Menjelajahi Teknologi Debonding

Selubung serat karbon adalah bahan non-anyaman tipis yang memungkinkan pelepasan ikatan sambungan komposit yang terikat secara perekat. Studi ini menguji pengaruh tiga selubung serat karbon yang berbeda terhadap karakteristik mekanik, termal, dan listrik dari sistem perekat epoksi yang diapit di antara lapisan polimer yang diperkuat serat kaca (GFRP).

Dibandingkan dengan konfigurasi epoksi yang rapi, interleaving dengan selubung serat karbon meningkatkan modulus penyimpanan, difusivitas termal, dan kekuatan geser putaran (LSS) sambungan perekat sekaligus menurunkan kapasitas panas spesifik (Cp) dan suhu transisi kaca (Tg). Analisis spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) mengungkapkan bahwa sampel epoksi yang dipanaskan dan sampel komposit yang terbuat dari selubung serat karbon interleaving yang diapit di antara dua lapisan perekat film epoksi pada suhu 100°C selama 1 menit tidak menunjukkan perubahan apa pun yang terdeteksi dalam struktur kimianya.

Pengukuran kekasaran permukaan dan sudut kontak air dilakukan untuk mengetahui keterbasahan penganut GFRP. Simulasi termal-listrik gabungan elemen hingga dan solusi berbasis pembelajaran mesin menunjukkan kesesuaian yang baik dengan eksperimen pemanasan Joule. Debonding termomekanis melalui pemanasan Joule menunjukkan karakteristik debonding yang efektif seperti persyaratan gaya dan waktu yang rendah, tidak ada robekan serat pada permukaan perekat, dan pemanasan selektif pada area ikatan pada sambungan.

Aplikasi dan Manfaat Industri

Ikatan perekat telah mendapat perhatian besar dalam aplikasi industri seperti ruang angkasa, otomotif, konstruksi, dan peralatan olahraga karena fungsinya yang ringan, keserbagunaan, distribusi tegangan yang seragam, ketahanan terhadap korosi, dan efektivitas biaya. Namun, sambungan yang direkatkan secara perekat sensitif terhadap suhu dan kelembapan, sehingga dapat mengurangi daya tahannya.

Sambungan yang diikat secara adhesif juga menjadi semakin penting dalam aplikasi struktural komposit polimer yang diperkuat serat. Industri dirgantara memprioritaskan material komposit karena komposit polimer ringan ini meningkatkan keuntungan ekonomi dan memberikan solusi berkelanjutan dengan mengurangi konsumsi bahan bakar dan emisi CO2.

Selain itu, terdapat peningkatan kebutuhan untuk mendaur ulang komposit polimer yang diperkuat serat kaca (GFRP) dan matriks polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP). Perundang-undangan internasional tentang End-of-Life Vehicles (ELV) merupakan inisiatif penting untuk meningkatkan tingkat daur ulang, pemulihan, dan penggunaan kembali komposit, sehingga memerlukan pelepasan ikatan material yang melekat tanpa menimbulkan kerusakan. Akibatnya, ada tren peningkatan dalam pengembangan teknologi perekat debonding berdasarkan permintaan, karena teknologi debonding berbasis pemisahan mekanis saat ini memakan waktu, biaya, dan berisiko merusak bahan yang melekat.

Teknik debonding yang dikembangkan akan berguna untuk debonding sambungan komposit yang direkatkan secara perekat atau sambungan hibrida logam-komposit sesuai permintaan di bidang kedirgantaraan, energi angin, otomotif, pembuatan kapal, dan banyak industri lainnya.

Metode Pemanasan Inovatif

Teknologi pelepasan ikatan perekat menggunakan berbagai metode pemanasan seperti oven, pemanasan selektif, dan induksi. Pemanasan joule (yaitu, resistensi dan pemanasan Ohmik) adalah metode yang menjanjikan dalam manufaktur komposit yang digunakan untuk pemanasan terkontrol pada garis ikatan, ikatan perekat, dan evaluasi pelepasan ikatan pada sambungan satu putaran berperekat CFRP-epoksi. Laporan menunjukkan bahwa perekat termoset yang diawetkan dengan pemanasan Joule mengonsumsi 4,5 kJ pada 4 kW, sementara sampel serupa memerlukan 3 MJ pada 800 W selama pengawetan dalam oven.

Sistem perekat dapat difungsikan dengan selubung non-anyaman untuk fabrikasi, memproduksi bahan elektrotermal dengan respons cepat, pembuatan laminasi komposit dengan proses pemanasan Joule, deteksi kerusakan, dan pemantauan pada bahan komposit dan sambungan yang direkatkan secara perekat.

Menjembatani Kesenjangan Pengetahuan

Penelitian ini bertujuan untuk mengatasi kesenjangan berikut dalam literatur yang ada: (i) mengembangkan teknik debonding yang efektif untuk penganut GFRP yang berikatan perekat struktural sekaligus melindungi mereka dari efek negatif debonding termomekanis, dan (ii) mengevaluasi pemanasan Joule sebagai metode yang hemat energi. metode pemanasan untuk melepaskan ikatan sambungan.

