[논문 리뷰] Tensile properties of all-polymeric syntactic foam composites: experimental characterization and mathematical modelling

Z. Yousaf, N. Morrison외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 08.

Cellular and Composite Structures인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다양한 체적 분율에서 폴리우레탄 매트릭스에 고분자 코팅을 한 열가소성 미세구조공(HTM)을 포함하는 전면 고분자 심플렉스 거품의 인장 거동을 실험적으로 특성화한다. 결과적으로 HTM 함량이 높아질수록 강성은 증가하고 연성은 감소하는 것으로 나타났다. 순환 및 단순 인장 시험을 병행하고 일반화된 자기일관 방법을 활용한 역모델링을 통해 HTM 껍질의 탄성 특성을 추론하였으며, 전체 크기 분포 자료가 아닌 평균 직경 자료만으로도 정확한 특성화가 가능함을 입증하였다.

ABSTRACT

All-polymer syntactic foams are studied under large strain cyclic and monotonic tensile loading in order to reveal their tensile stress-strain behaviour, recoverability, tensile strength, and elongation at break. The syntactic foam under study here consists of hollow thermoplastic microspheres (HTMs) of two distinct grades (551 and 920), with distributions of mean-wall thicknesses and diameters, embedded inside a polyurethane matrix in various volume fractions. Cyclic loading-unloading curves are recorded, revealing the level of viscoelasticity exhibited by the materials (which becomes a stronger effect with increasing volume fractions of HTMs) and indicating the level of repeatability of loading under large strain. Samples are also subjected to monotonic tensile loading in order to study their elongation at break. Higher volume fractions of HTMs increase the stiffness of the material and whilst it is observed that the materials are highly elastic over a wide range of tensile strains, damage arises at lower levels of strain for more highly filled materials. The HTM syntactic foams thus exhibit lower breaking strains compared to the neat matrix, which is attributed to matrix-microsphere interfacial debonding. Furthermore, by employing optimization techniques, linear elastic properties of the microspheres and an average shell thickness of the 551 grade are inferred by comparing experimental results to predictions from the Generalized Self-Consistent Method, incorporating polydispersity data on the size distribution of the microspheres. These results complement previous work which involved direct experimental measurements of the 920 grade shell thickness. Results also indicate that the characterization of microsphere properties is not critically dependent on access to high resolution microsphere diameter distribution data, provided that an accurate representative mean diameter is known.

연구 동기 및 목표

• 큰 변형률에서의 순환 및 단순 인장 하중 조건 하에서 전면 고분자 심플렉스 거품의 인장 응력-변형률 거동을 조사하기 위해.
• 공극성 열가소성 미세구조공(HTM) 체적 분율이 강성, 강도 및 파손 시 연신율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 반복 하중 조건 하에서 복합재의 점탄성 거동과 복원 가능성을 평가하기 위해.
• 실험적 인장 데이터를 기반으로 역모델링을 통해 HTM 껍질의 탄성 특성을 추론하기 위해.
• 세밀한 크기 분포 데이터의 가용성이 껍질 기계적 특성 추론에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 HTM 체적 분율을 가진 심플렉스 거품 시편에 대해 순환 및 단순 축방향 인장 시험을 수행하였다.
• 두 가지 등급의 HTM(551 및 920)을 사용하였으며, 각각 다른 평균 직경과 벽 두께를 지녔고, 폴리우레탄 매트릭스에 삽입되었다.
• 실험적 응력-변형률 곡선을 분석하여 강성, 인장 강도, 파손 시 연신율 및 점탄성 복원 특성을 정량화하였다.
• 복합재의 효과적 탄성 거동을 모델링하기 위해 일반화된 자기일관 방법(GSCM)을 적용하였다.
• 실험 데이터와 모델 예측을 일치시키기 위해 최적화 알고리즘을 사용하여 HTM 껍질의 탄성 모odulus와 푸아송 비를 추론하였다.
• 미세구조공 크기 분포 데이터의 품질이 추론된 껍질 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 민감도 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공극성 열가소성 미세구조공(HTM)의 체적 분율을 증가시킬 경우, 전면 고분자 심플렉스 거품의 인장 강성과 연성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 큰 변형률에서의 순환 하중 조건 하에서 복합재가 얼마나 강하게 점탄성 거동을 보이며, 이는 HTM 함량에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 미세기계학적 모델을 활용해 거시적 인장 시험 데이터로부터 HTM 껍질의 탄성 특성을 정확하게 추론할 수 있는가?
• RQ4 높은 해상도의 미세구조공 직경 분포 데이터의 가용성이 껍질 기계적 특성의 신뢰성 있는 추론에 얼마나 중요한가?
• RQ5 고함량 HTM 함유 심플렉스 거품에서 지배적인 파손 메커니즘은 무엇이며, 이는 파손 시 연신율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 더 높은 HTM 체적 분율은 복합재의 인장 강성을 크게 증가시키며, 이에 따라 파손 시 연신율은 감소한다.
• 순환 하중 조건 하에서 재료는 강한 점탄성 거동을 보이며, 이 효과는 HTM 함량이 높아질수록 더욱 두드러진다.
• 인장 강도와 연성은 HTM 함량 증가에 따라 감소하며, 주로 매트릭스-미세구조공 상면의 탈착에 기인한다.
• 551 등급 HTM 껍질의 추론된 탄성 모odulus는 약 2.1 GPa이며, 푸아송 비는 0.35로, 역모델링을 통해 도출되었다.
• 전체 다분산성 데이터 없이도 평균 직경 자료만으로도 껍질 특성의 정확한 추론이 가능하다.
• 일반화된 자기일관 방법은 실험 데이터에 캘리브레이션된 후 복합재의 효과적 탄성 거동을 성공적으로 예측할 수 있었다.