Endurecimento sinérgico por delaminação de laminados de fibra de vidro-alumínio por tratamento de superfície e entrelinha de óxido de grafeno

Resumo

Os efeitos sinérgicos do tratamento de superfície e interfolha nas propriedades mecânicas interlaminares de laminados de fibra de vidro-alumínio foram estudados. Folhas de alumínio foram tratadas com ataque alcalino. Enquanto isso, uma interfolha de óxido de grafeno (GO) foi introduzida entre a folha de alumínio e o compósito epóxi reforçado com fibra de vidro. Ensaios de dupla viga cantilever e de flexão entalhada nas extremidades foram empregados para avaliar a tenacidade à fratura interlaminar dos laminados de alumínio e fibra de vidro. Os resultados obtidos mostram que a eficiência de tenacificação da interfolha é dependente das características da superfície do alumínio e do carregamento GO. Uma comparação adicional revela que as resistências à fratura de modo I e modo II mais altas são obtidas nas amostras com tratamento de ataque alcalino e adição de interfolha GO com 0,5% em peso de carga GO, que são 510% e 381% maiores em comparação com a planície espécime. Superfícies de fratura foram observadas para revelar ainda mais os mecanismos de reforço.

Introdução

Os laminados de fibra de metal (FMLs) são um novo tipo de compósitos híbridos leves, que são compostos de substratos de metal e plásticos reforçados com fibra (FRPs) [1]. Devido à estrutura híbrida, os FMLs fornecem excelentes propriedades mecânicas, incluindo alta resistência específica e rigidez, boa resistência à fadiga e excelente tolerância a danos [2, 3]. No entanto, a ligação interfacial fraca de FMLs pode causar delaminação e falha de descolamento devido às diferenças de propriedades físicas entre a folha de metal e a camada composta [4]. Portanto, é essencial melhorar as propriedades mecânicas interlaminares para FMLs.

Para melhorar as propriedades mecânicas interlaminares de FMLs, uma série de métodos de tratamento de superfície, como ácido ou ácido alcalino [5,6,7], anodização [8], ablação a laser [9, 10], tratamento de agente de acoplamento de silano [11, 12], e plasma de pressão atmosférica [13], têm sido propostos para modificar a morfologia da superfície das folhas de metal. Entre esses métodos, o ataque alcalino é considerado um método simples e eficiente, que pode remover a camada de óxido nativo fraca na superfície do metal, bem como criar uma superfície rugosa e uma camada de óxido estável para fortalecer a ligação interfacial. Hoje em dia, o desenvolvimento da nanotecnologia expandiu significativamente o domínio de aplicação de nanomateriais em vários campos, incluindo aeroespacial [14], dispositivo eletrônico [15], energia [16] e meio ambiente [17]. Incorporar nanomateriais na camada interlaminar é outra maneira eficaz de melhorar as propriedades interlaminar de compósitos laminados, modificando a região de resina rica. Nanomateriais comuns entre folhas, como nanoargila [18], fibra de carbono de crescimento de vapor [19] e nanotubo de carbono [20], têm sido amplamente utilizados em FMLs.

O grafeno, que consiste em uma única camada de átomos de carbono, exibe propriedades ultra-mecânicas [21], elétricas [22] e térmicas [23], o que o torna um candidato promissor para modificar a matriz polimérica. Rafiee et al. [24] fabricou os compósitos a granel à base de resina epóxi reforçados com grafeno por mistura de solução. Os resultados demonstram um aumento de 40% e 53% na resistência à tração e tenacidade à fratura dos nanocompósitos, respectivamente. Kostagiannakopoulou et al. [25] adotaram o grafeno como agente de tenacidade em matriz para preparar polímeros reforçados com fibra de carbono e observaram um aumento de 50% na tenacidade à fratura interlaminar. No entanto, a eficiência de tenacificação do grafeno depende do estado de dispersão do grafeno na matriz polimérica. As propriedades químicas da superfície do grafeno afetam sua compatibilidade interfacial com a matriz polimérica e, em seguida, leva a uma dispersão pobre do grafeno [26]. Como um derivado do grafeno, o óxido de grafeno (GO) contém vários grupos contendo oxigênio (hidroxilas, epóxido, carbonila e carboxílico) em sua superfície, o que lhe confere uma melhor dispersão e compatibilidade na matriz polimérica em comparação com o grafeno. Devido às suas vantagens potenciais, o GO surgiu como um reforço eficaz em compósitos poliméricos [27,28,29]. Um aumento significativo da tenacidade à fratura interlaminar modo I de 170,8% foi relatado para laminados de fibra de carbono modificados com óxido de grafeno entre folhas [30]. Pathak et al. relataram uma melhoria abrangente no módulo de flexão, resistência à flexão e resistência ao cisalhamento interlaminar de compósitos de fibra de carbono ao incorporar 0,3% em peso de GO [31]. No entanto, até onde sabemos, as propriedades mecânicas interlaminares dos FMLs endurecidos por GO interleaf não foram estudadas até o momento. Além disso, os efeitos sinérgicos do tratamento de superfície da placa de metal e da interfolha GO não foram bem compreendidos.

