剥離技術の探求

カーボンファイバーベールは薄い不織布素材で、接着された複合接合部の剥離を可能にします。この研究では、ガラス繊維強化ポリマー (ガラス繊維強化プラスチック) 層の間に挟まれたエポキシ接着剤システムの機械的、熱的、電気的特性に対する 3 つの異なる炭素繊維ベールの影響を調べます。

そのままのエポキシ構成と比較して、炭素繊維ベールを挟み込むことにより、接着接合部の貯蔵弾性率、熱拡散率、重ねせん断強度 (LSSA) が向上し、比熱容量 (CP) とガラス転移温度 (TG) が低下します。フーリエ変換赤外分光法（FTIR）分析により、2枚のエポキシフィルム接着層の間に挟まれた炭素繊維ベールを挟み込んで作製したエポキシサンプルおよび複合サンプルを100％±0℃で1分間加熱しても、化学構造に検出可能な変化が見られないことが明らかになった。

GFRP被着体の濡れ性を調査するために、表面粗さと水接触角の測定を実施しました。有限要素結合熱電シミュレーションと機械学習ベースのソリューションは、ジュール加熱実験と良好な一致を示しました。ジュール加熱による熱機械的剥離は、必要な力と時間が少ない、被着体の表面に繊維の損傷がない、接合部の接合領域の選択的加熱などの効果的な剥離特性を実証しました。

産業上の応用と利点

接着接合は、その軽量機能、汎用性、均一な応力分布、耐食性、費用対効果の高さにより、航空宇宙、自動車、建設、スポーツ用品などの産業用途で大きな注目を集めています。ただし、接着接合は温度と湿度の影響を受けやすいため、耐久性が低下する可能性があります。

接着接合は、繊維強化ポリマー複合材料の構造用途においてもますます重要になってきています。これらの軽量ポリマー複合材料は経済的利益を向上させ、燃料消費量と 二酸化炭素 排出量を削減することで持続可能なソリューションを提供するため、航空宇宙産業は複合材料を優先しています。

さらに、ガラス繊維強化ポリマー (ガラス繊維強化プラスチック) および炭素繊維強化ポリマー マトリックス (炭素繊維強化プラスチック) 複合材料をリサイクルする必要性も高まっています。使用済み自動車 (電子レベル) に関する国際法は、複合材料のリサイクル、回収、再利用率を高めるための重要な取り組みであり、被着体材料を損傷なく剥離することが必要です。その結果、機械的分離に基づく現在の剥離技術は手間がかかり、コストがかかり、被着体材料を損傷する危険性があるため、オンデマンド剥離接着技術の開発が増加する傾向にあります。

開発された剥離技術は、航空宇宙、風力エネルギー、自動車、造船、その他多くの産業における接着結合複合接合部または金属複合材ハイブリッド接合のオンデマンド剥離に役立ちます。

革新的な加熱方法

接着剤剥離技術では、オーブン、選択加熱、誘導加熱などのさまざまな加熱方法が使用されます。ジュール加熱（つまり、抵抗加熱とオーミック加熱）は、ボンドラインの加熱制御、接着、炭素繊維強化プラスチック エポキシ接着剤の 1 重重ね接合における剥離の評価に使用される複合材製造における有望な方法です。報告によると、ジュール加熱で硬化した熱硬化性接着剤は 4 キロワット で 4.5 キロジュール を消費しましたが、同様のサンプルではオーブン硬化中に 800 W で 3 MJ が必要でした。

接着システムは、不織布ベールによって機能化することができ、迅速な応答性を備えた電熱材料の製造、生成、ジュール加熱プロセスによる複合積層板の製造、損傷検出、および複合材料および接着接合部の監視を行うことができます。

知識のギャップを埋める

この研究は、既存の文献にある以下のギャップに対処することを目的としています:(i) 構造接着された ガラス繊維強化プラスチック 被着体を熱機械的剥離の悪影響から保護しながら効果的な剥離技術を開発すること、(ii) エネルギー効率の高いジュール加熱を評価すること接合部を剥離するための加熱方法。

