Peningkatan Laminat Serat Kaca-Aluminium: Permukaan & Selaput Antara Grafena Oksida Meningkatkan Ketawanan Interlaminar
Abstrak
Efek sinergis antara perlakuan permukaan dan selaput antara terhadap properti mekanik interlaminar laminat serat kaca-aluminium telah ditinjau. Lembar aluminium diobati dengan gravur alkali. Sementara itu, selaput antara grafena oksida (GO) diperkenalkan antara lembar aluminium dan komposit epoksi serat kaca. Uji balok baluster ganda dan uji fleksi bertindik ujung digunakan untuk mengevaluasi ketawaan pecah interlaminar laminat serat kaca-aluminium. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa efisiensi penawanan selaput antara bergantung pada karakteristik permukaan aluminium serta beban GO. Perbandingan lebih lanjut mengungkapkan bahwa ketawaan pecah mode-I dan mode-II tertinggi diperoleh pada spesimen dengan perlakuan gravur alkali dan penambahan selaput antara GO dengan beban GO 0,5 wt%, yang masing-masing 510% dan 381% lebih tinggi dibandingkan spesimen polos. Permukaan pecah diamati untuk mengungkap mekanisme penguat lebih lanjut.
Pendahuluan
Laminat logam serat (FMLs) adalah jenis komposit ringan hibrid baru yang terdiri dari substrat logam dan plastik terkuat serat (FRP) [1]. Karena struktur hibridnya, FMLs menyediakan properti mekanik yang luar biasa termasuk kekuatan spesifik dan kekakuan tinggi, resistensi lelah yang baik, dan toleransi kerusakan yang luar biasa [2, 3]. Namun, perekat antarmuka yang lemah pada FMLs dapat menyebabkan delaminasi dan kegagalan debonding karena perbedaan properti fisik antara lembar logam dan lapisan komposit [4]. Oleh karena itu, sangat penting untuk meningkatkan properti mekanik interlaminar bagi FMLs.
Untuk meningkatkan properti mekanik interlaminar FMLs, serangkaian metode perlakuan permukaan, seperti gravur asam atau alkali [5,6,7], anodisasi [8], ablasi laser [9, 10], perlakuan agen coupling silana [11, 12], dan plasma tekanan atmosfer [13], telah diusulkan untuk memodifikasi morfologi permukaan lembar logam. Di antara metode ini, gravur alkali dianggap sebagai metode yang sederhana dan efisien, yang dapat menghapus lapisan oksida asli yang lemah pada permukaan logam serta menciptakan permukaan kasar dan lapisan oksida stabil untuk memperkuat perekat antarmuka. Kini, perkembangan nanoteknologi telah secara signifikan memperluas domain aplikasi nanomaterial dalam berbagai bidang termasuk penerbangan luar angkasa [14], perangkat elektronik [15], energi [16], dan lingkungan [17]. Penggabungan nanomaterial ke dalam lapisan interlaminar adalah cara efektif lainnya untuk meningkatkan properti interlaminar komposit berlapis dengan memodifikasi wilayah kaya resin. Nanomaterial selaput antara umum, seperti nanoclay [18], serat karbon vapor grow [19], dan nanotubus karbon [20], telah banyak digunakan dalam FMLs.
