Spis treści
Główne wyzwanie w hybrydowych konstrukcjach lekkich
W nowoczesnych koncepcjach projektowych dla motoryzacyjnych, lotniczych i elektroniki, zespoły hybrydowe wykonane z różnych lekkich materiałów, takich jak aluminium, stal i tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) są coraz częściej łączone za pomocą technologii klejenia. Ta technologia łączenia umożliwia dwuwymiarowe przenoszenie siły i zoptymalizowaną geometrię, ale napotyka na główne wyzwanie techniczne: różne współczynniki rozszerzalności cieplnej między łączonymi partnerami i klejami. Ten tak zwany problem delta-alfa (problem delta-a) może prowadzić do naprężeń wewnętrznych i krytycznych mechanizmów uszkodzeń, szczególnie w przypadku cyklicznych lub związanych z procesem obciążeń temperaturowych (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Specyficzne dla materiału współczynniki rozszerzalności cieplnej i ich skutki
Każdy materiał ma charakterystyczny współczynnik rozszerzalności cieplnej (α)który opisuje zmianę długości w funkcji temperatury. Zakres tych wartości różni się znacznie między materiałami stosowanymi w mieszanych połączeniach konstrukcyjnych: stal ma wartości α ≈ 11,5-13,1 × 10-⁶ K-¹, podczas gdy aluminium ma znacznie wyższe współczynniki rozszerzalności α ≈ 22-25 × 10-⁶ K-¹. Kleje na bazie żywicy epoksydowej mieszczą się w zakresie α ≈ 45-200 × 10-⁶ K-¹, a kompozyty CFRP wykazują silnie anizotropowe właściwości rozszerzalności o wartościach od -1,0 do 1,5 w orientacji włókien i do 65 × 10-⁶ K-¹ w kierunku poprzecznym do orientacji włókien.
błonnik (Dietrich 2018).
Wynikające z tego względne przemieszczenia i naprężenia, które występują podczas cykli temperaturowych – na przykład podczas procesów produkcyjnych lub podczas pracy w zakresie temperatur od -40 °C do +200 °C – powodują znaczne obciążenie klejonego złącza. Szczególnie krytyczne są obszary w pobliżu temperatury zeszklenia (Tg), w których kleje zmieniają właściwości z lepkosprężystych na elastyczne lub plastyczne, co może mieć znaczący wpływ na wytrzymałość i żywotność połączenia (DFR Solutions n.d.).
Mechanizmy uszkodzeń i ich konsekwencje techniczne
Uszkodzenia połączeń klejonych spowodowane różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej objawiają się poprzez różne mechanizmy. Różne wartości współczynnika α powodują naprężenia ścinające i rozciągające, które mogą prowadzić zarówno do uszkodzenia interfejsu, jak i pęknięcia kohezyjnego w samym kleju. Grubość szczeliny klejowej i wymiary elementu są decydującymi czynnikami dla rozkładu naprężeń. (Europejskie Stowarzyszenie Aluminium 2015; NPL 1999).
Należy wziąć pod uwagę anizotropię rozszerzalności, zwłaszcza w połączeniach CFRP, tak aby struktura laminatu i orientacja włókien miały również znaczący wpływ na rozwój naprężeń. Należy to wziąć pod uwagę przy projektowaniu lekkich konstrukcji i kompozytów, ponieważ naprężenia termiczne są spowodowane zarówno niedopasowaniem partnerów łączących, jak i kurczeniem się kleju podczas utwardzania (Dietrich 2018).
Wilgotność jako dodatkowy czynnik wpływający
Wilgoć, w połączeniu z temperaturą, działa jako decydujący dodatkowy czynnik wpływający na wytrzymałość połączenia. Może ona znacząco zmienić właściwości mechaniczne klejów, osłabić przyczepność do podłoża i przyspieszyć uszkodzenia związane z wiekiem, takie jak rozwarstwienie, pękanie lub deformacja warstwy kleju. Interakcja z temperaturą zwiększa dyfuzję i proces degradacji hydrolitycznej w kleju, szczególnie w zastosowaniach zewnętrznych i komponentach elektronicznych.
