[논문 리뷰] Non-Destructive Acoustic Test (NDAT) to Determine Elastic Modulus of Polymeric Composites

Seyyed Yahya Mousavi, Mohammad Mahdi Jalili외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 25.

Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation참고 문헌 10인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 종방향 자유 진동을 기반으로 한 비파괴 음향 검사(NDAT) 방법을 제안하여 고무성 복합재의 탄성 계수를 측정하며, 파괴적 기계적 시험과 강한 일치를 보였다. 이 방법은 유리섬유, 탄소섬유, 대마섬유 강화 폴리에스터 복합재에서 높은 반복성과 정확성을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, three different fiber polyester composites (glass fiber, carbon fiber and hemp fiber) were separately prepared via pultrusion method. Then, a Non Destructive Acoustic Test (NDAT) based on longitudinal free vibration was utilized to measure viscoelastic properties of resultant composites. Also, the way to obtain composites' elastic modulus was discussed in details. The results showed a tremendous agreement between destructive mechanical methods and NDAT method based on longitudinal free vibration. Furthermore, this method revealed an excellent repeatability

연구 동기 및 목표

• 섬유 강화 고무성 복합재의 탄성 계수를 측정하기 위한 비파괴 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 파괴적 기계적 시험과 비교하여 음향 검사의 신뢰성과 반복성을 평가하기 위해.
• 유리, 탄소, 천연 대마섬유를 포함한 다양한 섬유 유형에 대한 NDAT의 적용 가능성을 조사하기 위해.
• 압출 성형 복합재의 점탄성 거동 평가를 위한 실용적이고 침습적이지 않은 절차를 수립하기 위해.
• NDAT 방법이 시간 소모가 많고 자원 낭비가 심한 기계적 시험의 실질적인 대안이 될 수 있도록 검증하기 위해.

제안 방법

• 유리, 탄소, 대마섬유를 사용한 세 가지 유형의 섬유 강화 폴리에스터 복합재를 압출 성형법으로 제작하였다.
• 복합재 시편에 종방향 자유 진동을 유도하여 음향 공진 모드를 자극하였다.
• 비파괴 음향 기법을 사용하여 기본 공진 주파수를 측정하였다.
• 종방향 진동 이론에서 유도된 이론적 관계를 사용하여 측정된 공진 주파수에서 탄성 계수를 계산하였다.
• 이 방법은 공진 주파수, 시편 길이, 재료 밀도 간의 관계에 기반하여 탄성 계수를 유추한다.
• 정확성 검증을 위해 표준 파괴적 기계적 시험에서 얻은 결과와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 종방향 자유 진동을 기반으로 한 NDAT는 고무성 복합재의 탄성 계수를 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 NDAT로 유도된 탄성 계수는 파괴적 기계적 시험으로부터 확보된 값과 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다양한 섬유 강화 복합재 유형에서 NDAT 방법의 반복성과 일관성은 어떠한가?
• RQ4 NDAT 방법은 천연(대마), 합성(유리), 고급(탄소) 섬유 복합재에서 모두 정확성을 유지하는가?
• RQ5 NDAT는 전통적인 기계적 시험의 신뢰할 수 있는 비파괴적 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• NDAT 방법은 측정된 탄성 계수와 파괴적 기계적 시험 결과 사이에 강한 일치를 보였다.
• 동일한 복합재 시편에 대한 반복 측정에서 이 방법은 뛰어난 반복성을 보였다.
• NDAT를 통해 확보된 탄성 계수 값은 모두 세 가지 복합재 유형(유리, 탄소, 대마섬유 강화 폴리에스터)에서 일관되었다.
• 이 연구는 종방향 진동 기반 NDAT가 비파괴 탄성 계수 평가를 위한 실현 가능하고 정확한 방법임을 확인하였다.
• 결과는 복합재 품질 관리에서 파괴적 시험 대비 시간과 자원을 절약하는 데 효과적인 NDAT의 활용을 뒷받침한다.
• 이 방법의 정확성과 반복성은 다양한 섬유 강화 고무성 재료에 걸쳐 검증되었다.