本研究では、ジュール加熱法を利用して、エポキシを挟んだ炭素繊維ベールから作られた接合構造を剥離するという独自のアプローチを採用しています。調査には以下が含まれます: (i) 表面処理後の ガラス繊維強化プラスチック の表面特性、(ii) 異なる炭素繊維ベールをエポキシ接着剤接合部に挟み込むことの熱的および機械的特性への影響、(iii) 異なる炭素繊維ベール構成のジュール加熱特性(4 四) ジュール加熱テストと、有限要素ベースの熱電結合シミュレーション結果および機械学習ベースのソリューション結果との比較。

方法論

材料と標本の準備:
この研究では、繊維径と面密度が異なる 3 種類の炭素繊維ベールが選択されました。ベールにはエポキシ接着剤システムが挟まれ、ガラス繊維強化プラスチック 被着体の間に挟まれました。試験片は接着接合の標準手順に従って準備され、一貫した接着層の厚さと ガラス繊維強化プラスチック 層の位置合わせが確保されました。

機械試験:
接着接合部の機械的性能を評価するために、重ねせん断強度 (LSSA) 試験が実施されました。テストは室温で実行され、結果は純粋なエポキシ構成と比較されました。貯蔵弾性率などの追加の機械的特性は、動的機械分析 (DMA) を使用して測定されました。

熱的および電気的特性評価:
熱拡散率と比熱容量 (CP) は、示差走査熱量測定 (DSCC の) を使用して測定されました。ガラス転移温度(TG)も測定した。炭素繊維ベールを挟んだ接合部のジュール加熱能力を評価するために、電気伝導率の測定を実施しました。

FTIR分析:
フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) を使用して、加熱されたエポキシ サンプルと、炭素繊維ベールを挟み込んで作られた複合サンプルの化学構造を分析しました。潜在的な化学変化を観察するために、サンプルを 100°C で 1 分間加熱しました。

表面粗さと濡れ性:
ガラス繊維強化プラスチック 被着体の表面特性を評価するために、表面粗さ測定を表面粗さ計を使用して実施しました。処理された表面の濡れ性を評価するために、水接触角の測定が行われました。

有限要素シミュレーションと機械学習:
ジュール加熱中の接着接合部の熱電気結合挙動をモデル化するために、有限要素シミュレーションが実行されました。入力パラメーターに基づいてジュール加熱温度を予測するための機械学習モデルも開発されました。シミュレーションと ML の結果は実験データと比較され、モデルが検証されました。

ジュール加熱の実験:
ジュール加熱実験は、剥離プロセスを評価するために実行されました。接着された接合部に電流を流し、温度プロファイルを監視しました。力、所要時間、被着体表面の繊維の引き裂きなどの剥離特性が記録されました。

結果と考察

カーボンファイバーベールを挟み込むことにより、接着接合部の機械的および熱的特性が大幅に改善されました。接合部の LSSA が増加し、接合強度が強化されたことを示しています。貯蔵弾性率と熱拡散率も改善を示しましたが、CP と TG は低下しており、熱管理能力が向上していることが示唆されています。

FTIR 分析では、加熱されたサンプルに重大な化学変化がないことが確認され、インターリーブ処理によって接着剤の化学構造が変化しないことが示されました。表面粗さと濡れ性の測定により、表面特性が改善され、接着力の向上に貢献していることが明らかになりました。

有限要素シミュレーションと機械学習モデルは実験結果と良好な一致を示し、予測モデルの精度が検証されました。ジュール加熱実験では、最小限の力と時間で効率的に剥離でき、被着体表面に繊維の損傷がないことが実証されました。

この研究は、接着剤で結合した ガラス繊維強化プラスチック 接合部をジュール加熱によって剥離するために、エポキシ接着剤システムを挟んだ炭素繊維ベールを使用することの有効性を実証しています。インターリーブプロセスにより接合部の機械的および熱的特性が改善され、ジュール加熱によりエネルギー効率が高く効果的な剥離方法が実現します。有限要素シミュレーションと機械学習モデルを組み合わせて使用​​すると、ジュール加熱挙動を正確に予測できるため、このアプローチはさまざまな産業用途におけるオンデマンド剥離の有望なソリューションになります。