Explorer la technologie de décollement

Les voiles en fibre de carbone sont des matériaux non tissés fins qui permettent le décollement des joints composites collés. Cette étude examine les effets de trois voiles différents en fibre de carbone sur les caractéristiques mécaniques, thermiques et électriques des systèmes adhésifs époxy pris en sandwich entre des couches de polymère renforcé de fibre de verre (GFRP).

Par rapport aux configurations époxy soignées, l'entrelacement avec des voiles en fibre de carbone améliore le module de stockage, la diffusivité thermique et la résistance au cisaillement (LSS) des joints adhésifs tout en abaissant la capacité thermique spécifique (Cp) et la température de transition vitreuse (Tg). L'analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a révélé que les échantillons époxy chauffés et les échantillons composites fabriqués à partir d'un voile de fibre de carbone entrelacé pris en sandwich entre deux couches adhésives de film époxy à 100 % u00b0C pendant 1 min ne présentaient aucun changement détectable dans leurs structures chimiques.

Des mesures de rugosité de surface et d'angle de contact avec l'eau ont été effectuées pour étudier la mouillabilité des adhérents du GFRP. Les simulations thermoélectriques couplées par éléments finis et les solutions basées sur l'apprentissage automatique ont montré un bon accord avec les expériences de chauffage Joule. Le décollement thermomécanique via chauffage Joule a démontré des caractéristiques de décollage efficaces telles que de faibles exigences de force et de temps, aucune déchirure des fibres sur la surface des adhérences et un chauffage sélectif de la région liée des joints.

Applications et avantages industriels

Le collage adhésif a attiré une attention considérable dans les applications industrielles telles que l'aérospatiale, l'automobile, la construction et les équipements sportifs en raison de sa légèreté, de sa polyvalence, de sa répartition uniforme des contraintes, de sa résistance à la corrosion et de sa rentabilité. Cependant, les joints collés sont sensibles à la température et à l’humidité, ce qui peut réduire leur durabilité.

Les joints collés deviennent également de plus en plus importants dans les applications structurelles des composites polymères renforcés de fibres. L'industrie aérospatiale donne la priorité aux matériaux composites car ces composites polymères légers améliorent les rendements économiques et offrent des solutions durables en réduisant la consommation de carburant et les émissions de CO2.

De plus, il existe un besoin croissant de recycler les composites à matrice polymère renforcée de fibres de verre (GFRP) et à matrice polymère renforcée de fibres de carbone (CFRP). La législation internationale sur les véhicules hors d'usage (VHU) est une initiative importante pour augmenter les taux de recyclage, de récupération et de réutilisation des composites, nécessitant un décollage sans dommage des matériaux adhérés. Par conséquent, il existe une tendance croissante au développement de technologies d’adhésifs de décollage à la demande, car les technologies de décollage actuelles basées sur une séparation mécanique sont laborieuses, coûteuses et risquent d’endommager les matériaux adhérés.

La technique de décollement développée sera utile pour le décollage à la demande de joints composites collés ou de joints hybrides métal-composite dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'énergie éolienne, de l'automobile, de la construction navale et de nombreuses autres industries.

Méthodes de chauffage innovantes

Les technologies de décollage adhésif utilisent diverses méthodes de chauffage telles que le chauffage au four, sélectif et par induction. Le chauffage Joule (c'est-à-dire le chauffage par résistance et ohmique) est une méthode prometteuse dans la fabrication de composites utilisée pour le chauffage contrôlé de la ligne de liaison, le collage et l'évaluation du décollement dans les joints adhésifs CFRP-époxy à un seul recouvrement. Les rapports indiquent que l'adhésif thermodurci durci par chauffage Joule consommait 4,5 kJ à 4 kW, tandis qu'un échantillon similaire nécessitait 3 MJ à 800 W pendant le durcissement au four.

Les systèmes adhésifs peuvent être fonctionnalisés par des voiles non tissés pour la fabrication, la production de matériaux électrothermiques avec une réactivité rapide, la fabrication de stratifiés composites par procédé de chauffage Joule, la détection et la surveillance des dommages dans les matériaux composites et les joints collés.

Combler le fossé des connaissances

Ce travail vise à combler les lacunes suivantes dans la littérature existante : (i) développer une technique de décollement efficace pour les supports GFRP collés de manière structurelle tout en les protégeant des effets négatifs du décollement thermomécanique, et (ii) évaluer le chauffage Joule en tant que méthode économe en énergie. méthode de chauffage pour décoller les joints.

