[논문]FGMs의 최적화 제조와 DIC 평가

권오헌

doi:10.14346/jkosos.2011.26.5.027

FGMs의 최적화 제조와 DIC 평가
Optimized Fabrication of FGMs and DIC Evaluation 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.26 no.5, 2011년, pp.27 - 32

Abstract ▼ AI-Helper

Recently new technological development needs the advances in the fields of new materials. The most advanced design is not useful if new material's performance is not realized adequately for bearing the service loads and conditions. FGMs suggests the reasonable solution for the those requirements because of its wide range microstructure and the continuous constitutions. It's especially good for the heat-resisting components, piezoelectricity and aerocraft fields. However the fabrication and its experimental estimation methods have not been established because of its various freedom of material's properties. Therefore it is necessary to develope the fabrication method and estimation of strength and deformation. The experiments are conducted under a four point flexural test. According to results, this study shows that FGMs is well fabricated and the deformation and strain fields are expressed very well by digital image correlation method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

게다가 면적이 큰 구조물의 경우에는 휨의 문제도 발생되며 경계면에서의 응력 문제도 발생된다. 따라서 본 연구에서는 세라믹재료와 금속재료를 이용한 FGMs를 제조한 후 제조된 FGMs의 물리적 기계적 성능을 평가하기 위하여 디지털 이미지 상관관계(Digital Image Correlation; DIC)법⁴⁾을 이용한 실험을 수행하고 그 유효성을 조사하고자 한다. 지난 수 십년간 변형과 응력을 측정하기 위한 다양한 기법은 수치해석적 기법, 광탄성실험법⁵⁾, 모아레간섭법⁶⁾, ESPI(Electronic Speckle Pattern Interferometry)법⁷⁾, 및 등이 상당한 신뢰성을 가지고 사용되어져 왔다.
1980년대 이후 개발되어 온 DIC법은 측정 대상 표면의 변형 전 후에 나타나는 스펙클(speckle) 패턴의 움직임을 기록하여 전 영역의 변형 정보를 얻는 기법이다. 본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 FGMs 제조에 대한 기술을 확립함과 동시에 FGMs의 재료 강도적 특성평가에 DIC법의 유용성을 수립하고자 한다.