Grafena, yang terdiri dari satu lapisan atom karbon, menunjukkan properti mekanik [21], listrik [22], dan termal [23] yang ultra-tinggi, yang menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk memodifikasi matriks polimer. Rafiee et al. [24] memproduksi komposit bulk berbasis resin epoksi yang diperkuat grafena dengan pencampuran larutan. Hasilnya menunjukkan peningkatan kekuatan tarik dan ketawaan pecah nanocomposit sebesar 40% dan 53%, masing-masing. Kostagiannakopoulou et al. [25] mengadopsi grafena sebagai agen penawanan dalam matriks untuk mempersiapkan polimer terkuat serat karbon dan mengamati peningkatan ketawaan pecah interlaminar sebesar 50%. Namun, efisiensi penawanan grafena bergantung pada kondisi dispersi grafena dalam matriks polimer. Properti kimia permukaan grafena mempengaruhi kompatibilitas antarmuka dengan matriks polimer dan kemudian mengakibatkan dispersi grafena yang buruk [26]. Sebagai turunan grafena, grafena oksida (GO) mengandung berbagai kelompok yang mengandung oksigen (hidroksil, epoksida, karbonil, dan karboksil) pada permukaannya, yang memberinya dispersi dan kompatibilitas yang lebih baik dalam matriks polimer dibandingkan grafena. Berdasarkan keuntungan potensialnya, GO telah muncul sebagai penguat yang efektif dalam komposit polimer [27,28,29]. Peningkatan signifikan ketawaan pecah interlaminar mode-I sebesar 170,8% telah dilaporkan untuk laminat serat karbon yang dimodifikasi dengan selaput antara grafena oksida [30]. Pathak et al. melaporkan peningkatan komprehensif modulus fleksi, kekuatan fleksi, dan kekuatan geser interlaminar komposit serat karbon dengan menggabungkan 0,3 wt% GO [31]. Namun, sejauh yang diketahui penulis, properti mekanik interlaminar FMLs yang ditawani oleh selaput antara GO belum pernah ditinjau hingga saat ini. Selain itu, efek sinergis perlakuan permukaan lembar logam dan selaput antara GO belum dipahami dengan baik.
FMLs yang ditinjau dalam paper ini didasarkan pada laminat serat kaca-aluminium (GFRP/Al laminates) yang telah banyak digunakan dalam berbagai bidang, seperti industri penerbangan luar angkasa dan otomotif. Dengan menggabungkan perlakuan gravur alkali dan selaput antara epoksi yang diperkuat GO, ketawaan pecah interlaminar mode-I dan mode-II GFRP/Al laminates secara sistematis ditinjau. Selain itu, berbagai karakterisasi dilakukan untuk mengungkap mekanisme penawanan sinergis.
Metode/Eksperimen
Bahan
Flakes grafit alami (XF051, 100 mesh) yang dibeli dari Nanjing XFNANO Materials Tech Co., Ltd., digunakan untuk mempersiapkan grafena oksida dengan metode Hummers yang dimodifikasi [32]. Agen perekat epoksi yang digunakan dalam penelitian ini adalah diglycidyl ether of bisphenol F. EPON862. Polyamide (Epikure3140A) dipilih sebagai agen pengering. Plat aloi (7075) dengan ketebalan 2,5 mm dipilih sebagai bagian logam dari FMLs. Prepreg serat kaca satu arah (GFRP prepregs) disediakan oleh Weihai Guangwei Composite Material Co., Ltd, China. Semua bahan lain, seperti natrium hidroksida (NaOH), N,N-dimetilformamida (DMF), aseton, asam klorida (37 wt%), dan trioksida krom, disuplai oleh Chengdu Kelong Chemical Reagent Co., Ltd. (China).
Persiapan Spesimen
Pembuatan GFRP/Al laminates secara skematis ditunjukkan pada Gambar 1. Pertama, perlakuan permukaan plat aluminium dilakukan dalam langkah-langkah berikut: (a) plat Al dicuci dengan aseton untuk delemak kemudian dikeringkan dalam oven untuk mengeluarkan kelembaban, (b) plat Al direndam dalam larutan NaOH 0,1 M dan diultrasonik selama 30 menit pada suhu ruangan untuk memodifikasi morfologi permukaan plat Al, (c) plat Al yang telah dirawat diambil dan diultrasonik dalam air destilasi hingga reaksi aluminium dengan NaOH berakhir, dan (d) plat Al yang dicuci dikeringkan pada 60 °C selama 1 jam. Detail lebih lanjut tentang perlakuan permukaan oleh gravur alkali dapat ditemukan di Ref. [5].
Ilustrasi skematis pembuatan spesimen dan proses pemanasan tekan
Selanjutnya, pasta epoksi yang diperkuat GO dibuat sebagai selaput antara penawani. Proses pembuatan detail selaput antara GO serupa dengan pekerjaan kami sebelumnya [30]. Langkah utamanya meliputi (a) mempersiapkan suspensi GO/DMF dengan pencampuran mekanis dan getaran ultrasonik, (b) mencurahkan resin epoksi ke dalam suspensi GO/DMF dan mencampurnya dengan planet string dan ultrasonikasi, (c) memanaskan campuran di atas untuk mengeluarkan DMF, dan (d) menambahkan agen pengering di bawah pengadukan konstan.
