Explorando a tecnologia de descolamento

Os véus de fibra de carbono são materiais não tecidos finos que permitem a separação de juntas compostas adesivas. Este estudo examina os efeitos de três diferentes véus de fibra de carbono nas características mecânicas, térmicas e elétricas de sistemas adesivos epóxi imprensados ​​entre camadas de polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP).

Em comparação com configurações puras de epóxi, a intercalação com véus de fibra de carbono aumenta o módulo de armazenamento, a difusividade térmica e a resistência ao cisalhamento (LSS) das juntas adesivas, ao mesmo tempo que reduz a capacidade de calor específico (Cp) e a temperatura de transição vítrea (Tg). A análise de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) revelou que amostras de epóxi aquecidas e amostras compostas feitas de entrelaçamento de véu de fibra de carbono imprensado entre duas camadas adesivas de filme epóxi a 100% C por 1 min não exibiram nenhuma alteração detectável em suas estruturas químicas.

Medições de rugosidade superficial e ângulo de contato com água foram realizadas para investigar a molhabilidade dos aderentes de GFRP. Simulações termoelétricas acopladas a elementos finitos e soluções baseadas em aprendizado de máquina apresentaram boa concordância com experimentos de aquecimento Joule. A desvinculação termomecânica via aquecimento Joule demonstrou características de desvinculação eficazes, como baixos requisitos de força e tempo, ausência de rompimento das fibras na superfície dos aderentes e aquecimento seletivo da região colada das juntas.

Aplicações Industriais e Benefícios

A ligação adesiva ganhou atenção significativa em aplicações industriais, como aeroespacial, automotiva, construção e equipamentos esportivos devido à sua funcionalidade leve, versatilidade, distribuição uniforme de tensão, resistência à corrosão e economia. No entanto, as juntas adesivas são sensíveis à temperatura e à humidade, o que pode reduzir a sua durabilidade.

As juntas adesivas também estão se tornando cada vez mais importantes nas aplicações estruturais de compósitos poliméricos reforçados com fibras. A indústria aeroespacial dá prioridade aos materiais compósitos porque estes compósitos poliméricos leves melhoram os retornos económicos e fornecem soluções sustentáveis, reduzindo o consumo de combustível e as emissões de CO2.

Além disso, há uma necessidade crescente de reciclar compósitos de polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP) e matriz polimérica reforçada com fibra de carbono (CFRP). A legislação internacional sobre Veículos em Fim de Vida (ELV) é uma iniciativa importante para aumentar as taxas de reciclagem, recuperação e reutilização de compósitos, necessitando de uma descolagem livre de danos dos materiais aderentes. Consequentemente, existe uma tendência crescente no desenvolvimento de tecnologias adesivas de descolagem a pedido, uma vez que as actuais tecnologias de descolagem baseadas na separação mecânica são laboriosas, dispendiosas e correm o risco de danificar os materiais aderentes.

A técnica de descolamento desenvolvida será útil para descolamento sob demanda de juntas compostas adesivas ou juntas híbridas de metal-composto nas indústrias aeroespacial, de energia eólica, automotiva, de construção naval e em muitas outras indústrias.

Métodos de aquecimento inovadores

As tecnologias de descolagem adesiva empregam vários métodos de aquecimento, como aquecimento em forno, seletivo e por indução. O aquecimento Joule (ou seja, resistência e aquecimento ôhmico) é um método promissor na fabricação de compósitos usado para aquecimento controlado da linha de colagem, ligação adesiva e avaliação de descolagem em juntas de cola única com adesivo CFRP-epóxi. Os relatórios indicam que o adesivo termofixo curado por aquecimento Joule consumiu 4,5 kJ a 4 kW, enquanto uma amostra semelhante exigiu 3 MJ a 800 W durante a cura em forno.

Os sistemas adesivos podem ser funcionalizados por véus não tecidos para fabricação, produção de materiais eletrotérmicos com rápida capacidade de resposta, fabricação de laminados compósitos pelo processo de aquecimento Joule, detecção de danos e monitoramento em materiais compósitos e juntas adesivas.

Preenchendo a lacuna de conhecimento

Este trabalho visa abordar as seguintes lacunas na literatura existente: (i) desenvolver uma técnica de descolamento eficaz para aderentes estruturais de GFRP ligados adesivamente, protegendo-os dos efeitos negativos do descolamento termomecânico, e (ii) avaliar o aquecimento Joule como um método energeticamente eficiente. método de aquecimento para descolamento das juntas.