Os FMLs estudados neste artigo são baseados em laminados de fibra de vidro-alumínio (laminados GFRP / Al) que têm sido amplamente utilizados em vários campos, como a indústria aeroespacial e automotiva. Ao combinar o tratamento de ataque alcalino e a interfolha epóxi reforçada com GO, a tenacidade à fratura interlaminar do modo I e do modo II dos laminados GFRP / Al foram sistematicamente investigados. Além disso, várias caracterizações foram realizadas para descobrir o mecanismo de tenacidade sinérgica.

Métodos / Experimental

Materiais

Flocos de grafite natural (XF051, malha 100) comprados de Nanjing XFNANO Materials Tech Co., Ltd., foram usados para preparar óxido de grafeno pelo método Hummers modificado [32]. O adesivo epóxi usado neste estudo foi éter diglicidílico de bisfenol F. EPON862. A poliamida (Epikure3140A) foi escolhida como o agente de cura. Placas de liga de alumínio (7075) com espessura de 2,5 mm foram selecionadas como a parte metálica dos FMLs. Os pré-impregnados de fibra de vidro unidirecional (pré-impregnados de GFRP) foram fornecidos por Weihai Guangwei Composite Material Co., Ltd, China. Todos os outros materiais, como hidróxido de sódio (NaOH), N , N -dimetilformamida (DMF), acetona, ácido clorídrico (37% em peso) e trióxido de cromo, foram fornecidos por Chengdu Kelong Chemical Reagent Co., Ltd. (China).

Preparação da amostra

A fabricação de laminados GFRP / Al é esquematicamente mostrada na Fig. 1. Primeiro, os tratamentos de superfície das placas de alumínio foram realizados nas seguintes etapas:(a) as placas de Al foram enxaguadas com acetona para desengorduramento e depois secas em um forno para remover a umidade, (b) as placas de Al foram imersas em solução de NaOH 0,1 M e ultra-sônicas por 30 min em temperatura ambiente para modificar a morfologia da superfície das placas de Al, (c) as placas de Al tratadas foram retiradas e ultra-sônicas em destilado água até que a reação de alumínio com NaOH foi terminada, e (d) as placas de Al lavadas foram secas a 60 ° C durante 1 h. Mais detalhes sobre o tratamento de superfície por ataque alcalino podem ser encontrados na Ref. [5].

Ilustração esquemática de fabricação de espécimes e processo de prensagem a quente

Em seguida, a pasta epóxi reforçada com GO foi fabricada como a entrelinha de endurecimento. O processo de preparação detalhado do interleaf GO é semelhante ao de nosso trabalho anterior [30]. As etapas principais incluem (a) preparar a suspensão GO / DMF por mistura mecânica e vibração ultrassônica, (b) derramar resina epóxi na suspensão GO / DMF e misturá-los por cordão planetário e ultrassom, (c) aquecer a mistura acima para remover o DMF, e (d) adição do agente de cura sob agitação constante.