Akhirnya, FMLs disiapkan menggunakan metode pemanasan tekan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Langkah utamanya meliputi hal berikut: (a) Tiga tumpukan prepreg GFRP satu arah ditumpuk antara dua potong plat aluminium melalui proses lay-up. Selama proses pembuatan, pasta epoksi-GO yang diperoleh dengan hati-hati dioles pada antarmuka plat aluminium dan prepreg GFRP menggunakan pisah tumpul, di mana area kepadatan epoksi diatur pada nilai konstan sekitar 167 g/m2. (b) Sebuah film pelepasan disisipkan untuk membuat retakan awal. (c) FMLs dibungkus oleh film poliamida dan dikeringkan berdasarkan suhu 130 °C dan tekanan 0,12 MPa.
Untuk mengeksplorasi efek perlakuan permukaan dan selaput antara epoksi-GO terhadap ketawaan pecah FMLs, lima jenis spesimen disiapkan, yaitu polos, GO0.5%, SH-GO0%, SH-GO0.5%, dan SH-GO1%, di mana “SH” menunjukkan perlakuan gravur alkali plat Al, “GO” mewakili selaput antara epoksi-GO, dan persentase setelah “GO” menunjukkan fraksi berat GO dalam epoksi.
Uji Eksperimen dan Karakterisasi
Uji balok baluster ganda (DCB) dan fleksi bertindik ujung (ENF) dilakukan untuk mengukur ketawaan pecah interlaminar mode-I dan mode-II GFRP/Al laminates sesuai Standar Industri Jepang (JIS) K7086 [33]. Konfigurasi spesimen DCB dan ENF ditunjukkan pada Gambar 2. Prosedur uji detail dan metode perhitungan ketawaan pecah serupa dengan yang ada di Ref. [33].
Ilustrasi skematis spesimen untuk a DCB dan b uji ENF
Morfologi permukaan flakes grafit, GO, lembar aluminium, dan permukaan pecah spesimen yang diuji dikarakterisasi oleh mikroskop elektron pemindai (SEM). Sementara itu, nanostruktur lembar GO diamati oleh mikroskop elektron transmisi (TEM) dan mikroskop gaya atom (AFM). Struktur kimia GO dan substrat aluminium dikarakterisasi pada sistem XPS ESCALAB 250Xi (Thermo Electron Corporation, AS). Selain itu, kekasuran permukaan dan kinerja basahi lembar aluminium dikaji menggunakan interferometer profil optik dan goniometer sudut kontak, masing-masing.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi GO
Morfologi permukaan flakes grafit dan GO dikarakterisasi oleh SEM dan TEM seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Struktur berlapis dapat diamati pada flakes grafit pada Gambar 3a, sedangkan citra SEM dan TEM GO pada Gambar 3b dan c menunjukkan struktur tipis. Ini menunjukkan bahwa struktur berlapis grafit terstratifikasi dan grafena oksida telah berhasil disintesis. Gambar 3d menyajikan citra AFM nanosheet GO. Ketebalan GO yang disiapkan sekitar 0,968 nm, yang menunjukkan bahwa satu lapisan nanostruktur grafena oksida telah tercapai setelah ekfoliasi lengkap dari grafit. Selain itu, kondisi dispersi GO memainkan peran krusial dalam penawanan polimer. Dispersi GO yang buruk dapat menghasilkan efek yang tidak menguntungkan pada transisi stres dari resin ke nanosheet GO. Oleh karena itu, GO yang terdispersi perlu dikarakterisasi dan dievaluasi. Gambar 3e dan f menunjukkan mikrostruktur lembar GO setelah dispersi dalam resin epoksi. Penggabungan GO pada konsentrasi 0,5 wt% menunjukkan dispersi yang baik dalam resin, sementara aglomerasi GO yang ringan dapat diamati pada konsentrasi yang lebih tinggi (1,0 wt%), yang dapat mengakibatkan konsentrasi stres dan kemudian melemahkan kekuatan dan ketawaan epoksi.
