고객 성과 - 4D CT, 폼 알루미늄의 역학적 및 에너지 흡수 성능 연구

버블알루미늄은 다공성 재료와 금속 성질을 결합한 다공성 금속 재료로 밀도가 낮고 에너지 흡수 성능이 높으며 회수성이 있기 때문에 현재 재료 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있으며 개발 전망이 있는 공사 재료이다. 특히 교통 운수, 항공 우주, 건축 구조 등 분야에서 광범위하게 응용되었다.

청도리공대학 진범수 교수가 인솔한 팀은 삼영정밀에서 온 고해상도 X선 3차원 현미경 CT와 부대 원위 적재 시스템을 채용하여 거품 알루미늄의 역학적 성능에 대해 심도 있는 연구를 진행하였다.밀도가 각각 0.217g/cm3, 0.347g/cm3, 0.414g/cm3와 0.588g/cm3인 폐공포말알루미늄을 제자리에 탑재하는 실험을 통해 밀도별 거품알루미늄의 공극률, 층별 얼굴극률, 공경분포와 구형도 등 공구조파라미터가 거품알루미늄의 역학적 성능과 흡수성능에 미치는 영향, 알루미늄의 밀도 차이를 비교 분석하여 밝혔다.

1. 재료와 방법

　　1.1 재료 제조

본 연구는 1060공업 순수 알루미늄을 기재로 하고 TiH2를 발포제로 하며 용해체 발포 공정을 채택하여 제조 사이즈가 Φ30mm×30mm인 폐공 거품 알루미늄 재료를 연구 대상으로 하고 거품 알루미늄 밀도가 증가함에 따라 거품 구멍이 점차 감소한다(그림 1).

그림 1 폼 알루미늄 원통형 시험 부품의 네 가지 밀도:

(A) 0.217g/cm3, (B) 0.347g/cm3, (C) 0.414g/cm3, (D) 0.588g/cm3

　　1.2 실험 방법

중국 톈진삼영정밀기기주식유한공사가 생산한 nanoVoxel-2000 시리즈 고해상도 X선 3차원 현미경 CT를 사용하여 4가지 밀도의 폼알루미늄 원통형 시험 부품에 대해 해상도 25.2μm의 무손실 스캐닝을 진행한다.

삼영정밀nanoVoxel-2000현미경 CT

복구 소프트웨어를 사용하여 3D 복구를 수행하여 3D 복구 이미지를 얻습니다 (그림 2).이와 동시에 3차원시각화소프트웨어를 응용하여 거품알루미니움의 공극률, 층층이 얼굴극률 등 공구조매개변수를 분석한다.

그림 2 네 가지 밀도의 거품 알루미늄의 3차원 재구성 이미지

(A) 0.217g/cm³, (B) 0.347g/cm³, (C) 0.414 g/cm³, (D) 0.588 g/cm³

　　1.3 제자리 적재 시험

Micro-CT 오리지널 로드 시스템을 사용하여 변위 로드 모드에 따라 3mm/min 속도로 단축 로드 시험을 수행합니다.압두가 시험 부품에 처음 접촉했을 때 초기 순간으로 기록되면 Micro-CT 스캐닝으로 폼 알루미늄의 초기 형태를 기록한 후 압두가 3mm 아래로 내려갈 때마다 CT 스캐닝을 한다.이와 동시에 부대소프트웨어를 통해 데터수집을 진행하여 력-변위곡선을 얻고 응력-응변곡선을 계산하여 페공포말알루미니움의 력학성능을 평가한다.

icro-CT 오리지널 로드 시스템 설명도: (A) 가압 원통 부감도 (B) 가압 원통 평면도 (C) 가압 장치 압두

　　2.주요 성과

　　2.1 공극률과 층별 얼굴극률

4가지 밀도의 폼알루미늄 시제품을 CT 스캔하여 임계값 분할법으로 4가지 폼알루미늄의 공재 공극률을 얻는다 (그림 3 (a).분석 결과 네 가지 거품 알루미늄의 층별 얼굴 틈새 분포를 얻었다. 그림 3 (b) 의 드로잉 결과에 따르면 같은 밀도의 거품 알루미늄은 XY, XZ, YZ 세 방향의 층별 얼굴 틈새 분포가 기본적으로 일치하고 네 가지 밀도 거품 알루미늄의 층별 얼굴 틈새 분포는 크게 네 구간에 분포되어 있다.