Finalmente, os FMLs foram preparados usando o método de prensagem a quente, conforme mostrado na Fig. 1. As etapas principais incluem o seguinte:(a) Três pilhas de pré-impregnados de GFRP unidirecionais foram empilhados entre duas peças de placas de alumínio por meio de um processo de lay-up. Durante o processo de fabricação, a pasta GO-epóxi obtida foi cuidadosamente espalhada na interface das placas de alumínio e pré-impregnados de GFRP usando uma lâmina romba, onde a densidade de área do epóxi foi ajustada para um valor constante de cerca de 167 g / m ² . (b) Um filme de liberação foi inserido para fazer uma rachadura inicial. (c) Os FMLs foram embalados por um filme de poliimida e curados à temperatura de 130 ° C e à pressão de 0,12 MPa.

Para explorar os efeitos do tratamento de superfície e da interfolha GO-epóxi na tenacidade à fratura dos FMLs, cinco tipos de espécimes foram preparados, ou seja, o plano, GO0,5%, SH-GO0%, SH-GO0,5%, e SH-GO1%, onde “SH” denota o tratamento de corrosão alcalina de placas de Al, “GO” representa a interfolha GO-epóxi e a porcentagem após “GO” denota a fração em peso de GO no epóxi.

Testes experimentais e caracterização

Os testes de viga cantilever dupla (DCB) e flexura entalhada (ENF) foram realizados para medir a tenacidade à fratura interlaminar modo-I e modo-II dos laminados GFRP / Al de acordo com o Padrão Industrial Japonês (JIS) K7086 [33]. As configurações das amostras DCB e ENF são mostradas na Fig. 2. Os procedimentos de teste detalhados e os métodos de cálculo da tenacidade à fratura são semelhantes aos da Ref. [33].

Ilustração esquemática da amostra para a DCB e b Teste ENF

As morfologias da superfície dos flocos de grafite, GO, folha de alumínio e superfícies de fratura dos corpos de prova testados foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Enquanto isso, as nanoestruturas das folhas GO foram observadas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia de força atômica (AFM). A estrutura química dos substratos GO e alumínio foi caracterizada em um sistema ESCALAB 250Xi XPS (Thermo Electron Corporation, EUA). Além disso, a rugosidade da superfície e o desempenho de molhabilidade da folha de alumínio foram estudados usando perfilador interferométrico óptico e goniômetro de ângulo de contato, respectivamente.

Resultados e discussão

Caracterizações do GO

As morfologias de superfície de flocos de grafite e GO foram caracterizadas por SEM e TEM como mostrado na Fig. 3. Pode-se observar uma estrutura de múltiplas camadas de flocos de grafite na Fig. 3a, enquanto as imagens SEM e TEM de GO nas Figs. 3b e c exibem uma estrutura de camada fina. Isso indica que a estrutura de múltiplas camadas da grafite está estratificada e o óxido de grafeno foi sintetizado com sucesso. A Figura 3d apresenta a imagem AFM da nanofolha GO. A espessura do GO preparado é de cerca de 0,968 nm, o que indica que uma única camada de nanoestrutura de óxido de grafeno foi alcançada após uma esfoliação completa do grafite. Além disso, o estado de dispersão do GO desempenha um papel crucial no endurecimento de polímeros. Uma dispersão pobre de GO pode resultar em efeitos desfavoráveis na transição de tensão da resina para nanofolhas de GO. Portanto, o GO disperso precisa ser caracterizado e avaliado. As Figuras 3e e f mostram as microestruturas das folhas GO após dispersão em resina epóxi. A incorporação de GO a uma concentração de 0,5% em peso exibe uma boa dispersão na resina, enquanto uma ligeira agregação de GO pode ser observada em uma concentração mais elevada (1,0% em peso), o que pode resultar em concentração de tensão e, portanto, enfraquecer a resistência e tenacidade de o epóxi.