La présente étude adopte une approche unique consistant à utiliser la méthode de chauffage Joule pour décoller les configurations de joints constituées de voiles de fibre de carbone entrelacés d'époxy. Les investigations comprennent : (i) les caractéristiques de surface du GFRP après traitement de surface, (ii) l'influence de l'entrelacement de différents voiles de fibres de carbone dans les joints adhésifs époxy sur leurs propriétés thermiques et mécaniques, (iii) les caractéristiques de chauffage Joule de différentes configurations de voiles de fibres de carbone. , et (iv) la comparaison des tests de chauffage Joule avec les résultats de simulation thermoélectrique couplée basée sur les éléments finis et les résultats de solutions basées sur l'apprentissage automatique.

Méthodologie

Matériel et préparation des échantillons :
Trois types de voiles en fibre de carbone ont été sélectionnés pour cette étude, chacun avec des diamètres de fibres et des densités surfaciques variables. Les voiles étaient entrelacés de systèmes adhésifs époxy et pris en sandwich entre les adhérents GFRP. Les échantillons ont été préparés selon les procédures standard de collage, garantissant une épaisseur de couche adhésive et un alignement constants des couches de GFRP.

Tests mécaniques :
Des tests de résistance au cisaillement (LSS) ont été effectués pour évaluer les performances mécaniques des joints collés. Les tests ont été effectués à température ambiante et les résultats ont été comparés à des configurations époxy soignées. Des propriétés mécaniques supplémentaires, telles que le module de stockage, ont été mesurées par analyse mécanique dynamique (DMA).

Caractérisation thermique et électrique :
La diffusivité thermique et la capacité thermique spécifique (Cp) ont été mesurées par calorimétrie différentielle à balayage (DSC). La température de transition vitreuse (Tg) a également été déterminée. Des mesures de conductivité électrique ont été effectuées pour évaluer les capacités de chauffage Joule des joints entrelacés du voile de fibre de carbone.

Analyse FTIR :
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a été utilisée pour analyser les structures chimiques d'échantillons époxy chauffés et d'échantillons composites fabriqués à partir d'un voile de fibres de carbone entrelacé. Les échantillons ont été chauffés à 100 °C pendant 1 min pour observer tout changement chimique potentiel.

Rugosité de surface et mouillabilité :
Des mesures de rugosité de surface ont été effectuées à l'aide d'un profilomètre pour évaluer les caractéristiques de surface des adhérents GFRP. Des mesures de l'angle de contact avec l'eau ont été effectuées pour évaluer la mouillabilité des surfaces traitées.

Simulations par éléments finis et apprentissage automatique :
Des simulations par éléments finis ont été réalisées pour modéliser le comportement couplé thermoélectrique des joints collés lors du chauffage Joule. Un modèle d'apprentissage automatique a également été développé pour prédire la température de chauffage Joule en fonction des paramètres d'entrée. Les résultats de simulation et de ML ont été comparés aux données expérimentales pour valider les modèles.

Expériences de chauffage Joule :
Des expériences de chauffage Joule ont été réalisées pour évaluer le processus de décollement. Les joints collés ont été soumis à un courant électrique et le profil de température a été surveillé. Les caractéristiques de décollement telles que la force, le temps requis et la déchirure des fibres sur les surfaces adhérentes ont été enregistrées.

Résultats et discussion

L'entrelacement de voiles de fibres de carbone a amélioré significativement les propriétés mécaniques et thermiques des joints adhésifs. La LSS des joints a augmenté, indiquant une force de liaison accrue. Le module de stockage et la diffusivité thermique ont également montré des améliorations, tandis que Cp et Tg ont diminué, suggérant de meilleures capacités de gestion thermique.

L'analyse FTIR a confirmé qu'il n'y avait aucun changement chimique significatif dans les échantillons chauffés, indiquant que le processus d'entrelacement n'a pas modifié la structure chimique de l'adhésif. Les mesures de rugosité de surface et de mouillabilité ont révélé des caractéristiques de surface améliorées, contribuant à une meilleure adhérence.

Les simulations par éléments finis et les modèles d’apprentissage automatique ont montré un bon accord avec les résultats expérimentaux, validant ainsi l’exactitude des modèles prédictifs. Les expériences de chauffage Joule ont démontré un décollement efficace avec un minimum de force et de temps, et aucune déchirure des fibres sur les surfaces adhérées.

Cette étude démontre l'efficacité de l'utilisation de voiles de fibre de carbone entrelacés avec des systèmes adhésifs époxy pour décoller les joints GFRP collés via un chauffage Joule. Le processus d'entrelacement améliore les propriétés mécaniques et thermiques des joints, et le chauffage Joule fournit une méthode de décollage efficace et économe en énergie. L'utilisation combinée de simulations par éléments finis et de modèles d'apprentissage automatique offre des prédictions précises du comportement d'échauffement Joule, faisant de cette approche une solution prometteuse pour le décollement à la demande dans diverses applications industrielles.