그림 3 (a) 네 가지 밀도 거품 알루미늄의 공극률 (b) 네 가지 밀도 거품 알루미늄의 서로 다른 절편의 층별 얼굴 극률

서로 다른 밀도 거품 알루미늄의 역학적 변이성을 더욱 분석하기 위해 균일한 로드 과정 중의 XY 방향 슬라이스의 층별 얼굴 틈새율을 비교 분석한다.3mm씩 압축하여 시험 부품을 CT 스캔하면 0.1이 됩니다.네 가지 밀도 거품 알루미늄 압축 과정 중의 층별 얼굴 틈새 분포 결과 (그림 4) 는 층별 얼굴 틈새 분포 곡선이 모두 두 끝이 낮고 중간이 높은 현상을 나타내는데, 이는 발포 공정과 시험 부품 형상과 관련이 있음을 나타낸다.응변이 0에서 0.7로 늘어나는 과정에서 거품구멍의 붕괴와 변형구가 점차 형성되였다.

그림 4 네 가지 밀도 폼 알루미늄의 층별 틈 (A) 0.217g/cm³, (B) 0.347g/cm³, (C) 0.414g/cm³, (D) 0.588g/cm³

적재 과정 중 거품 알루미늄의 붕괴 과정 (그림 5) 은 응변이 0.1일 때 거품 알루미늄은 탄성 단계에 있고 구조는 거의 변화가 없으며 거품 알루미늄은 응변이 증가함에 따라 천천히 무너지고 거품 구멍의 형태는 점차 변한다.거품구멍의 붕괴는 일반적으로 가장 취약한 구역에서 시작하여 국부적인 변형구역을 형성하며 변형구역은 응변이 증가함에 따라 점차 확대된다.0.7로 변해야 할 때 거품알루미니움의 내부구조는 이미 완전히 개변되였다. 특히 밀도가 0.58g/cm3인 거품알루미니움은 적재한후 더욱 큰 압력을 받아 최종적으로 끊어지고 완전히 파괴되였으며 그 후기의 붕괴도 기타 세가지 밀도의 거품알루미니움보다 더욱 완전하다.

그림 5 로드 중 폼 알루미늄의 붕괴 과정 (A) 0.217g/cm³, (B) 0.347g/cm³, (C) 0.414g/cm³, (D) 0.588g/cm³

　　2.2 공경 분포

공경분포는 거품알루미니움의 기계성능과 에네르기흡수에 영향을 주는 또 하나의 주요요소로서 분수령계산법을 채용하여 얻은 기포공 등효공경의 주파수와 디지털백분률분포도 (그림 6) 는 거품알루미니움의 기공수량은 주로 작은 구멍부분에 분포되여있으며 당량에 따라 공경이 증가되고 곡선의 상승속도가 아주 느리다는것을 보여준다.폼알루미늄의 밀도가 클수록 당량 공경 분포 범위가 작아진다. 밀도가 0.588g/cm3인 폼알루미늄은 0.217g/cm3인 폼알루미늄보다 당량 공경 분포 범위가 절반으로 줄어들고 기포 모양은 밀도가 증가함에 따라 구형에 더 가깝다.

그림 6 네 가지 밀도 거품 알루미늄의 공경 분포

(A) 0.217g/cm³, (B) 0.347g/cm³, (C) 0.414 g/cm³, (D) 0.588 g/cm³

　　2.3 구형도

구형도는 풍선 모양이 표준인지 여부를 측정합니다.분수령 알고리즘을 사용하여 폼 알루미늄의 거품 구멍을 분할하고 각 거품 구멍의 표면적과 부피를 계산하고 통계합니다.거품 알루미늄 포공 구형도 분포 산점도 (그림 7) 는 거품 알루미늄 밀도가 높을수록 구형도 분포가 치밀하고 구형도가 좋다는 것을 보여준다.공극률이 증가하면 더 많은 불규칙 기포가 수반된다.거품구멍의 구형도는 거품알루미늄이 응고하는 과정에서의 발포와 배출현상과 관련되는데 4가지 거품알루미늄의 구형도분포는 대부분 상반부에 집중되여있는데 이는 제조된 거품알루미니움구조가 비교적 균일하다는것을 말해준다.

그림 7 네 가지 밀도 거품 알루미늄 포공 구형도 분포 산점도

(A) 0.217g/cm³, (B) 0.347g/cm³, (C) 0.414 g/cm³, (D) 0.588 g/cm³

거품 구멍의 모양 변화를 보다 직관적으로 볼 수 있도록 밀도가 0.588g/cm³인 폼알루미늄 일반 거품 구멍의 경우 거품 구멍 3차원 그림을 그린다(그림 8).그 결과 거품구멍의 모양은 대부분 구형이나 타원형이고 일부분만 거품구멍의 모양이 불규칙한것은 발포가 형성된 무규칙적인 거품구멍이 량호한 구형성을 갖고있음을 말해준다.