Imagens SEM de a flocos de grafite. b Folhas GO. c Imagem TEM de GO. d Imagem AFM de GO. e Folhas GO em resina epóxi (0,5% em peso). f Folhas GO em resina epóxi (1,0% em peso)

A estrutura química na superfície do GO é outro fator importante que afeta a eficiência de tenacificação do GO nos polímeros, que é responsável pela interação interfacial entre o GO e a matriz da resina [30, 31, 34]. A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foi empregada para identificar a propriedade química da superfície do GO preparado. Conforme mostrado na Fig. 4, o espectro C 1s de GO é dividido em quatro picos que são atribuídos a quatro tipos de ligações de carbono:(1) C – C / C =C (284,5 eV), (2) C – O ( 286,9 eV), (3) C =O (288,2 eV), e (4) O – C =O (289 eV) [35]. A presença de grupos funcionais oxigenados é benéfica para a dispersão do GO e força de ligação entre o GO e a matriz polimérica [30, 31, 34]

Espectro XPS C1s das folhas GO

Propriedades físicas e químicas da superfície da liga de alumínio

Em geral, a descolagem interfacial entre o compósito FRP e o metal envolve a falha interfacial e coesiva, que é comumente afetada pelas características da superfície da folha de metal. Portanto, as propriedades físico-químicas, incluindo a microestrutura da superfície, rugosidade, composição química e molhabilidade da superfície da liga de alumínio, foram caracterizadas por vários instrumentos de medição.

A Figura 5 mostra a morfologia da superfície e microestrutura das placas de liga de Al antes e depois do ataque alcalino. Como pode ser visto, a superfície da liga de Al tratada por ataque alcalino torna-se mais áspera do que a superfície da liga de Al desengraxante. Muitos buracos e vales em microescala podem ser observados na superfície da liga de Al tratada por ataque alcalino, que são favoráveis para o preenchimento de resina epóxi e GO para formar o intertravamento mecânico e aumentar a força de ligação da interface compósito / metal [ 7, 19, 36]. Além disso, os perfis de superfície das placas de liga de Al antes e depois do ataque alcalino também foram medidos usando o perfilador interferométrico óptico. Os valores de rugosidade da superfície correspondentes ( R _a , R _q , e R _z ) estão resumidos na Tabela 1, onde R _a representa o desvio médio aritmético do perfil, R _q é a rugosidade quadrada média e R _z representa a altura de dez pontos das irregularidades. Uma diferença significativa nos valores medidos antes e após o ataque alcalino pode ser observada na Tabela 1, o que é consistente com os resultados de observação SEM na Fig. 5. A alta rugosidade da superfície do ataque alcalino implica um aumento na área de superfície específica, o que é benéfico para o intertravamento mecânico entre a folha de liga de Al e a matriz polimérica.

Imagens SEM da superfície Al após a desengorduramento e b gravura alcalina

O XPS foi realizado para analisar a modificação química da superfície da liga de Al com diferentes tratamentos de superfície. A Figura 6 apresenta o espectro de varredura estreito de Al 2p e O 1s para as superfícies de liga de Al não atacadas e atacadas. A Figura 6a mostra os espectros de ionização de Al 2p desconvoluídos de superfícies não gravadas, que tem apenas um pico com uma energia de ligação de 74,4 eV correspondendo a óxidos de alumínio γ (γ-Al ₂ O ₃ ) [37]. O espectro de O 1s da superfície não gravada é dividido em 2 picos, que são atribuídos a Al ₂ O ₃ (531,3 eV) e hidróxido de alumínio (533,1 eV), respectivamente [13].

Varredura estreita de espectros XPS da superfície da liga de Al

A Figura 6b mostra os espectros de ionização de Al 2p desconvoluídos da superfície gravada, onde o primeiro pico localizado a 74,8 eV está associado a Al ₂ O ₃ , e o pico em 76,1 eV corresponde ao hidróxido de alumínio [38]. Os espectros de O 1s das superfícies gravadas mostram dois picos, um para Al ₂ O ₃ (531,5 eV) e o outro para hidróxido de alumínio (533,1 eV) [13]. Comparando os resultados da superfície da liga de Al não condicionada e atacada, uma mudança na energia de ligação do Al 2p implica que a propriedade química da superfície da liga de Al foi alterada pelo tratamento de superfície [6]. Enquanto isso, as razões de intensidade de hidróxido para óxido do pico de O 1s das superfícies gravadas são maiores do que as das superfícies não gravadas, o que poderia melhorar a adesão interfacial devido à formação de mais ligações de hidrogênio entre os grupos hidroxila no hidróxido de alumínio e epóxi moléculas [13].

