Εξερευνώντας την τεχνολογία Αποδέσμευση

Τα πέπλα από ανθρακονήματα είναι λεπτά μη υφασμένα υλικά που επιτρέπουν την αποκόλληση των σύνθετων αρμών που συνδέονται με κόλλα. Αυτή η μελέτη εξετάζει τις επιδράσεις τριών διαφορετικών πέπλων από ανθρακονήματα στα μηχανικά, θερμικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συστημάτων εποξειδικής κόλλας που βρίσκονται ανάμεσα σε στρώσεις πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες γυαλιού (GFRP).

Σε σύγκριση με τακτοποιημένες εποξειδικές διαμορφώσεις, η παρεμβολή με πέπλα από ανθρακονήματα ενισχύει το μέτρο αποθήκευσης, τη θερμική διάχυση και την αντοχή διάτμησης (LSS) των συγκολλητικών αρμών ενώ μειώνει την ειδική θερμική ικανότητα (Cp) και τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg). Η ανάλυση υπέρυθρης φασματοσκοπίας μετασχηματισμού Φουριέ (FTIR) αποκάλυψε ότι τα θερμαινόμενα εποξειδικά δείγματα και τα σύνθετα δείγματα κατασκευασμένα από παρεμβαλλόμενο πέπλο ανθρακονημάτων τοποθετημένο μεταξύ δύο στρωμάτων κόλλας εποξειδικής μεμβράνης στους 100 °C για 1 λεπτό δεν εμφάνισαν καμία ανιχνεύσιμη αλλαγή στη χημική τους δομή.

Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις τραχύτητας επιφάνειας και γωνίας επαφής με το νερό για να διερευνηθεί η διαβρεξιμότητα των προσκολλημένων GFRP. Οι θερμοηλεκτρικές προσομοιώσεις συζευγμένων πεπερασμένων στοιχείων και οι λύσεις που βασίζονται στη μηχανική μάθηση έδειξαν καλή συμφωνία με τα πειράματα θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου. Η θερμομηχανική αποκόλληση μέσω θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου έδειξε αποτελεσματικά χαρακτηριστικά αποκόλλησης όπως χαμηλή δύναμη και απαιτήσεις χρόνου, χωρίς σχίσιμο ινών στην επιφάνεια των συγκολλήσεων και επιλεκτική θέρμανση της συνδεδεμένης περιοχής των αρθρώσεων.

Βιομηχανικές Εφαρμογές και Οφέλη

Η συγκόλληση με κόλλα έχει κερδίσει σημαντική προσοχή σε βιομηχανικές εφαρμογές όπως η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία, οι κατασκευές και ο αθλητικός εξοπλισμός λόγω της ελαφριάς λειτουργικότητας, της ευελιξίας, της ομοιόμορφης κατανομής των τάσεων, της αντοχής στη διάβρωση και της οικονομικής αποδοτικότητας. Ωστόσο, οι αρμοί που συνδέονται με κόλλα είναι ευαίσθητοι στη θερμοκρασία και την υγρασία, γεγονός που μπορεί να μειώσει την αντοχή τους.

Οι συγκολλητικές ενώσεις γίνονται επίσης όλο και πιο σημαντικές στις δομικές εφαρμογές των σύνθετων πολυμερών ενισχυμένων με ίνες. Η αεροδιαστημική βιομηχανία δίνει προτεραιότητα στα σύνθετα υλικά επειδή αυτά τα ελαφριά πολυμερή σύνθετα υλικά βελτιώνουν τις οικονομικές αποδόσεις και παρέχουν βιώσιμες λύσεις μειώνοντας την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές CO2.

Επιπλέον, υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για ανακύκλωση σύνθετων πολυμερών ενισχυμένων με ίνες γυαλιού (GFRP) και σύνθετων πολυμερών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα (CFRP). Η διεθνής νομοθεσία για τα οχήματα στο τέλος του κύκλου ζωής τους (ELV) είναι μια σημαντική πρωτοβουλία για την αύξηση των ποσοστών ανακύκλωσης, ανάκτησης και επαναχρησιμοποίησης σύνθετων υλικών, γεγονός που καθιστά αναγκαία την αποκόλληση των προσκολλημένων υλικών χωρίς ζημιές. Κατά συνέπεια, υπάρχει μια αυξανόμενη τάση στην ανάπτυξη τεχνολογιών κόλλας αποκόλλησης κατ' απαίτηση, καθώς οι τρέχουσες τεχνολογίες αποκόλλησης που βασίζονται στον μηχανικό διαχωρισμό είναι επίπονες, δαπανηρές και κινδυνεύουν να καταστρέψουν τα υλικά συγκόλλησης.