Citra SEM a flakes grafit. b lembar GO. c citra TEM GO. d citra AFM GO. e lembar GO dalam resin epoksi (0,5 wt%). f lembar GO dalam resin epoksi (1,0 wt%)
Struktur kimia pada permukaan GO adalah faktor lain yang mempengaruhi efisiensi penawanan GO dalam polimer, yang bertanggung jawab atas interaksi antarmuka antara GO dan matriks resin [30, 31, 34]. Spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) digunakan untuk mengidentifikasi properti kimia permukaan GO yang disiapkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, spektrum C 1s GO dibagi menjadi empat puncak yang ditetapkan ke empat jenis ikatan karbon: (1) C–C/C=C (284,5 eV), (2) C–O (286,9 eV), (3) C=O (288,2 eV), dan (4) O–C=O (289 eV) [35]. Keberadaan kelompok fungsional yang mengandung oksigen bermanfaat untuk dispersi GO dan kekuatan perekat antara GO dan matriks polimer [30, 31, 34]
Spektrum XPS C1s lembar GO
Properti Fisik dan Kimia Permukaan Aloi Aluminium
Secara umum, debonding antarmuka antara komposit FRP dan logam melibatkan kegagalan antarmuka dan kohesi, yang biasanya dipengaruhi oleh karakteristik permukaan lembar logam. Oleh karena itu, properti fisikokimia termasuk mikrostruktur permukaan, kekasuran, komposisi kimia, dan basahi permukaan aloi aluminium dikarakterisasi oleh berbagai alat ukur.
Gambar 5 menunjukkan morfologi permukaan dan mikrostruktur plat aloi Al sebelum dan setelah gravur alkali. Seperti yang terlihat, permukaan aloi Al yang diobati dengan gravur alkali menjadi lebih kasar dibandingkan permukaan aloi Al yang dilemak. Banyak lubang dan lembah mikroskala dapat diamati pada permukaan aloi Al yang diobati dengan gravur alkali, yang menguntungkan untuk pengisian resin epoksi dan GO untuk membentuk sikungan mekanis dan meningkatkan kekuatan perekat antarmuka komposit/logam [7, 19, 36]. Selain itu, profil permukaan plat aloi Al sebelum dan setelah gravur alkali juga diukur menggunakan interferometer profil optik. Nilai kekasuran permukaan yang sesuai (Ra, Rq, dan Rz) diringkas dalam Tabel 1, di mana Ra mewakili simpangan rerata aritmetik profil, Rq adalah kekasuran akar kuadrat rata-rata, dan Rz mewakili ketinggian tidak beraturan sepuluh titik. Perbedaan signifikan dalam nilai yang diukur sebelum dan setelah gravur alkali dapat diamati dari Tabel 1, yang konsisten dengan hasil observasi SEM pada Gambar 5. Kekasuran tinggi permukaan gravur alkali menyiratkan peningkatan luas permukaan spesifik yang menguntungkan untuk sikungan mekanis antara lembar aloi Al dan matriks polimer.
Citra SEM permukaan Al setelah a penglemasan dan b gravur alkali
XPS dilakukan untuk menganalisis modifikasi kimia permukaan aloi Al dengan berbagai perlakuan permukaan. Gambar 6 menyajikan spektrum skan sempit Al 2p dan O 1s untuk permukaan aloi Al yang tidak digravur dan digravur. Gambar 6a menunjukkan spektrum ionisasi Al 2p yang de-konvolusi permukaan tidak digravur, yang hanya memiliki satu puncak dengan energi ikatan 74,4 eV yang sesuai dengan oksida aluminium gamma (γ-Al2O3) [37]. Spektrum O 1s permukaan tidak digravur dibagi menjadi 2 puncak, yang ditetapkan ke Al2O3 (531,3 eV) dan hidroksida aluminium (533,1 eV), masing-masing [13].
Skan sempit spektrum XPS permukaan aloi Al
Gambar 6b menunjukkan spektrum ionisasi Al 2p yang de-konvolusi permukaan digravur, di mana puncak pertama yang terletak pada 74,8 eV terkait dengan Al2O3, dan puncak pada 76,1 eV sesuai dengan hidroksida aluminium [38]. Spektrum O 1s permukaan digravur menunjukkan dua puncak, satu untuk Al2O3 (531,5 eV) dan yang lain untuk hidroksida aluminium (533,1 eV) [13]. Membandingkan hasil permukaan aloi Al yang tidak digravur dan digravur, perpindahan energi ikatan Al 2p menyiratkan properti kimia permukaan aloi Al telah berubah oleh perlakuan permukaan [6]. Sementara itu, rasio intensitas hidroksida terhadap oksida puncak O 1s pada permukaan digravur lebih tinggi dibandingkan permukaan tidak digravur, yang dapat meningkatkan perekat antarmuka karena pembentukan lebih banyak ikatan hidrogen antara kelompok hidroksil pada hidroksida aluminium dan molekul epoksi [13].
