Explorando la tecnología de desunión

Los velos de fibra de carbono son materiales finos no tejidos que permiten despegar juntas de composite unidas con adhesivo. Este estudio examina los efectos de tres velos diferentes de fibra de carbono sobre las características mecánicas, térmicas y eléctricas de los sistemas adhesivos epóxicos intercalados entre capas de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP).

En comparación con las configuraciones puras de epoxi, el entrelazado con velos de fibra de carbono mejora el módulo de almacenamiento, la difusividad térmica y la resistencia al corte por solapamiento (LSS) de las juntas adhesivas, al tiempo que reduce la capacidad calorífica específica (Cp) y la temperatura de transición vítrea (Tg). El análisis de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) reveló que las muestras de epoxi calentadas y las muestras compuestas hechas de un velo de fibra de carbono entrelazado intercalado entre dos capas adhesivas de película de epoxi a 100 % u00b0C durante 1 minuto no exhibieron ningún cambio detectable en sus estructuras químicas.

Se realizaron mediciones de la rugosidad de la superficie y del ángulo de contacto con el agua para investigar la humectabilidad de los adherentes de GFRP. Las simulaciones termoeléctricas acopladas con elementos finitos y las soluciones basadas en aprendizaje automático mostraron una buena concordancia con los experimentos de calentamiento de Joule. La desunión termomecánica mediante calentamiento Joule demostró características de desunión efectivas, como bajos requisitos de fuerza y ​​tiempo, sin desgarro de fibras en la superficie de los adherentes y calentamiento selectivo de la región unida de las juntas.

Aplicaciones y beneficios industriales

La unión adhesiva ha ganado una atención significativa en aplicaciones industriales como la aeroespacial, automotriz, de construcción y de equipos deportivos debido a su funcionalidad liviana, versatilidad, distribución uniforme de tensiones, resistencia a la corrosión y rentabilidad. Sin embargo, las uniones unidas con adhesivo son sensibles a la temperatura y la humedad, lo que puede reducir su durabilidad.

Las uniones unidas mediante adhesivo también son cada vez más importantes en las aplicaciones estructurales de compuestos poliméricos reforzados con fibras. La industria aeroespacial da prioridad a los materiales compuestos porque estos compuestos poliméricos livianos mejoran los retornos económicos y brindan soluciones sostenibles al reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2.

Además, existe una creciente necesidad de reciclar compuestos de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) y de matriz polimérica reforzada con fibra de carbono (CFRP). La legislación internacional sobre vehículos al final de su vida útil (ELV) es una iniciativa importante para aumentar las tasas de reciclaje, recuperación y reutilización de compuestos, lo que requiere una separación sin daños de los materiales adherentes. En consecuencia, existe una tendencia creciente en el desarrollo de tecnologías adhesivas de desunión bajo demanda, ya que las tecnologías de desunión actuales basadas en separación mecánica son laboriosas, costosas y corren el riesgo de dañar los materiales adherentes.

La técnica de desunión desarrollada será útil para el desunido bajo demanda de uniones compuestas unidas con adhesivo o uniones híbridas de metal-compuesto en las industrias aeroespacial, de energía eólica, automotriz, de construcción naval y muchas otras.

Métodos innovadores de calefacción

Las tecnologías de desunión de adhesivos emplean varios métodos de calentamiento, como el calentamiento en horno, selectivo y por inducción. El calentamiento Joule (es decir, calentamiento por resistencia y óhmico) es un método prometedor en la fabricación de compuestos que se utiliza para el calentamiento controlado de la línea de unión, la unión adhesiva y la evaluación de la desunión en juntas de una sola vuelta con adhesivo epoxi-CFRP. Los informes indican que el adhesivo termoestable curado mediante calentamiento Joule consumió 4,5 kJ a 4 kW, mientras que una muestra similar requirió 3 MJ a 800 W durante el curado en horno.

Los sistemas adhesivos se pueden funcionalizar mediante velos no tejidos para la fabricación, la producción de materiales electrotérmicos con una capacidad de respuesta rápida, la fabricación de laminados compuestos mediante el proceso de calentamiento Joule, la detección de daños y el monitoreo en materiales compuestos y uniones unidas adhesivamente.

Cerrando la brecha de conocimiento

Este trabajo tiene como objetivo abordar las siguientes lagunas en la literatura existente: (i) desarrollar una técnica de desunión efectiva para adherentes de GFRP unidos mediante adhesivo estructural mientras se protegen de los efectos negativos de la desunión termomecánica, y (ii) evaluar el calentamiento Joule como un método energéticamente eficiente. Método de calentamiento para despegar las juntas.