Przewidywanie żywotności i metody testowania
Żywotność połączeń klejonych pod wpływem zmiennych obciążeń termicznych można wiarygodnie oszacować za pomocą kombinacji testów przyspieszonego starzenia, cyklicznych testów temperaturowych i nowoczesnych modeli predykcyjnych. Testy poklatkowe symulują długotrwałe obciążenia w realistycznych cyklach temperaturowych w celu symulacji zachowania w przypadku uszkodzenia i rozwoju pęknięć w kleju. Nowoczesne metody przewidywania krótkich cykli, takie jak Stepped Isothermal Method (SIM) lub Stepped IsoStress Method (SSM), umożliwiają szybkie określenie zachowania pełzania i efektów relaksacji w związku z niedopasowaniem termicznym różnych materiałów łączących (NPL 1999).
Testy zmęczeniowe i testy szoku termicznego rejestrują liczbę cykli zmęczeniowych i występowanie mechanizmów uszkodzeń, które są kluczowe dla oceny żywotności. Wyniki eksperymentów są coraz częściej łączone z symulacjami numerycznymi i uznanymi metodami testowymi, takimi jak testy zmian klimatycznych, w celu umożliwienia praktycznego prognozowania żywotności.
Zoptymalizowane kombinacje materiałów i systemy klejenia
Kombinacje kleju i materiałów podłoża o podobnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej są szczególnie skuteczne w minimalizowaniu ryzyka pęknięć termicznych, rozwarstwień lub powstawania naprężeń. Kleje na bazie żywicy epoksydowej w połączeniu z podłożami metalowymi, takimi jak aluminium lub stal, są szczególnie zalecane, jeśli formuła kleju jest specjalnie modyfikowana wypełniaczami lub uelastyczniaczami w celu zmniejszenia współczynnika rozszerzalności. współczynnik rozszerzalności w stosunku do metalu (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Ze względu na niski moduł sprężystości lub wysoką elastyczność, kleje silikonowe i systemy poliuretanowe oferują korzystne właściwości przy bardzo zróżnicowanych współczynnikach rozszerzalności cieplnej i zmniejszają pękanie termiczne i zmęczenie.
Praktyczne rozwiązania i zalecenia projektowe
Kilka czynników ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego wdrożenia niezawodnych połączeń klejonych w hybrydowych konstrukcjach lekkich. Optymalizacja systemu klejenia za pomocą odpowiednich klejów i elastyczności pomaga zmniejszyć naprężenia. Wybór struktury laminatu CFRP i optymalizacja długości zakładki, grubości szczeliny klejowej i geometrii łączenia są decydującymi czynnikami. Kontrola procesu i zarządzanie temperaturą powinny być dobrane w taki sposób, aby uniknąć krytycznych obszarów temperatury zeszklenia (DFR Solutions n.d.; NPL 1999).
Implikacje dla praktyki
Wynikają z tego konkretne praktyczne implikacje dla inżynierów ds. rozwoju w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, materiałoznawców i zespołów ds. jakości. Analiza i symulacja problemu delta-alfa jest niezbędna do projektowania niezawodnych, trwałych połączeń klejonych w hybrydowych lekkich konstrukcjach. Metody testowe, takie jak
Wnioski
Różne stopnie rozszerzalności cieplnej klejów i łączonych części są krytycznym czynnikiem dla integralności mechanicznej nowoczesnych połączeń klejonych konstrukcji mieszanych. Modyfikując właściwości kleju, optymalizując geometrię komponentów i połączeń oraz stosując ustalone metody testowania, inżynierowie ds. rozwoju mogą wpływać na wydajność mechaniczną w ukierunkowany sposób i minimalizować ryzyko awarii (Dietrich 2018; NPL 1999; DFR Solutions b.d.).
Lista źródeł
Dietrich, R. (2018). Analiza niekompatybilności rozszerzalności cieplnej struktur hybrydowych FRP-metal. Uniwersytet Techniczny w Monachium. Dostępny pod adresem: https://mediatum.ub.tum.de/1393107
Europejskie Stowarzyszenie Aluminium (2015). Łączenie różnych materiałów. Dostępne pod adresem:
https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2022/11/11-joining-dissimilar-materials_2015.pdf
NPL (1999). Cykliczne badania zmęczeniowe połączeń klejonych. Dostępne pod adresem: https://www.researchgate.net/publication/237635154
DFR Solutions (b.d.). Cykl temperaturowy i zmęczenie materiału w elektronice. Dostępne pod adresem:
https://www.ekwb.com/wp-content/uploads/2020/05/1-Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper-1.pdf
