco basate sulla separazione meccanica sono laboriose, costose e rischiano di danneggiare i materiali aderenti.

La tecnica di distacco sviluppata sarà utile per il distacco su richiesta di giunti compositi incollati o giunti ibridi metallo-composito nei settori aerospaziale, dell'energia eolica, automobilistico, della costruzione navale e in molti altri settori.

Metodi di riscaldamento innovativi

Le tecnologie di debonding adesivo utilizzano vari metodi di riscaldamento come il riscaldamento in forno, selettivo e a induzione. Il riscaldamento Joule (ovvero, resistenza e riscaldamento ohmico) è un metodo promettente nella produzione di compositi utilizzato per il riscaldamento controllato della linea di incollaggio, l'incollaggio adesivo e la valutazione del distacco nei giunti a strato singolo con adesivo CFRP-epossidico. I rapporti indicano che l'adesivo termoindurente polimerizzato mediante riscaldamento Joule ha consumato 4,5 kJ a 4 kW, mentre un campione simile ha richiesto 3 MJ a 800 W durante la polimerizzazione in forno.

I sistemi adesivi possono essere funzionalizzati mediante veli non tessuti per la fabbricazione, produzione di materiali elettrotermici con rapida reattività, produzione di laminati compositi mediante processo di riscaldamento Joule, rilevamento di danni e monitoraggio in materiali compositi e giunti incollati con adesivo.

Colmare il divario di conoscenza

Questo lavoro mira a colmare le seguenti lacune nella letteratura esistente: (i) sviluppare una tecnica di distacco efficace per gli aderenti strutturali in GFRP incollati con adesivo, proteggendoli dagli effetti negativi del distacco termomeccanico e (ii) valutare il riscaldamento Joule come un metodo efficiente dal punto di vista energetico. metodo di riscaldamento per il distacco dei giunti.

Il presente studio adotta un approccio unico che utilizza il metodo di riscaldamento Joule per staccare configurazioni di giunti costituite da veli di fibra di carbonio intercalati con resina epossidica. Le indagini includono: (i) caratteristiche superficiali del GFRP dopo il trattamento superficiale, (ii) l'influenza dell'interlacciamento di diversi veli di fibra di carbonio in giunti adesivi epossidici sulle loro proprietà termiche e meccaniche, (iii) le caratteristiche di riscaldamento Joule di diverse configurazioni di velo di fibra di carbonio e (iv) il confronto dei test di riscaldamento Joule con i risultati della simulazione termo-elettrica accoppiata basata su elementi finiti e i risultati della soluzione basata sull'apprendimento automatico.

Metodologia

Materiali e preparazione dei campioni:
Per questo studio sono stati selezionati tre tipi di veli in fibra di carbonio, ciascuno con diametri di fibra e densità areali diversi. I veli sono stati interfogliati con sistemi adesivi epossidici e inseriti tra gli aderenti in GFRP. I campioni sono stati preparati seguendo le procedure standard per il fissaggio adesivo, garantendo uno spessore costante dello strato adesivo e l'allineamento degli strati GFRP.

Prove meccaniche:
Sono stati condotti test di resistenza al taglio (LSS) per valutare le prestazioni meccaniche dei giunti incollati. I test sono stati eseguiti a temperatura ambiente e i risultati sono stati confrontati con configurazioni epossidiche pure. Ulteriori proprietà meccaniche, come il modulo di accumulo, sono state misurate utilizzando l'analisi meccanica dinamica (DMA).

Caratterizzazione Termica ed Elettrica:
La diffusività termica e la capacità termica specifica (Cp) sono state misurate utilizzando la calorimetria a scansione differenziale (DSC). È stata inoltre determinata la temperatura di transizione vetrosa (Tg). Sono state eseguite misurazioni della conduttività elettrica per valutare le capacità di riscaldamento Joule dei giunti interfogliati del velo di fibra di carbonio.

Analisi FTIR:
La spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) è stata utilizzata per analizzare le strutture chimiche di campioni epossidici riscaldati e campioni compositi realizzati con velo di fibra di carbonio intercalato. I campioni sono stati riscaldati a 100°C per 1 minuto per osservare eventuali cambiamenti chimici.

Rugosità superficiale e bagnabilità:
Le misurazioni della rugosità superficiale sono state condotte utilizzando un profilometro per valutare le caratteristiche superficiali degli aderenti GFRP. Sono state eseguite misurazioni dell'angolo di contatto con l'acqua per valutare la bagnabilità delle superfici trattate.

Simulazioni agli elementi finiti e machine learning:
Sono state effettuate simulazioni agli elementi finiti per modellare il comportamento termico-elettrico accoppiato dei giunti incollati durante il riscaldamento Joule. È stato inoltre sviluppato un modello di apprendimento automatico per prevedere la temperatura di riscaldamento Joule in base ai parametri di input. I risultati della simulazione e del ML sono stati confrontati con i dati sperimentali per convalidare i modelli.

Esperimenti sul riscaldamento Joule:
Sono stati eseguiti esperimenti di riscaldamento Joule per valutare il processo di distacco. I giunti incollati sono stati sottoposti a corrente elettrica e il profilo della temperatura è stato monitorato. Sono state registrate le caratteristiche di distacco come forza, tempi richiesti e lacerazione delle fibre sulle superfici aderenti.

Risultati e discussione

L'interlacciatura di veli in fibra di carbonio ha migliorato significativamente le proprietà meccaniche e termiche delle giunzioni adesive. L'LSS delle articolazioni è aumentato, indicando una maggiore forza di adesione. Anche il modulo di accumulo e la diffusività termica hanno mostrato miglioramenti, mentre Cp e Tg sono diminuiti, suggerendo migliori capacità di gestione termica.

L'analisi FTIR ha confermato che non si sono verificati cambiamenti chimici significativi nei campioni riscaldati, indicando che il processo di interleaving non ha alterato la struttura chimica dell'adesivo. Le misurazioni della rugosità superficiale e della bagnabilità hanno rivelato caratteristiche superficiali migliorate, contribuendo a una migliore adesione.

Le simulazioni agli elementi finiti e i modelli di apprendimento automatico hanno mostrato un buon accordo con i risultati sperimentali, convalidando l'accuratezza dei modelli predittivi. Gli esperimenti di riscaldamento Joule hanno dimostrato un distacco efficiente con requisiti minimi di forza e tempo e nessuna lacerazione delle fibre sulle superfici aderenti.


Questo studio dimostra l'efficacia dell'utilizzo di veli in fibra di carbonio interfogliati con sistemi adesivi epossidici per il distacco di giunti GFRP incollati mediante riscaldamento Joule. Il processo di interleaving migliora le proprietà meccaniche e termiche dei giunti e il riscaldamento Joule fornisce un metodo di distacco efficace ed efficiente dal punto di vista energetico. L’uso combinato di simulazioni di elementi finiti e modelli di apprendimento automatico offre previsioni accurate del comportamento del riscaldamento Joule, rendendo questo approccio una soluzione promettente per il debonding su richiesta in varie applicazioni industriali.


Ricevi l'ultimo prezzo? Ti risponderemo al più presto (entro 12 ore)
  • Required and valid email address
  • This field is required
  • This field is required
  • This field is required
  • This field is required