استكشاف تقنية التخلص من الترابط

حجاب ألياف الكربون عبارة عن مواد رقيقة غير منسوجة تتيح فك الوصلات المركبة المرتبطة بشكل لاصق. تبحث هذه الدراسة في تأثيرات ثلاثة حجابات مختلفة من ألياف الكربون على الخصائص الميكانيكية والحرارية والكهربائية لأنظمة لاصقة الإيبوكسي المحصورة بين طبقات البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP).

بالمقارنة مع تكوينات الإيبوكسي الأنيقة، فإن التشذير باستخدام أغطية ألياف الكربون يعزز معامل التخزين، والانتشار الحراري، وقوة القص اللفة (LSS) للمفاصل اللاصقة مع خفض السعة الحرارية المحددة (حزب المحافظين) ودرجة حرارة التحول الزجاجي (تيراغرام). كشف التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (فورييه) أن عينات الإيبوكسي المسخنة والعينات المركبة المصنوعة من حجاب ألياف الكربون المتشابك المحصور بين طبقتين لاصقتين من غشاء الإيبوكسي عند درجة حرارة 100% درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة لم تظهر أي تغيير يمكن اكتشافه في بنيتها الكيميائية.

تم إجراء قياسات خشونة السطح وزاوية ملامسة الماء للتحقق من قابلية بلل المواد الملتصقة بـ GFRP. أظهرت عمليات المحاكاة الحرارية والكهربائية ذات العناصر المحدودة والحلول القائمة على التعلم الآلي توافقًا جيدًا مع تجارب تسخين جول. أظهر التفكيك الميكانيكي الحراري عبر تسخين جول خصائص فعالة في التفكيك مثل متطلبات القوة والوقت المنخفضة، وعدم تمزق الألياف على سطح المواد الملتصقة، والتسخين الانتقائي للمنطقة المرتبطة بالمفاصل.

التطبيقات الصناعية والفوائد

اكتسبت الروابط اللاصقة اهتمامًا كبيرًا في التطبيقات الصناعية مثل الطيران والسيارات والبناء والمعدات الرياضية نظرًا لوظائفها خفيفة الوزن وتعدد الاستخدامات وتوزيع الضغط الموحد ومقاومة التآكل وفعالية التكلفة. ومع ذلك، فإن المفاصل المرتبطة بشكل لاصق حساسة لدرجة الحرارة والرطوبة، مما قد يقلل من متانتها.

كما أصبحت المفاصل المرتبطة بشكل لاصق ذات أهمية متزايدة في التطبيقات الهيكلية لمركبات البوليمر المقواة بالألياف. تعطي صناعة الطيران الأولوية للمواد المركبة لأن مركبات البوليمر خفيفة الوزن تعمل على تحسين العوائد الاقتصادية وتوفير حلول مستدامة من خلال تقليل استهلاك الوقود وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة متزايدة لإعادة تدوير مركبات البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP) ومصفوفة البوليمر المقوى بألياف الكربون (ألياف الكربون). تعد التشريعات الدولية المتعلقة بالمركبات التي انتهت صلاحيتها (ELV) مبادرة مهمة لزيادة معدلات إعادة التدوير والاسترداد وإعادة استخدام المواد المركبة، مما يستلزم فك المواد الملتصقة دون ضرر. وبالتالي، هناك اتجاه متزايد في تطوير تقنيات إزالة الترابط عند الطلب، حيث أن تقنيات إزالة الترابط الحالية القائمة على الفصل الميكانيكي شاقة ومكلفة وتخاطر بإتلاف المواد الملتصقة.

ستكون تقنية فك الترابط المطورة مفيدة في فك الوصلات المركبة المرتبطة بشكل لاصق أو الوصلات الهجينة المركبة بالمعادن عند الطلب في مجال الطيران وطاقة الرياح والسيارات وبناء السفن والعديد من الصناعات الأخرى.

طرق التدفئة المبتكرة

تستخدم تقنيات إزالة الروابط اللاصقة طرق تسخين مختلفة مثل التسخين بالفرن والتسخين الانتقائي والتحريضي. يعد تسخين جول (أي المقاومة والتسخين الأومي) طريقة واعدة في التصنيع المركب المستخدم للتسخين المتحكم فيه لخط الربط، والترابط اللاصق، وتقييم إلغاء الترابط في وصلات اللفة الواحدة اللاصقة ذات اللفة الواحدة من مادة ألياف الكربون-الايبوكسي. تشير التقارير إلى أن المادة اللاصقة المتصلبة بالحرارة والتي تمت معالجتها بواسطة تسخين جول تستهلك 4.5 كيلوجول عند 4 كيلووات، بينما تتطلب عينة مماثلة 3 ميجا جول عند 800 وات أثناء المعالجة بالفرن.

يمكن تشغيل أنظمة اللاصق بواسطة حجاب غير منسوج للتصنيع، وإنتاج مواد كهروحرارية ذات استجابة سريعة، وتصنيع الصفائح المركبة عن طريق عملية تسخين جول، واكتشاف الأضرار، ومراقبة المواد المركبة والمفاصل المرتبطة بشكل لاصق.

سد الفجوة المعرفية

يهدف هذا العمل إلى معالجة الثغرات التالية في الأدبيات الموجودة: (1) تطوير تقنية فك الارتباط الفعالة لملتصقي GFRP المرتبطين بشكل لاصق هيكليًا مع حمايتهم من الآثار السلبية للتفكيك الميكانيكي الحراري، و(2) تقييم تسخين جول باعتباره موفرًا للطاقة طريقة التسخين لفك المفاصل.

