[논문 리뷰] A new technique for the characterization of viscoelastic materials: theory, experiments and comparison with DMA

Elena Pierro, Giuseppe Carbone|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 25인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 다양한 길이의 자유-자유 지지된 보를 사용하여 소재의 점탄성 복합 탄성율을 저비용으로 정확하게 특성화하는 방법을 제안한다. 비드 동역학의 분석 모델과 실험적 타격 응답 데이터의 곡선 피팅을 결합함으로써, 넓은 주파수 범위에서 DMA 결과와 일치시키기 위해 느슨해짐 시간 수를 최적화하는 기법을 개발하였으며, 최소한의 장비로도 타당성과 신뢰성이 입증된 저비용의 방법이다.

ABSTRACT

In this paper we present a theoretical and experimental study aimed at characterizing the hysteretic properties of viscoelastic materials. In the last decades viscoelastic materials have become a reference for new technological applications, which require lightweight, deformable but ultra-tough structures. The need to have a complete and precise knowledge of their mechanical properties, hence, is of utmost importance. The presented study is focused on the dynamics of a viscoelastic beam, which is both experimentally investigated and theoretically characterized by means of an accurate analytical model. In this way it is possible to fit the experimental curves to determine the complex modulus. Our proposed approach enables the optimal fitting of the viscoelastic modulus of the material by using the appropriate number of relaxation times, on the basis of the frequency range considered. Moreover, by varying the length of the beams, the frequency range of interest can be changed/enlarged. Our results are tested against those obtained with a well established and reliable technique as compared with experimental results from the Dynamic Mechanical Analysis (DMA), thus definitively establishing the feasibility, accuracy and reliability of the presented technique.

연구 동기 및 목표

• 점탄성 소재 특성화를 위한 단순하고 저비용인 동역학 기계 분석(DMA)의 대안을 개발하기 위해.
• 실험 설정에서 보의 길이를 변화시켜 더 넓은 주파수 범위를 커버할 수 있도록 하기 위해.
• 다양한 주파수 대역에서 정확한 피팅을 위해 점탄성 모델의 느슨해짐 시간 수를 최적화하기 위해.
• 신뢰성과 정확성을 입증하기 위해 제안된 방법을 기존의 DMA 측정 결과와 비교하기 위해.
• 고가의 DMA 장비에 비해 저렴한 장비(타격 해머, 가속도계)로도 DMA 수준의 결과를 도출할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 타격 해머와 ICP 가속도계를 사용하여 진동을 유도하고 응답을 측정하는 자유-자유 지지된 보 구조를 사용한다.
• 다수의 느슨해짐 시간을 포함한 일반화된 맥스웰 점탄성 모델에 기반한 분석 모델을 적용한다.
• 복소 탄성율 E(s) = E0 + Σ(Ek sτk / (1 + sτk))를 포함하여 라플라스 도메인 표현을 사용해 보의 동적 응답을 유도한다.
• 실험적 주파수 응답 함수(FRFs)를 분석 모델에 피팅하여 복소 탄성율을 추출한다.
• 측정 가능한 주파수 범위를 늘리기 위해 보의 길이를 변화시켜 점탄성 거동의 광범위한 범위를 커버한다.
• 0–600 Hz 범위에서 피팅된 점탄성 탄성율을 DMA 측정 결과와 비교하여 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 장비로도 단순한 보 진동 구조를 사용하여 소재의 점탄성 복합 탄성율을 정확하게 결정할 수 있는가?
• RQ2 보의 길이를 변화시키는 것이 측정 가능한 주파수 범위와 점탄성 특성화의 정확성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 주파수 대역에서 실험 데이터를 피팅하기 위해 필요한 최적의 느슨해짐 시간 수는 얼마인가?
• RQ4 정확성과 신뢰성 측면에서 제안된 방법이 DMA와 비교하여 얼마나 정량적으로 유사한가?
• RQ5 기존의 DMA 수준의 주파수 범위를 커버할 수 있도록 이 방법을 확장할 수 있는가?

주요 결과

• LUBRIFLON 소재에 대해 0–600 Hz 범위에서 DMA 측정 결과와 뛰어난 일치를 보이며, 정확성이 입증되었다.
• 40 cm와 60 cm의 서로 다른 길이의 보를 사용함으로써, 단일 보로는 달성할 수 없었던 더 넓은 주파수 범위로 측정 가능성을 확보하였다.
• 느슨해짐 시간 수를 최적화함으로써 피팅 정확도가 크게 향상되었으며, 특히 고감쇠 영역과 전이 영역에서 두드러진 효과를 보였다.
• 단순한 장비(타격 해머, 가속도계)로도 DMA 수준의 신뢰할 수 있는 점탄성 탄성율 데이터를 도출할 수 있음을 입증하였다.
• 분석 모델에 다수의 느슨해짐 시간을 통합함으로써 넓은 주파수 대역에서 점탄성 거동을 정확히 캐릭터라이즈할 수 있음을 확인하였다.
• 결과적으로 타격 해머를 전기역학적 진동기로 교체할 경우 주파수 범위를 더욱 넓힐 수 있으며, 이는 더 넓은 적용 가능성을 의미한다.