Untuk menyelidiki efek perlakuan permukaan terhadap basahi permukaan aloi Al, titik standar ditetapkan pada permukaan sampel yang diuji untuk mengukur sudut kontak. Gambar 7 menyajikan citra sudut kontak statis untuk permukaan aloi Al sebelum dan setelah gravur alkali. Dapat ditemukan bahwa permukaan plat Al yang diobati alkali memiliki sudut kontak yang lebih kecil, yang menyiratkan basahi yang lebih baik permukaan aloi Al dengan perlakuan gravur alkali. Basahi yang meningkat juga dapat berkontribusi pada peningkatan kekuatan perekat antarmuka [6].
Sudut kontak titik air pada permukaan aloi Al dengan berbagai perlakuan permukaan
Ketawaan Pecah Interlaminar Mode-I
Uji DCB dilakukan pada berbagai jenis GFRP/Al laminates. Gambar 8 menunjukkan hubungan antara beban P dan perpindahan pembukaan retakan (COD). Dapat ditemukan kecenderungan keseluruhan dalam respons beban dan perpindahan pembukaan retakan (P-COD) spesimen FMLs hampir sama, yaitu, beban yang diterapkan pertama kali meningkat secara linier, kemudian meningkat sedikit dalam pola non-linier hingga beban mencapai maksimum, diikuti oleh penurunan bertahap pada tahap akhir. Karena ketidakpastian inisiasi pertumbuhan retakan, beban kritis (PC) didefinisikan sebagai titik potong kurva P-COD dengan garis yang sesuai dengan kepatuhan 5% lebih tinggi dari awal [33].
Curva P-COD representatif untuk berbagai spesimen selama uji DCB
Gambar 9 menyajikan beban kritis PC dari spesimen yang diuji. Kita dapat melihat bahwa PC untuk spesimen GO0.5% serupa dengan polos, yang jauh lebih kecil daripada jenis spesimen lainnya. Setelah aloi aluminium diobati terlebih dahulu oleh gravur alkali, PC spesimen SH-GO0% secara signifikan meningkat, menunjukkan peran penting yang dimainkan oleh perlakuan permukaan dalam perekat antarmuka. Layak dicatat bahwa beban kritis PC untuk spesimen SH-GO0.5% meningkat lebih lanjut ketika menggabungkan gravur alkali dan penambahan 0,5 wt% GO, dan PC tertinggi yang diperoleh sekitar 160% lebih tinggi daripada polos dan spesimen GO0.5%, yang menunjukkan kemungkinan efek penawanan sinergis antara perlakuan permukaan dan selaput antara GO. Namun, PC menurun dengan peningkatan lebih lanjut kandungan GO (SH-GO1%), yang dapat disebabkan oleh aglomerasi GO pada konsentrasi yang lebih tinggi.
Beban kritis PC untuk berbagai spesimen selama uji DCB
Gambar 10 mewakili ketawaan pecah mode-I sebagai fungsi dari peningkatan pertumbuhan retakan ∆a (R-kurva) untuk sampel yang diuji. Seperti yang terlihat, untuk spesimen polos dan GO0.5%, ketawaan pecah mode-I tidak bergantung pada peningkatan pertumbuhan retakan ∆a, yang juga menunjukkan perekat antarmuka yang lemah antara aloi aluminium yang dilemak dan laminat serat kaca. Namun, untuk jenis spesimen lainnya, perilaku pecah typikal dapat diamati, di mana ketawaan pecah mode-I pertama kali meningkat dengan pertumbuhan retakan, kemudian menjadi stabil karena efek jembatan serat kaca.
