디본딩 기술 탐색

탄소 섬유 베일은 접착식으로 결합된 복합 조인트를 분리할 수 있는 얇은 부직포 소재입니다. 본 연구에서는 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP) 층 사이에 끼워진 에폭시 접착제 시스템의 기계적, 열적, 전기적 특성에 대한 세 가지 탄소 섬유 베일의 효과를 조사합니다.

깔끔한 에폭시 구성과 비교하여 탄소 섬유 베일을 인터리빙하면 접착 조인트의 저장 탄성률, 열 확산도 및 LSS(랩 전단 강도)가 향상되는 동시에 비열 용량(CP) 및 유리 전이 온도(Tg)가 낮아집니다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 분석에 따르면 가열된 에폭시 샘플과 100% u00b0C에서 1분 동안 두 개의 에폭시 필름 접착층 사이에 삽입된 탄소 섬유 베일을 끼워 만든 복합재 샘플은 화학 구조에서 감지 가능한 변화를 나타내지 않은 것으로 나타났습니다.

GFRP 부착물의 습윤성을 조사하기 위해 표면 거칠기 및 물 접촉각 측정을 수행했습니다. 유한 요소 결합 열-전기 시뮬레이션과 기계 학습 기반 솔루션은 줄 가열 실험과 잘 일치하는 것으로 나타났습니다. 줄(줄) 가열을 통한 열역학적 분리는 낮은 힘과 시간 요구 사항, 접착 표면의 섬유 찢어짐 없음, 접합부의 결합 영역의 선택적 가열과 같은 효과적인 분리 특성을 보여주었습니다.

산업 응용 및 이점

접착 결합은 경량 기능성, 다용성, 균일한 응력 분포, 내식성 및 비용 효율성으로 인해 항공우주, 자동차, 건설 및 스포츠 장비와 같은 산업 응용 분야에서 큰 주목을 받아 왔습니다. 그러나 접착 접합부는 온도와 습도에 민감하여 내구성이 저하될 수 있습니다.

접착 결합 조인트는 섬유 강화 폴리머 복합재의 구조적 응용 분야에서도 점점 더 중요해지고 있습니다. 항공우주 산업에서는 이러한 경량 폴리머 복합재가 연료 소비 및 CO2 배출을 줄여 경제적 수익을 개선하고 지속 가능한 솔루션을 제공하기 때문에 복합재를 우선시합니다.

또한, 유리섬유 강화 폴리머(GFRP)와 탄소섬유 강화 폴리머 매트릭스(CFRP) 복합재를 재활용해야 할 필요성이 커지고 있습니다. 수명이 다한 차량(ELV)에 관한 국제 법안은 복합재의 재활용, 복구 및 재사용 비율을 높이고 접착 재료를 손상 없이 분리해야 하는 중요한 이니셔티브입니다. 결과적으로, 기계적 분리를 기반으로 한 현재의 분리 기술은 힘들고 비용이 많이 들고 피착체 재료를 손상시킬 위험이 있기 때문에 주문형 분리 접착제 기술의 개발이 증가하는 추세입니다.

개발된 분리 기술은 항공우주, 풍력 에너지, 자동차, 조선 및 기타 여러 산업 분야에서 접착식 복합 조인트 또는 금속 복합 하이브리드 조인트의 주문형 분리에 유용할 것입니다.

혁신적인 가열 방법

접착제 분리 기술은 오븐 가열, 선택적 가열, 유도 가열 등 다양한 가열 방법을 사용합니다. 줄 가열(즉, 저항 및 옴 가열)은 결합선의 가열 제어, 접착제 결합 및 CFRP-에폭시 접착제 단일 랩 조인트의 분리 평가에 사용되는 복합재 제조에서 유망한 방법입니다. 보고서에 따르면 주울 가열로 경화된 열경화성 접착제는 4kW에서 4.5kJ를 소비한 반면 유사한 샘플은 오븐 경화 중에 800W에서 3MJ가 필요했습니다.

접착 시스템은 부직포 베일로 기능화하여 신속한 반응성을 지닌 전열 재료 생산, 줄 가열 공정을 통한 복합 라미네이트 제조, 손상 감지 및 복합 재료 및 접착 결합 조인트 모니터링을 위해 기능화할 수 있습니다.

지식 격차 해소

이 작업은 기존 문헌의 다음과 같은 격차를 해결하는 것을 목표로 합니다. (i) 구조적으로 접착된 GFRP 피착체에 대한 효과적인 분리 기술을 개발하는 동시에 열역학적 분리의 부정적인 영향으로부터 보호하고, (ii) 줄 가열을 에너지 효율적인 것으로 평가합니다. 접합부를 분리하기 위한 가열 방법.

본 연구는 에폭시로 인터리브된 탄소 섬유 베일로 만든 조인트 구성을 분리하기 위해 줄 가열 방법을 활용하는 독특한 접근 방식을 채택했습니다. 조사에는 다음이 포함됩니다: (i) 표면 처리 후 GFRP의 표면 특성, (ii) 에폭시 접착 조인트에 서로 다른 탄소 섬유 베일을 삽입하는 것이 열적 및 기계적 특성에 미치는 영향, (iii) 다양한 탄소 섬유 베일 구성의 줄 가열 특성 (iv) 주울 가열 테스트와 유한 요소 기반 결합 열-전기 시뮬레이션 결과 및 기계 학습 기반 솔루션 결과의 비교.

방법론

재료 및 시편 준비:
이 연구를 위해 세 가지 유형의 탄소 섬유 베일이 선택되었으며, 각각은 섬유 직경과 면적 밀도가 다릅니다. 베일은 에폭시 접착제 시스템으로 인터리브되었으며 GFRP 접착체 사이에 끼워졌습니다. 일관된 접착제 층 두께와 GFRP 층의 정렬을 보장하기 위해 접착제 결합을 위한 표준 절차에 따라 시편을 준비했습니다.

기계적 테스트:
접착 조인트의 기계적 성능을 평가하기 위해 랩 전단 강도(LSS) 테스트를 수행했습니다. 테스트는 실온에서 수행되었으며 결과는 깔끔한 에폭시 구성과 비교되었습니다. 저장 탄성률과 같은 추가 기계적 특성은 DMA(동적 기계 분석)를 사용하여 측정되었습니다.

열적 및 전기적 특성:
열확산율과 비열용량(CP)은 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 측정되었습니다. 유리 전이 온도(Tg)도 측정되었습니다. 탄소 섬유 베일 인터리브 조인트의 줄 가열 능력을 평가하기 위해 전기 전도도 측정이 수행되었습니다.

FTIR 분석:
푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하여 가열된 에폭시 샘플과 인터리빙 탄소 섬유 베일로 만든 복합 샘플의 화학 구조를 분석했습니다. 잠재적인 화학적 변화를 관찰하기 위해 샘플을 100% u00b℃에서 1분 동안 가열했습니다.

표면 거칠기 및 습윤성:
GFRP 부착물의 표면 특성을 평가하기 위해 프로파일로미터를 사용하여 표면 거칠기 측정을 수행했습니다. 처리된 표면의 습윤성을 평가하기 위해 물 접촉각 측정을 수행했습니다.

유한 요소 시뮬레이션 및 기계 학습:
주울 가열 동안 접합 조인트의 결합된 열-전기 거동을 모델링하기 위해 유한 요소 시뮬레이션이 수행되었습니다. 입력 매개변수를 기반으로 줄(줄) 가열 온도를 예측하기 위한 기계 학습 모델도 개발되었습니다. 시뮬레이션 및 ML 결과를 실험 데이터와 비교하여 모델을 검증했습니다.

줄 가열 실험:
디본딩 과정을 평가하기 위해 줄 가열 실험을 수행했습니다. 접착된 조인트에 전류를 가하고 온도 프로파일을 모니터링했습니다. 힘, 시간 요구사항, 피착체 표면의 섬유 찢어짐과 같은 분리 특성이 기록되었습니다.

결과 및 토론

탄소 섬유 베일의 인터리빙은 접착 조인트의 기계적 및 열적 특성을 크게 향상시켰습니다. 접합부의 LSS가 증가하여 결합력이 향상되었음을 나타냅니다. 저장 탄성률과 열확산도도 개선된 반면, Cp와 Tg는 감소하여 열 관리 능력이 향상되었음을 시사합니다.

FTIR 분석을 통해 가열된 샘플에 심각한 화학적 변화가 없음이 확인되었으며, 이는 인터리빙 공정이 접착제의 화학 구조를 변경하지 않았음을 나타냅니다. 표면 거칠기 및 습윤성 측정을 통해 표면 특성이 개선되어 접착력이 향상되는 것으로 나타났습니다.

유한 요소 시뮬레이션과 기계 학습 모델은 실험 결과와 잘 일치하여 예측 모델의 정확성을 검증했습니다. 줄(줄) 가열 실험에서는 최소한의 힘과 시간 요구 사항으로 효율적인 분리가 가능하고 접착 표면에 섬유가 찢어지지 않는 것으로 나타났습니다.

이 연구는 주울 가열을 통해 접착제로 결합된 GFRP 조인트를 분리하기 위해 에폭시 접착제 시스템이 삽입된 탄소 섬유 베일을 사용하는 효과를 보여줍니다. 인터리빙 공정은 접합부의 기계적 및 열적 특성을 개선하고 줄 가열은 에너지 효율적이고 효과적인 분리 방법을 제공합니다. 유한 요소 시뮬레이션과 기계 학습 모델을 결합하면 줄(줄) 가열 거동을 정확하게 예측할 수 있으므로 이 접근 방식은 다양한 산업 응용 분야에서 주문형 분리를 위한 유망한 솔루션이 됩니다.