İçindekiler tablosu
Hibrit hafif inşaatta temel zorluk
Modern tasarım konseptlerinde otomotiv, havacılık ve uzay ve elektronik, alüminyum, çelik ve karbon fiber takviyeli plastikler (CFRP) gibi çeşitli hafif malzemelerden yapılmış hibrit montajlar, yapışkan yapıştırma teknolojisi kullanılarak giderek daha fazla birleştirilmektedir. Bu birleştirme teknolojisi iki boyutlu kuvvet aktarımına ve tasarım açısından optimize edilmiş geometrilere olanak sağlamakla birlikte, temel bir teknik zorlukla karşı karşıyadır: birleştirme ortakları ve yapıştırıcılar arasındaki farklı termal genleşme katsayıları. Delta-alfa problemi (delta-a problemi) olarak adlandırılan bu durum, özellikle döngüsel veya süreçle ilgili sıcaklık yükleri altında iç gerilimlere ve kritik arıza mekanizmalarına yol açabilir (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Malzemeye özgü termal genleşme katsayıları ve etkileri
Her malzemenin bir karakteristiği vardır termal genleşme katsayısı (α)Bu değer, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak uzunluktaki değişimi tanımlar. Bu değerlerin aralığı, karma yapı bağlantılarında kullanılan malzemeler arasında önemli ölçüde farklılık gösterir: çelik α ≈ 11,5-13,1 × 10-⁶ K-¹ değerlerine sahipken, alüminyum α ≈ 22-25 × 10-⁶ K-¹ gibi önemli ölçüde daha yüksek genleşme katsayılarına sahiptir. Epoksi reçine yapıştırıcılar α ≈ 45-200 × 10-⁶ K-¹ aralığındadır ve CFRP kompozitler, elyaf yöneliminde -1,0 ile 1,5 arasında ve elyaf yönelimine enine 65 × 10-⁶ K-¹ değerlerine kadar güçlü anizotropik genleşme özellikleri gösterir.
lif (Dietrich 2018).
Sıcaklık döngüleri sırasında (örneğin üretim süreçleri sırasında veya -40 °C ila +200 °C sıcaklık aralığında çalışma sırasında) ortaya çıkan bağıl yer değiştirmeler ve gerilmeler, yapıştırılan bağlantıya önemli ölçüde yük bindirir. Yapıştırıcıların viskoelastikten elastik veya plastik özelliklere geçtiği camsı geçiş sıcaklığına (Tg) yakın alanlar özellikle kritiktir ve bu da bağlantı mukavemeti ve hizmet ömrü üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir (DFR Solutions n.d.).
Hasar mekanizmaları ve bunların teknik sonuçları
Farklı termal genleşme katsayılarının yapıştırılmış bağlantılarda neden olduğu hasar, çeşitli mekanizmalarla kendini gösterir. Farklı α değerleri, hem arayüz arızasına hem de yapıştırıcının kendisinde kohezif kırılmaya yol açabilen kesme ve çekme gerilmelerine neden olur. Yapıştırıcı boşluk kalınlığı ve bileşen boyutu, stres dağılımı için belirleyici faktörlerdir. (Avrupa Alüminyum Birliği 2015; NPL 1999).
Genleşme anizotropisi, özellikle CFRP bağlantılarında dikkate alınmalıdır, böylece laminat yapısı ve elyaf oryantasyonu da stres gelişimi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Termal stres hem birleştirme ortaklarının uyumsuzluğundan hem de kürlenme sırasında yapıştırıcının büzülmesinden kaynaklandığından, hafif yapılar ve kompozitler tasarlanırken bu durum dikkate alınmalıdır (Dietrich 2018).
Ek bir etki faktörü olarak nem
Nem, sıcaklıkla birlikte, derz mukavemeti üzerinde belirleyici bir ek etki faktörü olarak hareket eder. Yapıştırıcıların mekanik özelliklerini önemli ölçüde değiştirebilir, alt tabakaya yapışmayı zayıflatabilir ve yapışkan tabakanın delaminasyonu, çatlaması veya deformasyonu gibi yaşa bağlı hasarları hızlandırabilir. Sıcaklık ile etkileşim, özellikle dış mekan uygulamalarında ve elektronik bileşenlerde, yapıştırıcıdaki difüzyonu ve hidrolitik bozunma sürecini artırır.