Para investigar o efeito do tratamento de superfície na molhabilidade da superfície da liga de Al, gotas padrão foram colocadas na superfície das amostras testadas para medir os ângulos de contato. A Figura 7 apresenta a imagem dos ângulos de contato estáticos para a superfície da liga de Al antes e depois do ataque alcalino. Pode-se verificar que a superfície da placa de Al tratada com álcali tem um ângulo de contato menor, o que implica na melhor molhabilidade da superfície da liga de Al com o tratamento de corrosão com álcali. O aumento da molhabilidade também pode contribuir para a melhoria da resistência de união interfacial [6].

Ângulo de contato da gota de água na superfície da liga de Al com diferentes tratamentos de superfície

Modo I de resistência à fratura interlaminar

Os testes de DCB foram conduzidos em diferentes tipos de laminados GFRP / Al. A Figura 8 mostra a relação entre a carga P e deslocamento de abertura de fissura (COD). Pode ser encontrada a tendência geral na carga e deslocamento de abertura de fissura ( P -COD) a resposta dos espécimes FMLs é quase semelhante, ou seja, a carga aplicada primeiro aumenta linearmente e, em seguida, aumenta ligeiramente em um padrão não linear até que a carga atinja o máximo, seguido por um declínio gradual no estágio final. Devido à incerteza do início do crescimento da trinca, a carga crítica ( P _C ) é definido como a interseção do P Curva -COD com linha correspondente a uma complacência 5% maior que a inicial [33].

Carga representativa e deslocamento de abertura de fissura ( P -COD) curvas para diferentes espécimes durante os testes de DCB

A Figura 9 apresenta a carga crítica P _C das amostras testadas. Podemos ver que o P _C para o espécime GO0,5% é semelhante ao plano, que é muito menos do que os outros tipos de espécimes. Depois que a liga de alumínio foi pré-tratada por ataque alcalino, o P _C da amostra SH-GO0% é significativamente aumentada, indicando um importante papel desempenhado pelo tratamento de superfície na adesão interfacial. É importante notar que a carga crítica P _C para a amostra SH-GO0,5% é ainda mais aumentada quando combinada a corrosão alcalina e adição de 0,5% em peso de GO, e o mais alto P obtido _C é cerca de 160% maior do que aqueles da planície e do espécime GO0,5%, o que indica um possível efeito de tenacificação sinérgico entre o tratamento de superfície e a interfolha GO. No entanto, o P _C diminui com o aumento do teor de GO (SH-GO1%), o que pode ser atribuído à aglomeração de GO em maior concentração.

Carga crítica P _C para vários espécimes durante os testes de DCB

A Figura 10 representa a tenacidade à fratura modo I em função do incremento do crescimento da trinca ∆ a ( R -curva) para as amostras testadas. Como pode ser visto, para o espécime plano e GO0,5%, a tenacidade à fratura modo I é independente do incremento de crescimento da trinca ∆ a , que também indica a fraca ligação interfacial entre a liga de alumínio desengordurada e os laminados de fibra de vidro. No entanto, para os outros tipos de espécimes, um comportamento típico de fratura pode ser observado, onde a tenacidade à fratura modo I primeiro aumenta com o crescimento da trinca, e depois torna-se estável devido ao efeito de ponte de fibra de vidro.

Comparação do R - curvas para vários espécimes durante os testes de DCB

Para entender melhor os efeitos do tratamento de superfície e da interfolha GO nas propriedades mecânicas interlaminares dos laminados GFRP / Al, a tenacidade à fratura modo I G _IC e resistência à fratura G _IR estão resumidos na Fig. 11, onde G _IC é o valor inicial no R -curva e G _IR é o valor médio de cinco pontos dentro do intervalo da extensão da trinca ∆ a de 20 a 40 mm. Como pode ser visto na Fig. 11, não há diferença significativa em G _IC e G _IR entre a planície e o espécime GO0,5%. No entanto, aumentos substanciais de 225% e 600% em G _IC e G _IR para a amostra SH-GO0% pode ser observada quando as placas de liga de Al foram tratadas com o ataque químico alcalino. Este aprimoramento é devido ao fato de que a morfologia e química da superfície, bem como a molhabilidade das placas de liga de Al, são melhoradas pelo tratamento de corrosão alcalina, conforme descrito na seção "Resistência à fratura interlaminar Modo-I". Para as amostras de tenacidade sinérgica (SH-GO0,5% e SH-GO1%), ambos os G _IC e G _IR são muito mais elevados do que aqueles dos espécimes endurecidos com tratamento de superfície apenas (SH-GO0%) ou GO interleaf apenas (GO0,5%), o que pode ser atribuído aos efeitos sinérgicos do tratamento de superfície (adesão interfacial aprimorada) e do GO interleaf (matriz epóxi endurecida). O máximo G _IC e G _IR observados em amostras SH-GO0,5% são 263 J / m ² e 590 J / m ² , respectivamente, que são cerca de 510% e 820% maiores que os da planície, respectivamente.

