[논문 리뷰] Simulation of Particle Size Effect on Dynamic Properties and Fracture of PTFE-W-Al Composites

Eric B. Herbold, Jing Cai외 2명|arXiv (Cornell University)|2007. 08. 09.

Tribology and Wear Analysis인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 다중물질 오일러 및 임의 라그랑주-오일러 시뮬레이션을 사용하여 텅스텐(W) 입자 크기가 PTFE-W-Al 복합재의 동적 기계적 거동과 파손에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 더 미세한 W 입자가 동적 압축 하에서 하중 전달을 향상시켜 힘의 사슬 형성을 유도함으로써, 더 높은 다공도에서도 강도를 향상시킨다.

ABSTRACT

Recent investigations of the dynamic compressive strength of cold isostatically pressed composites of polytetrafluoroethylene (PTFE), tungsten (W) and aluminum (Al) powders show significant differences depending on the size of metallic particles. The addition of W increases the density and overall strength of the sample. To investigate relatively large deformations multi-material Eulerian and arbitrary Lagrangian-Eulerian methods, which have the ability to efficiently handle the formation of free surfaces, were used. The calculations indicate that the increased strength of the sample with fine metallic particles is due to the formation of force chains under dynamic loading. This phenomenon occurs even at larger porosity of the PTFE matrix in comparison with samples with larger particle size of W and higher density of the PTFE matrix.

연구 동기 및 목표

• PTFE-W-Al 복합재의 동적 압축 강도 및 파손 거동에 미치는 텅스텐 입자 크기의 영향을 이해하기 위해.
• 특히 다공도와 입자 크기와 같은 미세구조적 요소가 고변형률 속도 하에서 기계적 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 미세한 금속 입자를 포함한 복합재에서 힘의 사슬 형성이 강도 향상에 기여하는지 확인하기 위해.
• 다중물질 오일러 및 임의 라그랑주-오일러 방법이 이질적 복합재에서 큰 변형 및 자유 표면 형성 시뮬레이션에 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 큰 변형 및 자유 표면 진화를 모델링하기 위해 다중물질 오일러(MME) 및 임의 라그랑주-오일러(ALE) 수치 방법을 사용하였다.
• 다양한 텅스텐 입자 크기와 기질 다공도를 가진 PTFE-W-Al 복합재에 대해 동적 압축 하중을 시뮬레이션하였다.
• PTFE의 점소성 거동과 W 및 Al의 탄성-플라스틱 반응을 고려한 재료 모델을 사용하였다.
• 동적 하중 하에서 힘의 사슬 형성 여부를 확인하기 위해 응력 분포 및 변형 국부화를 추적하였다.
• 다른 다공도에서 미세한 vs. 거친 W 입자를 가진 복합재를 비교하는 정량적 연구를 수행하였다.
• 이전 연구에서의 실험적 동적 압축 강도 경향과 시뮬레이션 결과를 비교 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 텅스텐 입자의 크기가 PTFE-W-Al 복합재의 동적 압축 강도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 다양한 W 입자 크기를 가진 PTFE-W-Al 복합재에서 다공도는 기계적 거동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 미세한 W 입자를 가진 복합재에서 관찰된 강도 향상은 힘의 사슬 형성으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 다중물질 오일러 및 ALE 방법은 이질적 복합재에서 자유 표면 형성과 큰 변형을 어떻게 모의하는가?
• RQ5 미세한 W 입자가 동적 하중 하에서 PTFE 기질 내 하중 전달을 더 효과적으로 유도하는가?

주요 결과

• 더 미세한 텅스텐 입자를 가진 복합재는 더 거친 입자를 가진 복합재보다 높은 동적 압축 강도를 나타낸다.
• 동적 하중 하에서 힘의 사슬 형성이 강도 향상의 핵심 메커니즘으로 작용하며, 더 높은 다공도의 샘플에서도 마찬가지로 성립한다.
• 기질의 밀도가 감소함에도 불구하고 미세 입자가 유도하는 강도 향상은 유지되며, 이는 미세구조적 하중 전달 효율성을 시사한다.
• 다중물질 오일러 및 ALE 방법은 동적 하중 하에서 복잡한 변형 및 자유 표면 진화를 성공적으로 모의하였다.
• PTFE 기질의 다공도가 높더라도, 미세한 W 입자가 존재할 경우 여전히 효과적인 힘의 사슬 형성이 이루어지며, 이는 강도 향상 효과를 유지한다.
• 시뮬레이션 결과는 PTFE-W-Al 복합재에서 입자 크기 효과가 동적 거동에 뚜렷하게 영향을 준다는 실험 관측 결과와 일치한다.