Hizmet ömrü tahmini ve test yöntemleri
Değişken termal yükler altında yapıştırılmış bağlantıların hizmet ömrü, hızlandırılmış yaşlandırma testleri, döngüsel sıcaklık testleri ve modern tahmin modellerinin bir kombinasyonu kullanılarak güvenilir bir şekilde tahmin edilebilir. Zaman atlamalı testler, başarısızlık davranışını ve yapıştırıcıdaki çatlakların gelişimini simüle etmek için gerçekçi sıcaklık döngüleri altında uzun vadeli yükleri simüle eder. Kademeli İzotermal Yöntem (SIM) veya Kademeli İzoStres Yöntemi (SSM) gibi modern kısa döngülü tahmin yöntemleri, farklı birleştirme malzemelerinin termal uyumsuzluğuyla bağlantılı olarak sürünme davranışının ve gevşeme etkilerinin hızlı bir şekilde belirlenmesine olanak tanır (NPL 1999).
Yorulma ve termal şok testleri, hizmet ömrünü değerlendirmek için çok önemli olan yorulma döngülerinin sayısını ve hasar mekanizmalarının oluşumunu kaydeder. Deneysel sonuçlar, pratik hizmet ömrü tahminlerini mümkün kılmak için sayısal simülasyonlar ve iklim değişikliği testleri gibi yerleşik test yöntemleriyle giderek daha fazla birleştirilmektedir.
Optimize edilmiş malzeme kombinasyonları ve yapıştırıcı sistemleri
Benzer termal genleşme katsayılarına sahip yapıştırıcı ve alt tabaka malzemelerinin kombinasyonları, termal olarak indüklenen çatlama, delaminasyon veya stres oluşumu riskini en aza indirmede özellikle etkilidir. Alüminyum veya çelik gibi metalik yüzeylerle birlikte kullanılan epoksi reçine yapıştırıcılar, genleşme katsayısını azaltmak için yapıştırıcı formülasyonu dolgu maddeleri veya esnekleştiricilerle özel olarak modifiye edilmişse özellikle tavsiye edilir. genleşme katsayısı (European Aluminium Association 2015; Dietrich 2018).
Düşük elastikiyet modülleri veya yüksek elastikiyetleri nedeniyle silikon yapıştırıcılar ve poliüretan sistemler, geniş ölçüde değişen termal genleşme katsayıları ile avantajlı özellikler sunar ve termal çatlama ve yorulmayı azaltır.
Pratik çözümler ve tasarım önerileri
Hibrit hafif yapılarda güvenilir yapıştırılmış bağlantıların başarılı bir şekilde uygulanması için çeşitli faktörler çok önemlidir. Yapıştırıcı sisteminin uygun yapıştırıcılar ve esnekleştirme ile optimize edilmesi gerilmelerin azaltılmasına yardımcı olur. CFRP laminat yapısının seçimi ve üst üste binme uzunluğunun, yapışkan boşluk kalınlığının ve birleştirme geometrisinin optimizasyonu belirleyici faktörlerdir. Süreç kontrolü ve sıcaklık yönetimi, camsı geçiş sıcaklığının kritik alanlarından kaçınılacak şekilde seçilmelidir (DFR Solutions n.d.; NPL 1999).
Uygulama için çıkarımlar
Otomotiv ve havacılık endüstrilerindeki geliştirme mühendisleri, malzeme bilimcileri ve kalite ekipleri için özel pratik çıkarımlar vardır. Delta-alfa probleminin analizi ve simülasyonu, hibrit hafif yapılarda güvenilir, dayanıklı yapıştırılmış bağlantıların tasarlanması için gereklidir. Aşağıdakiler gibi test yöntemleri
Sonuç
Yapıştırıcıların ve birleştirme parçalarının değişen termal genleşme dereceleri, modern karma yapı yapıştırma bağlantılarının mekanik bütünlüğü için kritik bir faktördür. Yapıştırıcı özelliklerini özel olarak değiştirerek, bileşen ve birleştirme geometrisini optimize ederek ve yerleşik test yöntemlerini kullanarak, geliştirme mühendisleri mekanik performansı hedeflenen bir şekilde etkileyebilir ve arıza riskini en aza indirebilir (Dietrich 2018; NPL 1999; DFR Solutions n.d.).
Kaynakların listesi
Dietrich, R. (2018). FRP-metal hibrit yapıların termal genleşme uyumsuzluğunun analizi. Münih Teknik Üniversitesi. Şu adresten erişilebilir: https://mediatum.ub.tum.de/1393107
Avrupa Alüminyum Birliği (2015). Farklı Malzemelerin Birleştirilmesi. Şu adresten erişilebilir:
https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2022/11/11-joining-dissimilar-materials_2015.pdf
NPL (1999). Yapışkanlı Bağlantıların Döngüsel Yorulma Testi. Şu adreste mevcuttur: https://www.researchgate.net/publication/237635154
DFR Çözümleri (n.d.). Elektronikte Sıcaklık Döngüsü ve Yorulma. Şu adresten erişilebilir:
https://www.ekwb.com/wp-content/uploads/2020/05/1-Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper-1.pdf
