[논문 리뷰] 3D Fluorescent Mapping of Invisible Molecular Damage after Cavi-tation in Hydrogen Exposed Elastomers

Xavier Morelle, Gabriel E. Sanoja외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 03.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 48인용 수 35

한 줄 요약

논문은 수소 노출된 엘라스토머에서 공동현상으로 인한 기계적 손상을 비파괴적으로 3D 형광 매핑으로 시각화하는 방법을 제시하며, 꽃 모양의 균열 패턴과 불연속 파손 거동을 드러낸다.

ABSTRACT

Elastomers saturated with gas at high pressure suffer from cavity nucleation, inflation, and deflation upon rapid or explosive de-compression. Although this process often results in undetectable changes in appearance, it causes internal damage, hampers func-tionality (e.g., permeability), and shortens lifetime. Here, we tag a model poly(ethyl acrylate) elastomer with {\\pi}-extended anthracene-maleimide adducts that fluoresce upon polymer chain scission, and map in 3D the internal damage present after a cycle of gas satu-ration and rapid decompression. Interestingly, we observe that each cavity observable during the decompression results in a dam-aged region, the shape of which reveals a fracture locus of randomly oriented penny-shape cracks (i.e., with a flower-like morpholo-gy) that contain crack arrest lines. Thus, cavity growth likely proceeds discontinuously (i.e., non-steadily) through the stable and unstable fracture of numerous 2D crack planes. This non-destructive methodology to visualize in 3D molecular damage in polymer networks is novel and serves to understand how fracture occurs under complex 3D loads, predict mechanical aging of pristine look-ing elastomers, and holds potential to optimize cavitation-resistant materials.

연구 동기 및 목표

• 가스 공동화 후 표면 외관이 변하지 않아도 엘라스토머 내부 손상을 검출할 필요성Motivate the need to detect internal damage in elastomers after gas cavitation when surface appearance remains unchanged.
• 고분자 네트워크의 3D 분자 손상을 가스 포화 및 급속 감압 후 매핑하기 위한 비파괴 영상화 방법 개발 Develop a non-destructive imaging method to map 3D molecular damage in polymer networks after gas saturation and rapid decompression.
• 공동화가 엘라스토머에서 유발하는 파손 메커니즘 및 균열 기하를 이해하여 노후화 예측 및 재료 설계에 활용 Understand the fracture mechanisms and crack geometry underlying cavitation in elastomers to predict aging and guide material design.

제안 방법

• pi-extended anthracene-maleimide adducts가 형광을 발하도록 폴리머 체인 절단에 의해 형광을 발현하는 poly(ethyl acrylate) 엘라스토머를 표지 Tag a poly(ethyl acrylate) elastomer with pi-extended anthracene-maleimide adducts that fluoresce upon polymer chain scission.
• 가스 포화와 급속 감압의 한 주기 후 내부 분자 손상을 시각화하기 위해 3D 형광 매핑 수행 Perform 3D fluorescence mapping to visualize internal molecular damage after a cycle of gas saturation and rapid decompression.
• 손상 공간 패턴을 분석하여 파손 위치와 균열 기하를 추론 Analyze the spatial pattern of damage to infer fracture loci and crack geometry.
• 관찰된 손상 패턴을 다수의 임의 방향의 페니-형 균열로부터의 파손 과정의 증거로 해석하고 균열 정지선으로 설명한다 Interpret observed damage patterns as evidence for fracture processes across multiple randomly oriented penny-shaped cracks with crack arrest lines.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소 노출 엘라스토머에서 공동현상 후 내부 분자 손상을 3D 형광 매핑이 어떻게 드러내는가?
• RQ2 공동화로 인한 손상과 관련된 파손 패턴의 기하학 및 조직은 무엇인가?
• RQ3 공동 구강의 성장은 연속적 방식인가 비연속적 방식인가, 균열 평면은 손상 국화에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 감압 중 각 관찰 가능한 공동은 주변 재료의 손상된 영역에 대응한다.
• 손상 패턴은 arrest lines가 있는 무작위 방향의 페니-형 균열로 구성된 꽃처럼 보이는 형태를 형성한다.
• 공동 구강 성장은 비연속적으로 보이며, 다수의 2D 균열면의 안정적 및 불안정 파손에 의해 구동된다.
• 이 방법은 3D 분자 손상을 비파괴적으로 시각화하는 방법을 제공하며, 복합적인 3D 하중 하에서의 파손에 대한 통찰을 제시한다.