제안 방법

재료는 여러 비의 분말을 혼합하여 Al₂O₃/Ni FGMs을 성형하였다. 6가지(5, 10, 20, 40, 60, 80%) 분말조성은 에탄올로 습식 볼밀 혼합한 후 10 MPa의 성형로에서 각 성분비율당 약 3 mm 두께로 Fig. 1과 같이 원통형으로 금형성형하였다. 성형된 분말성 형체는 HIP(Hot Isostatic Press; 1200℃, 100 MPa, 30분)질소챔버를 이용하여 소결하여 FGMs으로 제작 완성하였다.
계면상의 불균질변화는 재료의 열팽창계수 차이에 따른 열적 열화에 매우 민감한 영향을 미친다. 따라서 열적 물리적 불일치에 의한 영향을 최소화하는 방향으로 FGMs을 성형하기 위하여 가능한 입자의 조성성분의 조절과 산포도를 최적화하였다. 본 연구에서는 조성성분의 산포도를 확인하기 위하여 금속광학 현미경으로 면밀히 관찰한 후 소결성형하였다.
본 연구에서는 세라믹기지재료인 Al₂O₃ 1 µm APS파우더와 Ni파우더(1 µm)를 혼합하여 Al₂O₃/Ni FGMs을 성형하는 기법을 수립하였으며 얻어진 FGMs 복합재료는 DIC기법을 이용한 변형장을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
따라서 열적 물리적 불일치에 의한 영향을 최소화하는 방향으로 FGMs을 성형하기 위하여 가능한 입자의 조성성분의 조절과 산포도를 최적화하였다. 본 연구에서는 조성성분의 산포도를 확인하기 위하여 금속광학 현미경으로 면밀히 관찰한 후 소결성형하였다.
성형된 FGMs의 조직관찰을 위하여 광학현미경을 사용하여 산포를 확인한 후 전자식주사현미경(SEM)을 이용하여 계면의 연속성을 확인하였다. 다층재료로 구성된 FGMs는 경계면에 불연속적 조성을 가질 수 있으며 이로 인하여 변형 및 응력의 불균일과 요구된 강도의 크기를 유지 못하게 된다.
시험편은 FGMs 디스크에서 각 체적분율로 15×4×2 mm의 크기로 제작한 후 DIC 측정을 위하여 스펙클 패턴을 형성하였다.
4는 성형제작된 FGMs 재료를 Ni/Al₂O₃ 각 조합 성분별로 선택하여 경도실험을 수행한 결과이다. 실험은 미소 비커스경도기를 사용하여 3회 이상 수행하였으며 경도측정 하중은 1.96 N, 압입시간은 15초로 정하였다. Al₂O₃ 체적분율 비가 100%인 경우가 가장 큰 값으로 평균 900을 나타내었다.
적절한 초기추측치의 설정으로부터 반복계산하여 기준 상태의 서브셋 픽셀과 하중에 의한 변형상태의 서브셋 픽셀의 최적 매치상태를 얻음으로써 U, V 변위를 계산할 수 있다. 얻어진 변위장으로부터 변형률을 평가한다. 최적매치는 서브셋 S를 나타내는 그레이 수준값으로 주어지는 오차함수를 최소화함으로써 얻어진다.
또한 열차폐 효과를 효율적으로 얻을 수 없게 된다. 요구된 조성설계대로 이루어진 FGM의 성형이 확인 된 후 물리적, 기계적 특성을 파악하기 위하여 경도 및 4점 굽힘 시험을 수행하였다.
재료특성치 실험 및 강도평가는 기본적으로 경도 및 4점굽힘시험을 수행하였으며 표면의 변형률 측정은 배면 변형률 스트레인 게이지를 부착하여 수행됨과 동시에 3차원 DIC를 통한 변형률 측정을 시행하여 강도해석에 적용하였다. 4점굽힘 실험에 사용된 시험편은 원통형(직경 21.

대상 데이터

재료특성치 실험 및 강도평가는 기본적으로 경도 및 4점굽힘시험을 수행하였으며 표면의 변형률 측정은 배면 변형률 스트레인 게이지를 부착하여 수행됨과 동시에 3차원 DIC를 통한 변형률 측정을 시행하여 강도해석에 적용하였다. 4점굽힘 실험에 사용된 시험편은 원통형(직경 21.48 mm, 높이 23.95 mm)으로 성형된 FGMs을 조성비율에 따라 두께가 약 2.8 mm의 경계층을 기준으로 하여 2 mm두께로 정밀히 디스크형태로 절단한 후 길이 15 mm, 폭 4 mm가 되도록 절삭하였다. DIC는 변형체의 내·외부에 발생되는 변위 및 변형률을 전장(full-field)에서 실시간으로(real time) 평가할 수 있는 방법으로, 시험편 표면의 변형 전·후의 스펙클 패턴의 움직임을 평가하여 변위장을 얻는 기법이다.
세라믹재료는 Al2O3 1 µm APS(Atmospheric Plasma Spraying) 분말과 Ni 분말(1 µm)을 사용하였다.
1 µm APS(Atmospheric Plasma Spraying) 분말과 Ni 분말(1 µm)을 사용하였다. 재료는 여러 비의 분말을 혼합하여 Al₂O₃/Ni FGMs을 성형하였다. 6가지(5, 10, 20, 40, 60, 80%) 분말조성은 에탄올로 습식 볼밀 혼합한 후 10 MPa의 성형로에서 각 성분비율당 약 3 mm 두께로 Fig.