그림 8 밀도가 0.588g/cm³인 폼 알루미늄의 거품 구멍 3차원 그림

　　2.4 제자리 적재 과정 중의 응력 응변 관계

일정한 속도로 거품 알루미늄을 압축하여 적재 과정에서 일정한 응변률을 유지하도록 함으로써 얻은 응력-응변 곡선 (그림 9) 은 밀도가 비교적 큰 거품 알루미늄의 응력-응변 곡선이 상단에 있음을 나타낸다.응력-응변곡선은 탄성단계, 응력플랫폼단계, 치밀화단계 등 3단계로 나뉜다.그중 거품알루미니움은 응력플랫폼기에 대량의 에네르기를 흡수하였고 거품구멍에 가소성변형과 붕괴가 나타났으며 치밀단계까지 응력이 기하급수적으로 증가되였는데 이런 지속적인 붕괴는 거품알루미니움의 에네르기흡수에 영향을 미치게 된다.

그림 9 네 가지 밀도 거품 알루미늄의 응력 - 응변 곡선

포말 알루미늄의 탄성 단계의 주요 역학 매개변수는 표 2와 같다: 밀도가 0.588g/cm³인 포말 알루미늄의 굴복 응력은 밀도가 0.217g/cm³인 포말 알루미늄의 거의 7배이며, 네 가지 밀포말 알루미늄의 굴복 응변은 모두 비교적 가깝다.고밀도 폼알루미늄은 탄성 계수가 비교적 커서 최대 약 5배의 차이가 난다.

표2 거품 알루미늄의 탄성 단계의 주요 역학 파라미터

2.5 제자리 적재 과정 중의 에너지 흡수

계산을 통해 네 가지 밀도 거품 알루미늄의 에너지 흡수 능력과 에너지 흡수 효율의 응력과 응변에 따른 변화를 얻었다 (그림 10).드로잉 결과 거품 알루미늄의 에너지 흡수와 응변은 정선성 관계에 가깝고 거품 알루미늄의 밀도가 클수록 에너지 흡수력이 강하다.구조가 균일할수록 거품알루미늄의 에너지 흡수 효율이 높다;에너지 흡수 효율은 응력에 따라 변화하는 세 단계, 응력-응변 곡선에 대응하는 세 단계: 완만한 상승 구역(탄성 단계), 급격한 상승 구역(응력 플랫폼 단계), 하강 약화 구역(치밀화 단계), 그 중에서 응력 플랫폼 단계는 거품 구멍의 흡수 효율에 영향을 주는 관건적인 단계이자 거품 구멍의 흡수 에너지 변형의 관건적인 단계이다.

그림 10 네 가지 밀도 거품 알루미늄의 에너지 흡수와 에너지 흡수 효율: (a) 서로 다른 응변하는 에너지 흡수 (b) 서로 다른 응변하는 에너지 흡수 효율 (c) 서로 다른 응력하의 에너지 흡수 (d) 서로 다른 응력하의 에너지 흡수 효율 (σD: 치밀 응력, εD: 치밀 응변)

네 가지 서로 다른 밀도 거품 알루미늄의 역학적 성능 (표3) 을 비교한 결과, 플랫폼 응력과 치밀 응력 및 치밀 응변하의 에너지 흡수 능력은 모두 거품 알루미늄 밀도가 증가함에 따라 증가한다는 것을 발견했다.밀도가 0.588g/cm³인 폼알루미늄의 치밀화 응변이 가장 크고, 밀도가 0.347g/cm³인 치밀화 응변이 가장 작다.시험 부품의 구멍 구조 파라미터는 서로 다른 밀도 거품 알루미늄이 나타내는 역학적 성능, 에너지 흡수 성능 등 역학적 변이성을 결정한다.

표3 서로 다른 밀도 거품 알루미늄의 역학적 성능 비교

결론

본 연구는 Micro-CT를 이용하여 서로 다른 밀도의 거품 알루미늄을 CT 스캔하여 서로 다른 밀도의 거품 알루미늄의 구멍 구조 파라미터(공극률, 층별 얼굴 극률, 공경 분포와 구형도)와 제자리에 로드된 역학적 성능과 에너지 흡수를 분석하였다.

주요 연구 성과는 다음과 같이 귀납할 수 있다: 현장 적재 시험 중 거품 알루미늄 가스 구멍의 붕괴는 고공 극률 구역에서 시작된다;고밀도 거품 알루미늄은 공극률이 낮고 기공이 작으며 구형성이 좋다.고밀도 거품 알루미늄의 응력-응변 곡선은 위에 위치하고 탄성 계량이 크다.에너지 흡수 능력은 거품 알루미늄의 밀도와 관련이 있으며, 밀도가 높은 거품 알루미늄은 에너지 흡수 능력이 크지만, 에너지 흡수 효율은 주로 구조의 균일 여부와 관련이 있다.

그동안 삼영정밀은 X선 CT 영상 기술과 제품 개발에 전념하여 사용자에게 문제를 해결하는 새로운 방법과 새로운 도구를 제공하는데 주력해 왔으며, 앞으로도 계속 과학 연구자들에게 더욱 강력한 조력을 제공할 것이다!