El presente estudio adopta un enfoque único al utilizar el método de calentamiento Joule para despegar configuraciones de juntas hechas de velos de fibra de carbono intercalados con epoxi. Las investigaciones incluyen: (i) características de la superficie de GFRP después del tratamiento de la superficie, (ii) la influencia del entrelazado de diferentes velos de fibra de carbono en uniones adhesivas epoxi sobre sus propiedades térmicas y mecánicas, (iii) las características de calentamiento Joule de diferentes configuraciones de velo de fibra de carbono y (iv) la comparación de las pruebas de calentamiento de Joule con resultados de simulación termoeléctrica acoplada basada en elementos finitos y resultados de soluciones basadas en aprendizaje automático.

Metodología

Materiales y preparación de muestras:
Para este estudio se seleccionaron tres tipos de velos de fibra de carbono, cada uno con diferentes diámetros de fibra y densidades de área. Los velos se intercalaron con sistemas adhesivos epoxi y se intercalaron entre adherentes de GFRP. Las muestras se prepararon siguiendo procedimientos estándar para la unión adhesiva, asegurando un espesor uniforme de la capa adhesiva y la alineación de las capas de GFRP.

Pruebas mecánicas:
Se realizaron pruebas de resistencia al corte por solape (LSS) para evaluar el desempeño mecánico de las uniones adheridas. Las pruebas se realizaron a temperatura ambiente y los resultados se compararon con configuraciones de epoxi puras. Se midieron propiedades mecánicas adicionales, como el módulo de almacenamiento, mediante análisis mecánico dinámico (DMA).

Caracterización Térmica y Eléctrica:
La difusividad térmica y la capacidad calorífica específica (Cp) se midieron mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). También se determinó la temperatura de transición vítrea (Tg). Se realizaron mediciones de conductividad eléctrica para evaluar las capacidades de calentamiento Joule de las uniones entrelazadas del velo de fibra de carbono.

Análisis FTIR:
Se utilizó espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para analizar las estructuras químicas de muestras de epoxi calentadas y muestras compuestas hechas de velo de fibra de carbono entrelazado. Las muestras se calentaron al 100 % u00b0C durante 1 min para observar cualquier posible cambio químico.

Rugosidad y humectabilidad de la superficie:
Las mediciones de rugosidad de la superficie se realizaron utilizando un perfilómetro para evaluar las características de la superficie de los adherentes de GFRP. Se realizaron mediciones del ángulo de contacto con el agua para evaluar la humectabilidad de las superficies tratadas.

Simulaciones de elementos finitos y aprendizaje automático:
Se llevaron a cabo simulaciones de elementos finitos para modelar el comportamiento termoeléctrico acoplado de las uniones adheridas durante el calentamiento Joule. También se desarrolló un modelo de aprendizaje automático para predecir la temperatura de calentamiento Joule en función de los parámetros de entrada. Los resultados de la simulación y ML se compararon con datos experimentales para validar los modelos.

Experimentos de calentamiento Joule:
Se realizaron experimentos de calentamiento Joule para evaluar el proceso de desunión. Las uniones soldadas se sometieron a corriente eléctrica y se controló el perfil de temperatura. Se registraron las características de desunión, como la fuerza, los requisitos de tiempo y el desgarro de las fibras en las superficies adherentes.

Resultados y discusión

El entrelazado de velos de fibra de carbono mejoró significativamente las propiedades mecánicas y térmicas de las uniones adhesivas. El LSS de las uniones aumentó, lo que indica una mayor fuerza de unión. El módulo de almacenamiento y la difusividad térmica también mostraron mejoras, mientras que Cp y Tg disminuyeron, lo que sugiere mejores capacidades de gestión térmica.

El análisis FTIR confirmó que no hubo cambios químicos significativos en las muestras calentadas, lo que indica que el proceso de entrelazado no alteró la estructura química del adhesivo. Las mediciones de rugosidad y humectabilidad de la superficie revelaron características mejoradas de la superficie, lo que contribuye a una mejor adhesión.

Las simulaciones de elementos finitos y los modelos de aprendizaje automático mostraron una buena concordancia con los resultados experimentales, lo que validó la precisión de los modelos predictivos. Los experimentos de calentamiento Joule demostraron una separación eficiente con requisitos mínimos de fuerza y ​​tiempo, y sin desgarro de fibras en las superficies adheridas.

Este estudio demuestra la efectividad del uso de velos de fibra de carbono intercalados con sistemas adhesivos epóxicos para despegar juntas de GFRP adheridas mediante calentamiento Joule. El proceso de entrelazado mejora las propiedades mecánicas y térmicas de las uniones, y el calentamiento Joule proporciona un método de desunión eficaz y energéticamente eficiente. El uso combinado de simulaciones de elementos finitos y modelos de aprendizaje automático ofrece predicciones precisas del comportamiento del calentamiento Joule, lo que convierte a este enfoque en una solución prometedora para la separación bajo demanda en diversas aplicaciones industriales.