Η τεχνική αποκόλλησης που αναπτύχθηκε θα είναι χρήσιμη για την αποκόλληση κατά παραγγελία σύνθετων αρμών με κόλλα ή υβριδικών αρμών μετάλλου-σύνθετου στην αεροδιαστημική, την αιολική ενέργεια, την αυτοκινητοβιομηχανία, τη ναυπηγική και πολλές άλλες βιομηχανίες.

Καινοτόμες μέθοδοι θέρμανσης

Οι τεχνολογίες αποκόλλησης κόλλας χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους θέρμανσης όπως θέρμανση φούρνου, επιλεκτική και επαγωγική θέρμανση. Η θέρμανση με Μονάδα ενέργειας ή έργου (δηλαδή, η θέρμανση με αντίσταση και ωμική θέρμανση) είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος στην κατασκευή σύνθετων υλικών που χρησιμοποιείται για ελεγχόμενη θέρμανση της γραμμής συγκόλλησης, συγκόλληση με κόλλα και αξιολόγηση της αποκόλλησης σε συνδέσμους CFRP-εποξειδικής κόλλας με ένα γύρο. Οι αναφορές δείχνουν ότι η θερμοσκληρυνόμενη κόλλα που σκληρύνθηκε με θέρμανση Μονάδα ενέργειας ή έργου κατανάλωνε 4,5 kJ στα 4 kW, ενώ ένα παρόμοιο δείγμα απαιτούσε 3 MJ στα 800 W κατά τη σκλήρυνση σε φούρνο.

Τα συστήματα κόλλας μπορούν να λειτουργήσουν με μη υφασμένα πέπλα για την κατασκευή, την παραγωγή ηλεκτροθερμικών υλικών με γρήγορη απόκριση, την κατασκευή σύνθετου πολυστρωματικού υλικού με διαδικασία θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου, την ανίχνευση ζημιών και την παρακολούθηση σε σύνθετα υλικά και κολλητικά συνδεδεμένους αρμούς.

Γεφύρωση του χάσματος της γνώσης

Αυτή η εργασία στοχεύει να αντιμετωπίσει τα ακόλουθα κενά στην υπάρχουσα βιβλιογραφία: (i) ανάπτυξη μιας αποτελεσματικής τεχνικής αποκόλλησης για δομικά συγκολλημένα συγκολλητικά GFRP προστατεύοντάς τα από τις αρνητικές επιπτώσεις της θερμομηχανικής αποκόλλησης και (ii) αξιολόγηση της θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου ως ενεργειακά αποδοτικής μέθοδος θέρμανσης για την αποκόλληση των αρμών.

Η παρούσα μελέτη υιοθετεί μια μοναδική προσέγγιση χρήσης της μεθόδου θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου για την αποδέσμευση διαμορφώσεων αρμών που είναι κατασκευασμένες από πέπλα από ανθρακονήματα που εμπλέκονται με εποξειδικό. Οι έρευνες περιλαμβάνουν: (i) τα επιφανειακά χαρακτηριστικά του GFRP μετά την επιφανειακή επεξεργασία, (ii) την επίδραση της παρεμβολής διαφορετικών πέπλων από ίνες άνθρακα σε εποξειδικές συγκολλητικές αρθρώσεις στις θερμικές και μηχανικές τους ιδιότητες, (iii) τα χαρακτηριστικά θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου διαφορετικών διαμορφώσεων πέπλων από ίνες άνθρακα , και (iv) τη σύγκριση των δοκιμών θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου με αποτελέσματα συζευγμένης θερμικής-ηλεκτρικής προσομοίωσης με βάση πεπερασμένα στοιχεία και αποτελέσματα λύσεων που βασίζονται στη μηχανική μάθηση.

Μεθοδολογία

Υλικά και Προετοιμασία Δείγματος:
Τρεις τύποι πέπλων από ανθρακονήματα επιλέχθηκαν για αυτή τη μελέτη, ο καθένας με ποικίλες διαμέτρους ινών και τοπικές πυκνότητες. Τα πέπλα παρεμβλήθηκαν με συστήματα εποξειδικής κόλλας και τοποθετήθηκαν μεταξύ συγκολλητικών GFRP. Τα δείγματα παρασκευάστηκαν ακολουθώντας τυπικές διαδικασίες για τη συγκόλληση με κόλλα, διασφαλίζοντας σταθερό πάχος στρώσης κόλλας και ευθυγράμμιση των στρωμάτων GFRP.

Μηχανική δοκιμή:
Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές διατμητικής αντοχής (LSS) για την αξιολόγηση της μηχανικής απόδοσης των συνδεδεμένων αρμών. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με καθαρές εποξειδικές διαμορφώσεις. Πρόσθετες μηχανικές ιδιότητες, όπως ο συντελεστής αποθήκευσης, μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA).