Perbandingan kurva R untuk berbagai spesimen selama uji DCB
Untuk lebih memahami efek perlakuan permukaan dan selaput antara GO terhadap properti mekanik interlaminar GFRP/Al laminates, ketawaan pecah mode-I GIC dan resistensi pecah GIR diringkas pada Gambar 11, di mana GIC adalah nilai awal pada kurva R dan GIR adalah nilai rata-rata lima titik dalam rentang ekstensi retakan ∆a dari 20 hingga 40 mm. Seperti yang terlihat dari Gambar 11, tidak ada perbedaan signifikan dalam GIC dan GIR antara spesimen polos dan GO0.5%. Namun, peningkatan substansial 225% dan 600% dalam GIC dan GIR untuk spesimen SH-GO0% dapat diamati ketika plat aloi Al diobati dengan gravur kimia alkali. Peningkatan ini karena fakta bahwa morfologi permukaan dan kimia serta basahi plat aloi Al ditingkatkan oleh perlakuan gravur alkali seperti yang dijelaskan pada bagian “Ketawaan pecah interlaminar mode-I”. Untuk spesimen penawanan sinergis (SH-GO0.5%, dan SH-GO1%), baik GIC maupun GIR jauh lebih tinggi daripada spesimen yang ditawani hanya oleh perlakuan permukaan (SH-GO0%) atau selaput antara GO hanya (GO0.5%), yang dapat disebabkan oleh efek sinergis perlakuan permukaan (perekat antarmuka yang ditingkatkan) dan selaput antara GO (matriks epoksi yang ditawani). GIC dan GIR maksimum yang diamati pada spesimen SH-GO0.5% masing-masing 263 J/m2 dan 590 J/m2, yang sekitar 510% dan 820% lebih tinggi daripada polos, masing-masing.
Perbandingan ketawaan pecah dan resistensi mode-I untuk berbagai spesimen
Ketawaan Pecah Interlaminar Mode-II
Curva beban-defleksi mode-II spesimen ENF ditunjukkan pada Gambar 12. Secara typikal, curva beban-defleksi menunjukkan respons linier pada tahap awal, dan kemudian respons non-linier hingga beban maksimum, diikuti oleh penurunan tiba-tiba pada tahap akhir. Gambar 13 menunjukkan beban kritis PC dan ketawaan pecah interlaminar mode-II GIIC dari spesimen yang diuji yang dihitung dari profil beban-defleksi. Perlu dicatat bahwa kriteria untuk menentukan beban kritis PC untuk spesimen ENF serupa dengan spesimen DCB. Kita dapat melihat bahwa baik GIIC maupun PC spesimen ENF memiliki kecenderungan yang sama dengan spesimen DCB. Nilai maksimum ketawaan pecah mode-II dan beban kritis diamati pada spesimen SH-GO0.5%, yang masing-masing 381% dan 99% lebih tinggi daripada spesimen polos.
Curva beban-defleksi representatif untuk berbagai spesimen selama uji ENF
Perbandingan ketawaan pecah mode-II GIIC dan beban kritis PC untuk berbagai spesimen selama uji ENF
Observasi Morfologi Pecah
Untuk lebih mengungkap mekanisme penawanan, morfologi pecah GFRP/Al laminates yang diuji diamati oleh SEM.
Gambar 14 menunjukkan permukaan pecah spesimen GO0.5%, SH-GO0%, SH-GO0.5%, dan SH-GO1% setelah uji DCB. Terkait spesimen GO0.5% (lihat Gambar 14a dan b), permukaan pecah memiliki tampilan yang halus, tanpa serat kaca atau resin epoksi yang terlihat melekat pada permukaan plat aloi Al. Tipe kegagalan spesimen GO0.5% adalah kegagalan adesif. Terkait spesimen SH-GO0% (lihat Gambar 14c dan d), beberapa serat yang patah dan resin epoksi yang melekat pada permukaan atau tertanam dalam rongga mikro dapat diamati, yang menunjukkan bahwa gravur alkali dapat mempromosikan sikungan mekanis antara plat aloi Al dan matriks polimer dan kemudian meningkatkan perekat antarmuka di antaranya. Tipe kegagalan spesimen SH-GO0% adalah kombinasi kohesi dan adesif. Kegagalan kohesi yang disebabkan oleh debonding molekul resin dapat mengkonsumsi lebih banyak energi dibandingkan kegagalan antarmuka [19], yang menunjukkan spesimen SH-GO0% memiliki ketawaan pecah mode-I yang lebih tinggi dibandingkan spesimen GO0.5%. Terkait