[논문 리뷰] Compression properties of polymeric syntactic foam composites under cyclic loading

Zeshan Yousaf, M. J. A. Smith외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 01.

Cellular and Composite Structures참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 다양한 크기와 벽 두께를 가진 허브 폴리머 마이크로스피어를 폴리우레탄 매트릭스에 산발적으로 분산시켜 제조한 고무성 심층 거품 복합재의 순환 압축 거동을 조사한다. 이 재료들은 반복 하중 작용 하에서 높은 탄성 복원성, 뚜렷한 에너지 소산 능력 및 손상 내성 향상을 보이며, SEM 분석을 통해 마이크로스피어의 보강 작용이 매트릭스 손상을 완화시킴을 확인하였다.

ABSTRACT

Syntactic foams are composite materials frequently used in applications requiring the properties of low density and high damage tolerance. In the present work, polymer-based syntactic foams were studied under cyclic compression in order to investigate their compressibility, recoverability, energy dissipation and damage tolerance. These syntactic foams were manufactured by adding hollow polymer microspheres of various sizes and wall thicknesses into a polyurethane matrix. The associated loading and unloading curves during cyclic testing were recorded, revealing the viscoelastic nature of the materials. SEM images of the samples were obtained in order to study potential damage mechanisms during compression. It was observed that these syntactic foams exhibit high elastic recovery and energy dissipation over a wide range of compressional strains and the addition of polymer microspheres mitigate the damage under compressional loading.

연구 동기 및 목표

• 반복 순환 하중 하에서 고무 기반 심층 거품의 압축 거동을 평가하기 위해.
• 다양한 크기와 벽 두께를 가진 허브 폴리머 마이크로스피어가 기계적 성능 향상에 미치는 영향를 평가하기 위해.
• 순환 압축 중 손상 메커니즘과 에너지 소산 특성을 조사하기 위해.
• 하중-해제 곡선을 통해 복합재의 복원성과 점탄성 거동을 정량화하기 위해.
• SEM 분석을 통해 미세구조적 특징과 거시적 기계적 성능 간의 상관관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 허브 폴리머 마이크로스피어를 폴리우레탄 매트릭스에 분산시켜 고무성 심층 거품을 제조하였다.
• 하중-해제 곡선을 기록하기 위해 순환 압축 시험을 실시하였다.
• 하중-해제 곡선에서 유도된 히스테리시스 루프를 통해 점탄성 거동을 분석하였다.
• 균열 표면을 관찰하고 손상 메커니즘을 규명하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하였다.
• 기계적 반응에 미치는 영향 평가를 위해 마이크로스피어의 파arameter(크기 및 벽 두께)를 다양화하였다.
• 미세구조 관찰 결과와 기계적 데이터를 상관시켜 손상 완화 메커니즘을 이해하기 위해 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허브 폴리머 마이크로스피어는 순환 하중 하에서 고무성 심층 거품의 탄성 회복성과 압축성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 반복적인 탄성 압축 사이클 중 심층 거품에서의 에너지 소산 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 미세구조(마이크로스피어 크기 및 벽 두께)는 손상 내성 및 파손 메커니즘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 순환 하중 이후 관찰된 주요 손상 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 하중-해제 곡선은 복합재의 점탄성 성질을 어느 정도 반영하는가?

주요 결과

• 심층 거품은 수차례의 하중 사이클 후에도 잔류 변형이 최소화되어 높은 탄성 복원성을 보였다.
• 넓은 압축 변형률 범위에서 뚜렷한 에너지 소산이 관찰되어 강력한 진동 감쇠 능력을 보였다.
• SEM 분석을 통해 허브 폴리머 마이크로스피어의 추가로 매트릭스 손상이 효과적으로 완화됨을 확인하였다.
• 하중-해제 곡선은 명확한 점탄성 거동을 보였으며, 히스테리시스 루프는 각 사이클 동안의 에너지 손실을 나타내었다.
• 최적의 벽 두께와 크기 분포를 가진 마이크로스피어는 손상 내성 향상과 기계적 안정성 향상에 기여하였다.
• 손상 메커니즘은 주로 마이크로스피어-매트릭스 인터페이스 부위에 국한되었으며, 잘 분산된 복합재에서는 매트릭스 균열이 최소화되었다.