Θερμικός και Ηλεκτρικός Χαρακτηρισμός:
Η θερμική διάχυση και η ειδική θερμοχωρητικότητα (Cp) μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης (DSC). Προσδιορίστηκε επίσης η θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg). Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας για την αξιολόγηση των δυνατοτήτων θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου των διαπλεκόμενων αρμών από πέπλο από ανθρακονήματα.

Ανάλυση FTIR:
Η υπέρυθρη φασματοσκοπία μετασχηματισμού Φουριέ (FTIR) χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των χημικών δομών των θερμαινόμενων εποξειδικών δειγμάτων και των σύνθετων δειγμάτων που κατασκευάζονται από παρεμβαλλόμενο πέπλο ινών άνθρακα. Τα δείγματα θερμάνθηκαν στους 100 °C για 1 λεπτό για να παρατηρηθούν τυχόν πιθανές χημικές αλλαγές.

Τραχύτητα επιφάνειας και διαβρεξιμότητα:
Οι μετρήσεις τραχύτητας επιφάνειας διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας ένα προφιλόμετρο για την αξιολόγηση των επιφανειακών χαρακτηριστικών των προσκολλημένων GFRP. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις γωνίας επαφής νερού για να αξιολογηθεί η διαβρεξιμότητα των επεξεργασμένων επιφανειών.

Προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων και μηχανική μάθηση:
Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων για τη μοντελοποίηση της συζευγμένης θερμοηλεκτρικής συμπεριφοράς των συνδεδεμένων αρμών κατά τη θέρμανση Μονάδα ενέργειας ή έργου. Αναπτύχθηκε επίσης ένα μοντέλο μηχανικής μάθησης για την πρόβλεψη της θερμοκρασίας θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου με βάση τις παραμέτρους εισόδου. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και της ML συγκρίθηκαν με πειραματικά δεδομένα για την επικύρωση των μοντέλων.

Πειράματα θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου:
Πραγματοποιήθηκαν πειράματα θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου για να αξιολογηθεί η διαδικασία αποκόλλησης. Οι συνδεδεμένοι σύνδεσμοι υποβλήθηκαν σε ηλεκτρικό ρεύμα και παρακολουθήθηκε το προφίλ θερμοκρασίας. Καταγράφηκαν χαρακτηριστικά αποκόλλησης όπως δύναμη, απαιτήσεις χρόνου και σχίσιμο ινών στις προσκολλημένες επιφάνειες.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Η παρεμβολή των πέπλων από ανθρακονήματα βελτίωσε σημαντικά τις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες των συγκολλητικών αρμών. Το LSS των αρθρώσεων αυξήθηκε, υποδεικνύοντας ενισχυμένη αντοχή συγκόλλησης. Ο συντελεστής αποθήκευσης και η θερμική διάχυση παρουσίασαν επίσης βελτιώσεις, ενώ η Cp και η Tg μειώθηκαν, υποδηλώνοντας καλύτερες δυνατότητες θερμικής διαχείρισης.

Η ανάλυση FTIR επιβεβαίωσε ότι δεν υπήρχαν σημαντικές χημικές αλλαγές στα θερμαινόμενα δείγματα, υποδεικνύοντας ότι η διαδικασία παρεμβολής δεν άλλαξε τη χημική δομή της κόλλας. Οι μετρήσεις τραχύτητας επιφάνειας και διαβρεξιμότητας αποκάλυψαν βελτιωμένα χαρακτηριστικά επιφάνειας, συμβάλλοντας στην καλύτερη πρόσφυση.

Οι προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων και τα μοντέλα μηχανικής μάθησης έδειξαν καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα, επικυρώνοντας την ακρίβεια των μοντέλων πρόβλεψης. Τα πειράματα θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου έδειξαν αποτελεσματική αποκόλληση με ελάχιστες απαιτήσεις δύναμης και χρόνου και χωρίς σχίσιμο ινών στις επιφάνειες προσκόλλησης.

Αυτή η μελέτη καταδεικνύει την αποτελεσματικότητα της χρήσης πέπλων από ανθρακονήματα που παρεμβάλλονται με συστήματα εποξειδικής κόλλας για την αποκόλληση συγκολλητικών αρμών GFRP μέσω θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου. Η διαδικασία παρεμβολής βελτιώνει τις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες των αρμών και η θέρμανση Μονάδα ενέργειας ή έργου παρέχει μια ενεργειακά αποδοτική και αποτελεσματική μέθοδο αποκόλλησης. Η συνδυασμένη χρήση προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων και μοντέλων μηχανικής μάθησης προσφέρει ακριβείς προβλέψεις της συμπεριφοράς θέρμανσης Μονάδα ενέργειας ή έργου, καθιστώντας αυτή την προσέγγιση μια πολλά υποσχόμενη λύση για αποκόλληση κατ' απαίτηση σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές.