Erkundung der Debonding-Technologie

Carbonfaserschleier sind dünne Vliesstoffe, die das Lösen von geklebten Verbundverbindungen ermöglichen. Diese Studie untersucht die Auswirkungen von drei verschiedenen Kohlefaserschleier auf die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften von Epoxidklebstoffsystemen, die zwischen Schichten aus glasfaserverstärktem Polymer (GFRP) angeordnet sind.

Im Vergleich zu reinen Epoxidkonfigurationen verbessert die Verschachtelung mit Kohlenstofffaserschleier den Speichermodul, die Wärmeleitfähigkeit und die Überlappungsscherfestigkeit (LSS) der Klebeverbindungen, während gleichzeitig die spezifische Wärmekapazität (Cp) und die Glasübergangstemperatur (Tg) gesenkt werden. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Analyse ergab, dass erhitzte Epoxidproben und Verbundproben aus ineinandergreifenden Kohlenstofffaserschleier, die 1 Minute lang bei 100 % °C zwischen zwei Epoxidfilm-Klebeschichten eingelegt waren, keine erkennbare Veränderung ihrer chemischen Strukturen aufwiesen.

Zur Untersuchung der Benetzbarkeit der GFK-Fügeteile wurden Messungen der Oberflächenrauheit und des Wasserkontaktwinkels durchgeführt. Finite-Elemente-gekoppelte thermisch-elektrische Simulationen und auf maschinellem Lernen basierende Lösungen zeigten eine gute Übereinstimmung mit Experimenten zur Jouleschen Erwärmung. Die thermomechanische Ablösung mittels Joule-Erwärmung zeigte wirksame Ablöseeigenschaften wie geringe Kraft- und Zeitanforderungen, kein Reißen der Fasern an der Oberfläche der Fügeteile und selektive Erwärmung des verklebten Bereichs der Verbindungen.

Industrielle Anwendungen und Vorteile

Aufgrund seiner leichten Funktionalität, Vielseitigkeit, gleichmäßigen Spannungsverteilung, Korrosionsbeständigkeit und Kosteneffizienz hat das Kleben in industriellen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Baugewerbe und der Sportausrüstung große Bedeutung erlangt. Allerdings sind Klebeverbindungen temperatur- und feuchtigkeitsempfindlich, was ihre Haltbarkeit vermindern kann.

Auch bei strukturellen Anwendungen faserverstärkter Polymerverbundwerkstoffe gewinnen Klebeverbindungen zunehmend an Bedeutung. Die Luft- und Raumfahrtindustrie priorisiert Verbundwerkstoffe, da diese leichten Polymerverbundstoffe die wirtschaftlichen Erträge verbessern und nachhaltige Lösungen bieten, indem sie den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen reduzieren.

Darüber hinaus besteht ein wachsender Bedarf an der Wiederverwertung von Verbundwerkstoffen aus glasfaserverstärktem Polymer (GFRP) und kohlenstofffaserverstärkter Polymermatrix (CFRP). Die internationale Gesetzgebung zu Altfahrzeugen (End-of-Life Vehicles, ELV) ist eine wichtige Initiative zur Steigerung der Recycling-, Rückgewinnungs- und Wiederverwendungsraten von Verbundwerkstoffen und erfordert eine beschädigungsfreie Debonding-Entfernung von Verbundwerkstoffen. Folglich gibt es einen zunehmenden Trend zur Entwicklung von Debonding-on-Demand-Klebstofftechnologien, da aktuelle Debonding-Technologien, die auf mechanischer Trennung basieren, mühsam und kostspielig sind und das Risiko einer Beschädigung der Klebematerialien bergen.

Die entwickelte Debonding-Technik wird für das bedarfsgesteuerte Debonden von geklebten Verbundverbindungen oder Metall-Verbund-Hybridverbindungen in der Luft- und Raumfahrt, der Windenergie, der Automobilindustrie, dem Schiffbau und vielen anderen Branchen nützlich sein.

Innovative Heizmethoden

Technologien zum Lösen von Klebstoffen nutzen verschiedene Erwärmungsmethoden wie Ofen-, selektive und Induktionserwärmung. Die Joule-Erwärmung (d. h. Widerstands- und Ohmsche Erwärmung) ist eine vielversprechende Methode in der Verbundwerkstoffherstellung, die zur kontrollierten Erwärmung der Verbindungslinie, zur Klebebindung und zur Bewertung der Ablösung in einschichtigen CFK-Epoxidklebstoffverbindungen verwendet wird. Berichten zufolge verbraucht der durch Joule-Heizung ausgehärtete duroplastische Klebstoff 4,5 kJ bei 4 kW, während eine ähnliche Probe während der Aushärtung im Ofen 3 MJ bei 800 W benötigte.

Klebstoffsysteme können durch Vliesstoffschleier für die Herstellung, Herstellung elektrothermischer Materialien mit schneller Reaktionsfähigkeit, Verbundlaminatherstellung durch Joule-Heizungsverfahren, Schadenserkennung und Überwachung in Verbundmaterialien und Klebeverbindungen funktionalisiert werden.

Überbrückung der Wissenslücke

Ziel dieser Arbeit ist es, die folgenden Lücken in der vorhandenen Literatur zu schließen: (i) die Entwicklung einer effektiven Debonding-Technik für strukturell verklebte GFK-Verbindungen, die gleichzeitig vor den negativen Auswirkungen der thermomechanischen Debonding-Technik geschützt wird, und (ii) die Bewertung der Joule'schen Erwärmung als energieeffiziente Methode Erwärmungsmethode zum Lösen der Verbindungen.

Die vorliegende Studie verfolgt einen einzigartigen Ansatz und nutzt die Joule-Erwärmungsmethode, um Verbindungskonfigurationen zu lösen, die aus mit Epoxidharz durchzogenen Kohlenstofffaserschleier bestehen. Die Untersuchungen umfassen: (i) Oberflächeneigenschaften von GFK nach der Oberflächenbehandlung, (ii) den Einfluss der Verschachtelung verschiedener Kohlenstofffaserschleier in Epoxidklebstoffverbindungen auf deren thermische und mechanische Eigenschaften, (iii) die Jouleschen Erwärmungseigenschaften verschiedener Kohlenstofffaserschleierkonfigurationen und (iv) der Vergleich von Joule-Erwärmungstests mit gekoppelten thermisch-elektrischen Simulationsergebnissen auf Finite-Elemente-Basis und auf maschinellem Lernen basierenden Lösungsergebnissen.

Methodik

Materialien und Probenvorbereitung:
Für diese Studie wurden drei Arten von Kohlefaserschleier ausgewählt, jeweils mit unterschiedlichen Faserdurchmessern und Flächendichten. Die Schleier wurden mit Epoxidklebstoffsystemen durchzogen und zwischen GFRP-Klebeflächen eingelegt. Die Proben wurden nach Standardverfahren für die Klebeverbindung hergestellt, um eine gleichmäßige Dicke der Klebeschicht und Ausrichtung der GFRP-Schichten sicherzustellen.

Mechanische Prüfung:
Zur Bewertung der mechanischen Leistung der Klebeverbindungen wurden Tests zur Überlappungsscherfestigkeit (LSS) durchgeführt. Die Tests wurden bei Raumtemperatur durchgeführt und die Ergebnisse mit reinen Epoxidkonfigurationen verglichen. Zusätzliche mechanische Eigenschaften, wie z. B. der Speichermodul, wurden mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) gemessen.

Thermische und elektrische Charakterisierung:
Die Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität (Cp) wurden mittels Differentialscanningkalorimetrie (DSC) gemessen. Außerdem wurde die Glasübergangstemperatur (Tg) bestimmt. Es wurden elektrische Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt, um die Joulesche Erwärmungsfähigkeit der verschachtelten Kohlefaserschleierverbindungen zu beurteilen.

FTIR-Analyse:
Mithilfe der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden die chemischen Strukturen erhitzter Epoxidproben und Verbundproben aus ineinander verschlungenen Kohlenstofffaserschleier analysiert. Die Proben wurden 1 Minute lang auf 100 % erhitzt, um mögliche chemische Veränderungen zu beobachten.

Oberflächenrauheit und Benetzbarkeit:
Messungen der Oberflächenrauheit wurden mit einem Profilometer durchgeführt, um die Oberflächeneigenschaften der GFK-Fügeteile zu beurteilen. Messungen des Wasserkontaktwinkels wurden durchgeführt, um die Benetzbarkeit der behandelten Oberflächen zu bewerten.

Finite-Elemente-Simulationen und maschinelles Lernen:
Finite-Elemente-Simulationen wurden durchgeführt, um das gekoppelte thermisch-elektrische Verhalten der Klebeverbindungen während der Joule-Erwärmung zu modellieren. Außerdem wurde ein Modell für maschinelles Lernen entwickelt, um die Joulesche Erwärmungstemperatur basierend auf den Eingabeparametern vorherzusagen. Die Simulations- und ML-Ergebnisse wurden mit experimentellen Daten verglichen, um die Modelle zu validieren.

Joule-Erwärmungsexperimente:
Um den Debonding-Prozess zu bewerten, wurden Joule-Erwärmungsexperimente durchgeführt. Die Klebeverbindungen wurden mit elektrischem Strom beaufschlagt und das Temperaturprofil überwacht. Ablöseeigenschaften wie Kraft, Zeitbedarf und Faserriss auf den Klebeflächen wurden aufgezeichnet.

Resultate und Diskussion

Durch die Verschachtelung von Carbonfaservliesen konnten die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Klebeverbindungen deutlich verbessert werden. Der LSS der Verbindungen nahm zu, was auf eine erhöhte Bindungsstärke hinweist. Auch der Speichermodul und die Wärmeleitfähigkeit zeigten Verbesserungen, während Cp und Tg abnahmen, was auf bessere Wärmemanagementfähigkeiten hindeutet.

Die FTIR-Analyse bestätigte, dass es in den erhitzten Proben keine signifikanten chemischen Veränderungen gab, was darauf hindeutet, dass der Verschachtelungsprozess die chemische Struktur des Klebstoffs nicht veränderte. Messungen der Oberflächenrauheit und Benetzbarkeit ergaben verbesserte Oberflächeneigenschaften, die zu einer besseren Haftung beitragen.

Finite-Elemente-Simulationen und Modelle des maschinellen Lernens zeigten eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen und bestätigten die Genauigkeit der Vorhersagemodelle. Joule-Erwärmungsexperimente zeigten eine effiziente Ablösung mit minimalem Kraft- und Zeitaufwand und kein Reißen der Fasern auf den Klebeflächen.

Diese Studie zeigt die Wirksamkeit der Verwendung von mit Epoxidklebstoffsystemen durchsetzten Kohlefaserschleier zum Lösen von geklebten GFK-Verbindungen mittels Joule-Erwärmung. Der Verschachtelungsprozess verbessert die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Verbindungen und die Joule-Erwärmung sorgt für eine energieeffiziente und effektive Lösungsmethode. Der kombinierte Einsatz von Finite-Elemente-Simulationen und Modellen des maschinellen Lernens ermöglicht genaue Vorhersagen des Jouleschen Erwärmungsverhaltens, was diesen Ansatz zu einer vielversprechenden Lösung für die bedarfsgesteuerte Debondung in verschiedenen industriellen Anwendungen macht.