Penelitian ini mengadopsi pendekatan unik dengan memanfaatkan metode pemanasan Joule untuk menghilangkan ikatan konfigurasi sambungan yang terbuat dari selubung serat karbon yang disisipkan dengan epoksi. Penyelidikan tersebut mencakup: (i) karakteristik permukaan GFRP setelah perlakuan permukaan, (ii) pengaruh menyisipkan selubung serat karbon yang berbeda ke dalam sambungan perekat epoksi terhadap sifat termal dan mekaniknya, (iii) karakteristik pemanasan Joule dari konfigurasi selubung serat karbon yang berbeda. , dan (iv) perbandingan uji pemanasan Joule dengan hasil simulasi termal-listrik berpasangan berbasis elemen hingga dan hasil solusi berbasis pembelajaran mesin.

Metodologi

Persiapan Bahan dan Spesimen:
Tiga jenis selubung serat karbon dipilih untuk penelitian ini, masing-masing dengan diameter serat dan kepadatan areal yang bervariasi. Tabir tersebut disisipkan dengan sistem perekat epoksi dan diapit di antara penganut GFRP. Spesimen disiapkan mengikuti prosedur standar untuk pengikatan perekat, memastikan ketebalan lapisan perekat yang konsisten dan kesejajaran lapisan GFRP.

Pengujian Mekanis:
Uji kekuatan geser putaran (LSS) dilakukan untuk mengevaluasi kinerja mekanis sambungan yang direkatkan. Pengujian dilakukan pada suhu kamar, dan hasilnya dibandingkan dengan konfigurasi epoksi yang rapi. Sifat mekanik tambahan, seperti modulus penyimpanan, diukur menggunakan analisis mekanik dinamis (DMA).

Karakterisasi Termal dan Listrik:
Difusivitas termal dan kapasitas panas spesifik (Cp) diukur menggunakan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC). Suhu transisi gelas (Tg) juga ditentukan. Pengukuran konduktivitas listrik dilakukan untuk menilai kemampuan pemanasan Joule pada sambungan interleaved selubung serat karbon.

Analisis FTIR:
Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) digunakan untuk menganalisis struktur kimia sampel epoksi yang dipanaskan dan sampel komposit yang terbuat dari selubung serat karbon yang disisipkan. Sampel dipanaskan pada suhu 100 °C selama 1 menit untuk mengamati potensi perubahan kimia.

Kekasaran Permukaan dan Keterbasahan:
Pengukuran kekasaran permukaan dilakukan dengan menggunakan profilometer untuk menilai karakteristik permukaan perekat GFRP. Pengukuran sudut kontak air dilakukan untuk mengevaluasi keterbasahan permukaan yang dirawat.

Simulasi Elemen Hingga dan Pembelajaran Mesin:
Simulasi elemen hingga dilakukan untuk memodelkan perilaku termal-listrik gabungan dari sambungan terikat selama pemanasan Joule. Model pembelajaran mesin juga dikembangkan untuk memprediksi suhu pemanasan Joule berdasarkan parameter masukan. Hasil simulasi dan ML dibandingkan dengan data eksperimen untuk memvalidasi model.

Eksperimen Pemanasan Joule:
Eksperimen pemanasan joule dilakukan untuk mengevaluasi proses debonding. Sambungan yang diikat diberi arus listrik, dan profil suhu dipantau. Karakteristik pelepasan ikatan seperti gaya, kebutuhan waktu, dan robekan serat pada permukaan perekat dicatat.

Hasil dan Diskusi

Interleaving selubung serat karbon secara signifikan meningkatkan sifat mekanik dan termal sambungan perekat. LSS sendi meningkat, menunjukkan peningkatan kekuatan ikatan. Modulus penyimpanan dan difusivitas termal juga menunjukkan peningkatan, sementara Cp dan Tg menurun, menunjukkan kemampuan manajemen termal yang lebih baik.

Analisis FTIR memastikan bahwa tidak ada perubahan kimia yang signifikan pada sampel yang dipanaskan, yang menunjukkan bahwa proses interleaving tidak mengubah struktur kimia perekat. Pengukuran kekasaran permukaan dan keterbasahan menunjukkan peningkatan karakteristik permukaan, sehingga berkontribusi terhadap daya rekat yang lebih baik.

Simulasi elemen hingga dan model pembelajaran mesin menunjukkan kesesuaian yang baik dengan hasil eksperimen, sehingga memvalidasi keakuratan model prediktif. Eksperimen pemanasan joule menunjukkan pelepasan ikatan yang efisien dengan kebutuhan tenaga dan waktu minimal, dan tidak ada robekan serat pada permukaan perekat.

Studi ini menunjukkan efektivitas penggunaan selubung serat karbon yang disisipkan dengan sistem perekat epoksi untuk menghilangkan ikatan sambungan GFRP yang terikat secara perekat melalui pemanasan Joule. Proses interleaving meningkatkan sifat mekanik dan termal sambungan, dan pemanasan Joule menghasilkan metode pelepasan ikatan yang hemat energi dan efektif. Kombinasi penggunaan simulasi elemen hingga dan model pembelajaran mesin menawarkan prediksi akurat mengenai perilaku pemanasan Joule, menjadikan pendekatan ini solusi yang menjanjikan untuk debonding sesuai permintaan di berbagai aplikasi industri.