데이터처리

DIC기법에 의하여 시험편의 표면에 나타나는 변위 및 변형률장의 측정을 위하여서는 시험 중 시험편 변형 영상을 1391×1039 픽셀을 가지는 고해상도 CCD카메라(QICAM)로 일정간격으로 취득한다. 광원은 광섬유 조명기를 사용하고 획득된 변형영상은 DIC 해석프로그램을 이용하여 평가하였다. Fig.
기준이미지 서브셋과 변형 이미지 서브셋 사이의 유사도를 측정하기 위하여 상관관계계수를 사용한다. 상관관계계수 C는 ZNSSD(Zero normalized sum of squared differences)수법¹¹⁾을 사용하여 두 임의의 점 P(x₀, y₀), Q(x_i, y_i)에 대한 변형 후의 점 P'(x'₀, y'₀), Q(x'_i, y'_i)에 대하여 다음 식 (2)에 의해 주어진다.

이론/모형

2는 4점굽힘실험을 위하여 장착된 지그 및 카메라의 위치를 나타내고 있다. 4점굽힘지그는 ASTM C11618)을 따라 제작되었다.

성능/효과

1) Al₂O₃/Ni FGMs이 요구된 조성설계대로 이루어진 성형이 확인되었다.
2) 마이크로비커스경도는 100~900의 경도값이 체적분율에 따라 얻어졌다.
3) DIC 평가에 의하여 변형률 및 변위장의 변화가 하중증가에 따라 시편 전체면적에 대하여 잘 표현되었다.
4) 각 체적분율에 따른 탄성계수는 DIC평가에서 얻어진 변형률에 의해 얻어질 수 있다.
하중단계별로 전 평가영역에 있어서 변형률의 변화를 시각적으로 잘 표현하고 있다. 변형률 등고선의 변화를 보면 5%일 때는 균질재의 변형률 등고선의 양상과 거의 유사하나 60%의 경우는 최대변형률이 나타나는 모양이 u변위방향에 따라 섬의 형태를 반복하여 나타나고 있음을 보여준다. 이것은 일반적 균질재와 다르게 Al₂O₃와 Ni 분말복합재료의 물성치 차이에 따른 결과로 보여지며 유사한 결과가 20 %, 40%의 경우에도 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FGMs 복합재료의 최적의 조합을 찾기 어려운 까닭은?	그러나 FGMs는 재료에 따라 현상, 조직, 특성 등이 다양하게 나타나기 때문에 FGMs 복합재료의 제조방법 및 그 평가기법은 아직까지 명확히 확립되어져 있지 않다. 즉 재료의 자유도가 크기 때문에 최적의 조합을 찾기 어렵고 합성의 최적조건을 얻기 어렵다3). 또한 다른 많은 조성의 물성을 파악하여 제어해야 할 뿐만 아니라 가압에서 형상을 제어 유지하기가 쉽지 않다.
	항공우주기술의 주요소는 무엇이 있는가?	기능경사재료(Functional Graded Materials; FGMs)에 대한 연구는 미국의 국가기반기술로서 많은 주목을 받으며 다양한 범위에서 응용이 기대되고 있다. 특히 항공우주기술의 주요소인 내열특성분야, 핵융합로의 부품, 압전재료, 인공생체재료 등 그 실용성은 광범위하게 적용될 수 있다. 그러나 FGMs는 재료에 따라 현상, 조직, 특성 등이 다양하게 나타나기 때문에 FGMs 복합재료의 제조방법 및 그 평가기법은 아직까지 명확히 확립되어져 있지 않다.
	DIC법이란?	이 중에서 DIC 평가를 이용하면 실시간으로 시험부 전 영역에 대하여 변형을 측정할 수 있다. 1980년대 이후 개발되어 온 DIC법은 측정 대상 표면의 변형 전 후에 나타나는 스펙클(speckle) 패턴의 움직임을 기록하여 전 영역의 변형 정보를 얻는 기법이다. 본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 FGMs 제조에 대한 기술을 확립함과 동시에 FGMs의 재료 강도적 특성평가에 DIC법의 유용성을 수립하고자 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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