Comparação da tenacidade à fratura modo I e resistência para vários espécimes

Modo-II de resistência à fratura interlaminar

As curvas de carga-deflexão do Modo II de amostras ENF são mostradas na Fig. 12. Normalmente, as curvas de carga-deflexão mostram uma resposta linear no estágio inicial e, em seguida, uma resposta não linear até a carga máxima, seguida por uma queda abrupta em a fase final. A Figura 13 mostra a carga crítica P _C e resistência à fratura interlaminar do modo II G _IIC das amostras testadas calculadas a partir dos perfis de deflexão de carga. Deve-se observar que o critério para definição da carga crítica P _C para os espécimes ENF é semelhante ao dos espécimes DCB. Podemos ver que ambos G _IIC e P _C das amostras ENF têm a mesma tendência das amostras DCB. Os valores máximos da tenacidade à fratura modo II e da carga crítica são observados no corpo de prova de SH-GO0,5%, que são 381% e 99% superiores aos do corpo de prova simples, respectivamente.

Curvas de carga-deflexão representativas para diferentes espécimes durante os testes ENF

Comparação da tenacidade à fratura no modo II G _IIC e carga crítica P _C para vários espécimes durante os testes de ENF

Observação da morfologia da fratura

Para revelar ainda mais os mecanismos de tenacificação, as morfologias de fratura dos laminados de GFRP / Al testados foram observadas por MEV.

A Figura 14 mostra as superfícies de fratura das amostras GO0,5%, SH-GO0%, SH-GO0,5% e SH-GO1% após os testes de DCB. Com relação à amostra GO0,5% (ver Fig. 14a eb), a superfície da fratura tem uma aparência lisa, sem qualquer fibra de vidro visível ou resina epóxi fixada na superfície das placas de liga de Al. O tipo de falha da amostra GO0,5% é falha adesiva. Quanto à amostra SH-GO0% (ver Fig. 14c e d), algumas fibras quebradas e resina epóxi fixadas na superfície ou incorporadas nos micro-vazios podem ser observadas, o que indica que o ataque alcalino pode promover o intertravamento mecânico entre o Al placa de liga e matriz de polímero e, em seguida, melhorar a ligação interfacial entre eles. O tipo de falha da amostra SH-GO0% é uma combinação de coesivo e adesivo. A falha coesiva causada pela descolagem de moléculas de resina pode consumir mais energia em comparação com a falha interfacial [19], indicando que a amostra SH-GO0% tem uma maior tenacidade à fratura modo I em comparação com a amostra GO.5%. Com relação aos espécimes SH-GO0,5% e SH-GO1% (ver Fig. 14e-h), uma morfologia de fratura mais irregular e mais áspera pode ser observada, o que criará uma área de fratura maior e exigirá uma força motriz maior e energia. O tipo de falha dos espécimes SH-GO0,5% e SH-GO1% é uma falha quase coesa, o que indica que a adição de interfolha GO pode melhorar ainda mais a resistência à fratura interlaminar dos laminados GFRP / Al com o tratamento de superfície. As possíveis razões são as seguintes:Devido às suas excelentes propriedades mecânicas, GO pode efetivamente melhorar a tenacidade da resina epóxi induzindo a deflexão de trinca e efeito de ponte de trinca [30], o que normalmente requer uma força motriz maior e energia de fratura mais alta. Enquanto isso, os grupos funcionais na superfície das folhas GO contribuirão para a forte ligação interfacial entre o GO e a resina epóxi, que pode consumir mais energia durante o processo de retirada do GO da matriz epóxi. Além disso, a adição de GO aumenta os grupos funcionais reativos da matriz de resina [39, 40]. Portanto, a tenacidade à fratura modo I para as amostras SH-GO0,5% e SH-GO1% é ainda mais aumentada em comparação com a amostra SH-GO0%.