O presente estudo adota uma abordagem única de utilização do método de aquecimento Joule para desvincular configurações de juntas feitas de véus de fibra de carbono intercalados com epóxi. As investigações incluem: (i) características de superfície de GFRP após tratamento de superfície, (ii) a influência da intercalação de diferentes véus de fibra de carbono em juntas adesivas epóxi em suas propriedades térmicas e mecânicas, (iii) as características de aquecimento Joule de diferentes configurações de véu de fibra de carbono , e (iv) a comparação de testes de aquecimento Joule com resultados de simulação termoelétrica acoplada baseada em elementos finitos e resultados de solução baseada em aprendizado de máquina.

Metodologia

Preparação de materiais e amostras:
Três tipos de véus de fibra de carbono foram selecionados para este estudo, cada um com diâmetros de fibra e densidades de área variados. Os véus foram intercalados com sistemas adesivos epóxi e imprensados ​​entre aderentes de GFRP. As amostras foram preparadas seguindo procedimentos padrão para colagem adesiva, garantindo espessura consistente da camada adesiva e alinhamento das camadas de GFRP.

Teste Mecânico:
Testes de resistência ao cisalhamento (LSS) foram realizados para avaliar o desempenho mecânico das juntas coladas. Os testes foram realizados à temperatura ambiente e os resultados foram comparados com configurações puras de epóxi. Propriedades mecânicas adicionais, como módulo de armazenamento, foram medidas usando análise mecânica dinâmica (DMA).

Caracterização Térmica e Elétrica:
A difusividade térmica e a capacidade térmica específica (Cp) foram medidas por calorimetria exploratória diferencial (DSC). A temperatura de transição vítrea (Tg) também foi determinada. Medições de condutividade elétrica foram realizadas para avaliar as capacidades de aquecimento Joule das juntas intercaladas com véu de fibra de carbono.

Análise FTIR:
A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foi usada para analisar as estruturas químicas de amostras de epóxi aquecidas e amostras compostas feitas de véu de fibra de carbono intercalado. As amostras foram aquecidas a 100% C por 1 min para observar quaisquer alterações químicas potenciais.

Rugosidade e molhabilidade da superfície:
As medições de rugosidade superficial foram realizadas utilizando um perfilômetro para avaliar as características superficiais dos aderentes de GFRP. Medições do ângulo de contato com a água foram realizadas para avaliar a molhabilidade das superfícies tratadas.

Simulações de elementos finitos e aprendizado de máquina:
Simulações de elementos finitos foram realizadas para modelar o comportamento termoelétrico acoplado das juntas coladas durante o aquecimento Joule. Um modelo de aprendizado de máquina também foi desenvolvido para prever a temperatura de aquecimento Joule com base nos parâmetros de entrada. Os resultados da simulação e ML foram comparados com dados experimentais para validar os modelos.

Experimentos de aquecimento Joule:
Experimentos de aquecimento Joule foram realizados para avaliar o processo de descolamento. As juntas coladas foram submetidas a corrente elétrica e o perfil de temperatura foi monitorado. Características de descolamento, como força, requisitos de tempo e rompimento das fibras nas superfícies aderentes, foram registradas.

Resultados e discussão

A intercalação de véus de fibra de carbono melhorou significativamente as propriedades mecânicas e térmicas das juntas adesivas. O LSS das juntas aumentou, indicando maior resistência de união. O módulo de armazenamento e a difusividade térmica também apresentaram melhorias, enquanto Cp e Tg diminuíram, sugerindo melhores capacidades de gerenciamento térmico.

A análise FTIR confirmou que não houve alterações químicas significativas nas amostras aquecidas, indicando que o processo de intercalação não alterou a estrutura química do adesivo. As medições de rugosidade superficial e molhabilidade revelaram melhores características superficiais, contribuindo para uma melhor adesão.

Simulações de elementos finitos e modelos de aprendizado de máquina apresentaram boa concordância com resultados experimentais, validando a precisão dos modelos preditivos. Experimentos de aquecimento Joule demonstraram descolamento eficiente com requisitos mínimos de força e tempo, e sem ruptura de fibra nas superfícies aderentes.

Este estudo demonstra a eficácia do uso de véus de fibra de carbono intercalados com sistemas adesivos epóxi para descolagem de juntas GFRP coladas por meio de aquecimento Joule. O processo de intercalação melhora as propriedades mecânicas e térmicas das juntas, e o aquecimento Joule fornece um método de descolamento eficiente e eficiente em termos energéticos. O uso combinado de simulações de elementos finitos e modelos de aprendizado de máquina oferece previsões precisas do comportamento do aquecimento Joule, tornando esta abordagem uma solução promissora para descolamento sob demanda em diversas aplicações industriais.