تتبنى الدراسة الحالية أسلوبًا فريدًا لاستخدام طريقة تسخين جول لفصل تكوينات المفاصل المصنوعة من حجاب ألياف الكربون المتداخل مع الإيبوكسي. تشمل التحقيقات ما يلي: (1) الخصائص السطحية لـ GFRP بعد معالجة السطح، (2) تأثير تشذير أغطية مختلفة من ألياف الكربون في وصلات لاصقة إيبوكسيية على خواصها الحرارية والميكانيكية، (3) خصائص تسخين جول لتكوينات مختلفة لحجب ألياف الكربون و (4) مقارنة اختبارات تسخين جول مع نتائج المحاكاة الحرارية الكهربائية المقترنة بالعناصر المحدودة ونتائج الحلول القائمة على التعلم الآلي.

المنهجية

المواد وإعداد العينات:
تم اختيار ثلاثة أنواع من حجاب ألياف الكربون لهذه الدراسة، ولكل منها أقطار ألياف مختلفة وكثافات مساحات مختلفة. تم تشذير الحجاب بأنظمة لاصقة إيبوكسيية وحصرها بين ملتصقات GFRP. تم تحضير العينات باتباع الإجراءات القياسية للربط اللاصق، مما يضمن سماكة الطبقة اللاصقة المتسقة ومحاذاة طبقات GFRP.

الاختبارات الميكانيكية:
تم إجراء اختبارات قوة القص (LSS) لتقييم الأداء الميكانيكي للمفاصل المستعبدة. تم إجراء الاختبارات في درجة حرارة الغرفة، وتمت مقارنة النتائج بتكوينات الإيبوكسي الأنيقة. تم قياس الخواص الميكانيكية الإضافية، مثل معامل التخزين، باستخدام التحليل الميكانيكي الديناميكي (الوصول المباشر المباشر (DMA).).

التوصيف الحراري والكهربائي:
تم قياس الانتشار الحراري والسعة الحرارية المحددة (حزب المحافظين) باستخدام قياس سعرات المسح التفاضلي (DSC). تم أيضًا تحديد درجة حرارة التزجج (تيراغرام). تم إجراء قياسات التوصيل الكهربائي لتقييم قدرات تسخين جول للمفاصل المتشابكة لحجاب ألياف الكربون.

تحليل فورييه:
تم استخدام التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (فورييه) لتحليل التركيب الكيميائي لعينات الإيبوكسي الساخنة والعينات المركبة المصنوعة من حجاب ألياف الكربون المتشابك. تم تسخين العينات عند درجة حرارة 100% مئوية لمدة دقيقة واحدة لمراقبة أي تغيرات كيميائية محتملة.

خشونة السطح وقابلية التبلل:
تم إجراء قياسات خشونة السطح باستخدام مقياس التعريف لتقييم الخصائص السطحية لأتباع GFRP. تم إجراء قياسات زاوية ملامسة الماء لتقييم قابلية بلل الأسطح المعالجة.

محاكاة العناصر المحدودة والتعلم الآلي:
تم إجراء عمليات محاكاة العناصر المحدودة لنمذجة السلوك الحراري-الكهربائي المقترن للمفاصل المرتبطة أثناء تسخين جول. كما تم تطوير نموذج للتعلم الآلي للتنبؤ بدرجة حرارة تسخين الجول بناءً على معلمات الإدخال. وتمت مقارنة نتائج المحاكاة وتعلم الآلة مع البيانات التجريبية للتحقق من صحة النماذج.

تجارب تسخين الجول:
تم إجراء تجارب تسخين جول لتقييم عملية فك الارتباط. تم تعريض المفاصل المستعبدة للتيار الكهربائي، وتم رصد ملف درجة الحرارة. تم تسجيل خصائص فك الارتباط مثل القوة ومتطلبات الوقت وتمزيق الألياف على الأسطح الملتصقة.

النتائج والمناقشة

أدى تشذير حجاب ألياف الكربون إلى تحسين الخواص الميكانيكية والحرارية للمفاصل اللاصقة بشكل كبير. زاد LSS للمفاصل، مما يشير إلى تعزيز قوة الترابط. أظهر معامل التخزين والانتشار الحراري أيضًا تحسينات، في حين انخفض حزب المحافظين وTg، مما يشير إلى قدرات أفضل للإدارة الحرارية.

وأكد تحليل فورييه عدم وجود تغيرات كيميائية كبيرة في العينات الساخنة، مما يشير إلى أن عملية التشذير لم تغير التركيب الكيميائي للمادة اللاصقة. كشفت قياسات خشونة السطح وقابلية البلل عن تحسن في خصائص السطح، مما ساهم في تحسين الالتصاق.

أظهرت عمليات محاكاة العناصر المحدودة ونماذج التعلم الآلي توافقًا جيدًا مع النتائج التجريبية، مما يؤكد دقة النماذج التنبؤية. أظهرت تجارب تسخين جول عملية فك ترابط فعالة مع الحد الأدنى من متطلبات القوة والوقت، وعدم تمزق الألياف على الأسطح الملتصقة.

توضح هذه الدراسة فعالية استخدام حجاب ألياف الكربون المتداخل مع أنظمة لاصقة إيبوكسيية لفك وصلات GFRP المترابطة بشكل لاصق عبر تسخين الجول. تعمل عملية التشذير على تحسين الخواص الميكانيكية والحرارية للمفاصل، ويوفر تسخين جول طريقة فك ترابط فعالة وموفرة للطاقة. يوفر الاستخدام المشترك لمحاكاة العناصر المحدودة ونماذج التعلم الآلي تنبؤات دقيقة لسلوك تسخين جول، مما يجعل هذا النهج حلاً واعدًا للفصل عند الطلب في مختلف التطبيقات الصناعية.