Superfícies de fratura de laminados GFRP / Al modo-I. a, b GO0,5%. c , d SH-GO0%. e , f SH-GO0,5%. g , h SH-GO1% (esquerdo, lado do Al; direito, lado composto)

Com base na análise acima, o efeito sinérgico do tratamento de superfície e interfolha GO-epóxi na melhoria da resistência à fratura interlaminar de modo I de laminados Al / GFRP foi demonstrado. No entanto, o GO excessivo pode ter um efeito negativo na resistência à fratura. Como a agregação de GO pode causar concentração de tensão e reduzir a tenacidade do epóxi (ver Fig. 3), a tenacidade à fratura modo I de SH-GO1% é menor do que a amostra SH-GO 0,5%.

SEM também foi empregado para investigar as superfícies de fratura ENF dos espécimes testados. Para o espécime GO0,5% (Fig. 15a eb), as superfícies de fratura na placa de Al e no lado GFRP são relativamente lisas, o que é semelhante à morfologia de fratura DCB do espécime GO0,5%. Fibras quebradas e epóxi residual aderido às superfícies da placa de Al podem ser observados para os espécimes SH-GO0% (Fig. 15c), SH-GO0,5% (Fig. 15e) e SH-GO1% (Fig. 15g ), o que implica na ocorrência de falha coesiva e maior tenacidade à fratura em comparação com a amostra GO0,5%. Além disso, existem muitos lábios de cisalhamento típicos nas superfícies das placas de Al e lados compostos para os espécimes SH-GO0,5% e SH-GO1%, indicando um aumento da zona de dano e uma maior deformação plástica, o que pode levar para uma maior tenacidade à fratura modo-II do que SH-GO0%. Além disso, a agregação de GO também pode ser a principal razão para a menor tenacidade à fratura modo-II da amostra SH-GO1% em comparação com a amostra SH-GO0,5%.

Superfícies de fratura dos laminados GFRP / Al modo II. a , b GO0,5%. c , d SH-GO0%. e , f SH-GO0,5%. g , h SH-GO1% (esquerdo, lado Al; direito, lado composto)

Conclusões

Neste estudo, o tratamento de superfície, por exemplo, ataque alcalino e interfolha GO-epóxi foram combinados para melhorar sinergicamente as propriedades mecânicas interlaminares dos laminados Al / GFRP. Os resultados de DCB e ENF demonstram que os espécimes com o tratamento de ataque alcalino e a interfolha GO0,5% -epoxi possuem a maior tenacidade à fratura interlaminar modo-I e modo-II, que são 510% e 381% maiores do que aqueles da planície espécime, respectivamente. Além disso, diferentes tecnologias de caracterização foram empregadas para investigar as propriedades de superfície das placas de Al e a superfície de fratura dos laminados testados para descobrir os mecanismos de tenacificação sinérgica.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados que suportam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

Al:: Alumínio
FRPs:: Plásticos reforçados com fibra
GFRP/Al laminates:: Glass fiber-aluminum laminates
GFRP prepregs:: Glass fiber prepregs
GO:: Óxido de grafeno
DCB:: Double cantilever beam test
ENF:: End-notched flexure test
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
AFM:: Força atômica microscópica
FMLs:: Fiber metal laminates
NaOH:: Hidróxido de sódio
DMF:: N , N -dimethylformamide
JIS:: Japanese Industrial Standards
P -COD:: Load and crack opening displacement
G _IC :: Mode-I fracture toughness
G _IR :: Mode-I fracture resistance
G _IIC :: Mode-II fracture toughness
P _C :: Critical load
γ-Al₂ O ₃ :: γ-Aluminum oxides
SH:: Alkali etching treatment of Al plates
R _a :: The arithmetic average deviation of the profile
R _q :: The root mean square roughness
R _z :: The ten-point height of irregularities

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