spesimen SH-GO0.5% dan SH-GO1% (lihat Gambar 14e–h), morfologi pecah yang lebih tidak teratur dan lebih kasar dapat diamati, yang akan menciptakan luas area pecah yang lebih besar dan membutuhkan gaya pengor dan energi yang lebih tinggi. Tipe kegagalan spesimen SH-GO0.5% dan SH-GO1% hampir semua kegagalan kohesi, yang menunjukkan bahwa penambahan selaput antara GO dapat lebih meningkatkan ketawaan pecah interlaminar GFRP/Al laminates dengan perlakuan permukaan. Alasan yang mungkin adalah sebagai berikut: Dengan properti mekanik yang unggul, GO dapat secara efektif meningkatkan ketawaan resin epoksi dengan menginduksi defleksi retakan dan efek jembatan retakan [30], yang biasanya membutuhkan gaya pengor yang lebih tinggi dan energi pecah yang lebih tinggi. Sementara itu, kelompok fungsional pada permukaan lembar GO akan berkontribusi pada perekat antarmuka yang kuat antara GO dan resin epoksi, yang dapat mengkonsumsi lebih banyak energi selama proses penarikan keluar GO dari matriks epoksi. Selain itu, penambahan GO meningkatkan kelompok fungsional reaktif matriks resin [39, 40]. Oleh karena itu, ketawaan pecah mode-I untuk spesimen SH-GO0.5% dan SH-GO1% meningkat lebih lanjut dibandingkan spesimen SH-GO0%.
Permukaan pecah laminat GFRP/Al mode-I. a, b GO0.5%. c, d SH-GO0%. e, f SH-GO0.5%. g, h SH-GO1% (kiri, sisi Al; kanan, sisi komposit)
Berdasarkan analisis di atas, efek sinergis perlakuan permukaan dan selaput antara epoksi-GO pada peningkatan ketawaan pecah interlaminar mode-I laminat Al/GFRP telah ditunjukkan. Namun, GO yang berlebihan dapat memiliki efek negatif terhadap ketawaan pecah. Karena aglomerasi GO dapat menyebabkan konsentrasi stres dan mengurangi ketawaan epoksi (lihat Gambar 3), ketawaan pecah mode-I SH-GO1% lebih rendah daripada spesimen SH-GO0.5%.
SEM juga digunakan untuk menyelidiki permukaan pecah ENF spesimen yang diuji. Untuk spesimen GO0.5% (Gambar 15a dan b), permukaan pecah pada plat Al dan sisi GFRP relatif halus, yang serupa dengan morfologi pecah DCB spesimen GO0.5%. Serat yang patah dan sisa resep epoksi yang melekat pada permukaan plat Al dapat diamati untuk spesimen SH-GO0% (Gambar 15c), SH-GO0.5% (Gambar 15e), dan SH-GO1% (Gambar 15g), yang menyiratkan terjadinya kegagalan kohesi dan ketawaan pecah yang lebih tinggi dibandingkan spesimen GO0.5%. Selain itu, terdapat banyak bibir geser typikal pada permukaan plat Al dan sisi komposit untuk spesimen SH-GO0.5% dan SH-GO1%, yang menunjukkan zona kerusakan yang meningkat dan deformasi plastik yang lebih besar, yang dapat menyebabkan ketawaan pecah mode-II yang lebih tinggi daripada SH-GO0%. Selain itu, aglomerasi GO mungkin juga merupakan alasan utama untuk ketawaan pecah mode-II yang lebih rendah spesimen SH-GO1% dibandingkan spesimen SH-GO0.5%.
Permukaan pecah laminat GFRP/Al mode-II. a, b GO0.5%. c, d SH-GO0%. e, f SH-GO0.5%. g, h SH-GO1% (kiri, sisi Al; kanan, sisi komposit)
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, perlakuan permukaan, misalnya gravur alkali, dan selaput antara epoksi-GO digabungkan untuk secara sinergis meningkatkan properti mekanik interlaminar laminat Al/GFRP. Hasil uji DCB dan ENF menunjukkan bahwa spesimen dengan perlakuan gravur alkali dan selaput antara epoksi-GO0.5% memiliki ketawaan pecah interlaminar mode-I dan mode-II tertinggi, yang masing-masing 510% dan 381% lebih tinggi daripada spesimen polos. Selain itu, berbagai teknologi karakterisasi digunakan untuk menyelidiki properti permukaan plat Al dan permukaan pecah laminat yang diuji untuk mengungkap mekanisme penawanan sinergis.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
