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문제 정의
- 본 연구에서는 온도와 잔류응력에 따른 형상기억합금의특성에초점을맞추어 , 다양한인장실험과양방향효과 (Two-wayeffect) 및 온도변화율에 따른 특성을 파악하였다 . 위 특성실험과 물성치를 바탕으로 양방향효과를이용한간단한작동기 (SimpleSmartWingActuator) 를제작하여적용하였고 , 마지막으로 형상 기억 합금의 구성방정식을 이용하여 현상학적인 모델과 열기계적인 모델을 이용하여 형상 기억 합금의 거동을 예측하고분석하였다.
제안 방법
- Fig.2, 3 data-checked="false">의형상기억합금의초탄성효과와형상기억효과에대한그래프를통하여트레이닝된형상기억합금와이 어의 최대 상변이 변형률( 약 0.04) 과 온도에 따른 형상기억합금의 강성계수 (Young's modulus) 를 확인하였고 , Fig. 4 과 같이 상변이 응력과 온도를 통하여 하중 트레이닝 된 와이어의 상변이 온도와 응력과의관계를 예측하였다.
- 그리고 이러한 결과들을 이용하여간단 한 작동기를제작 , 작동시험을 수행하였다.
- 36mm 이고 길이가 150mm 인형상기억합금와이어를사용하였고 , 토크 스프링 (Torquespring) 은회전축에 연결되어 형상기억합금 와이어에 잔류응력을 주고 , 와이어의 위 부분은 회전축 (Rotation shaft) 에아래부분은하중측정이가능한로드셀에 연결하였다 . 길이조절장치 (Displacement controller) 와로드셀을연결하여형상기억합금와이어의초기길이를 변화시켜잔류응력을조절할수있도록하였고 , data-checked="false">직류전원공급기를이용하여온도를변화시키고이에따른형상기억합 금의길이변화를이용하여날개의회전각 (Attackangle) 을 변화시켰다.
- 1 과같이 반복적인 하중에 대해 상변이 응력(Transformation stress) 이 낮아지며 영구변형이 누적되는 경향을 보인다 . 따라서 인장실험에 앞서 오스테나이트 끝온도(Austenite finish temperature) 이상에서하중에의한트레이닝을 50 data-checked="false">회실시하여영구변형을최소화하고상변이응력이안정화되도록 하였다 . 매실험시초기마르텐사이트상을제거하기위하여 비응력 상태에서 오스테나이트 끝 온도 이상으로 가열하였고 인장실험간 정확한 온도변화를 측정하기 위하여 5 개의열전대 (K-typethermocouple) 를이용하였다 .
- 따라서 트레이닝과 적용된 하중 (Dead Load), 안정화되기 위한 트레이닝 횟수 , 상변이에의한변형률 , 영구변형률과의 관계를 확인하였다 . 또한 다양한 온도 변화율에 따른 실험을 통하여 온도와 변형률 그리고 이력곡선 (Hysteresis) 의변화를확인하였다 .
- 관계를 확인하였다 . 또한 다양한 온도 변화율에 따른 실험을 통하여 온도와 변형률 그리고 이력곡선 (Hysteresis) 의변화를확인하였다 .
- 또한 온도 주기 시간에 따라가 열과냉각온도분포의차이로결과되어지는시간증분효과를관찰하였다 . data-checked="false">끝으로형상기억합금와이어를이용한간단한작동기의적용을통하 여 , 형상기억합금은 반복적인 작동에 있어 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다 .
- 와이어의 온도는 중앙 부분에 연결되어있는 열전대를이용하여측정하였고 , 형상기억합금 와이어의 온도변화는 직류전원 공급기 (DCPower Supply) 를이용하여 와이어 양단에 전류를 흘려 전기적 저항효과(Joule's Effect) 를 이용하여 가열하고 , 냉각시에는 전류량>조절을통한자연냉각을실시하여가열과대칭을이루도록하였다. 또한컴퓨터를이용하여온도변화율을주기당 30~1000 초로 변화시켜 실험을 실시하였다 . data-checked="false">형상기억합금은온도변화에따라상하로반복적인움직임을갖게되며이러한길이 변화를레이저를이용한변위측정계 (LVDT) 를 이용하여 측정한다.
- 따라서 인장실험에 앞서 오스테나이트 끝온도(Austenite finish temperature) 이상에서하중에의한트레이닝을 50 data-checked="false">회실시하여영구변형을최소화하고상변이응력이안정화되도록 하였다 . 매실험시초기마르텐사이트상을제거하기위하여 비응력 상태에서 오스테나이트 끝 온도 이상으로 가열하였고 인장실험간 정확한 온도변화를 측정하기 위하여 5 개의열전대 (K-typethermocouple) 를이용하였다 .
- 본 연구에서는 형상기억합금 거동의 수치 모사를 위해형상기억합금의 특성과 재료 물성치를 위한 실험 장치를 구성하였고 하중․ 온도트레이닝 , 온도시간증분효과 , data-checked="false">잔류응력하에서양방향효과등을포함하는다양한실험을수행 하였고 이를 통하여 거동 전산모사를 수행하였다 . 그리고 이러한 결과들을 이용하여간단 한 작동기를제작 , 작동시험을 수행하였다.
- 36mm 이 고작 동기사용에 적합한 와이어를 사용하였다 . 실험에 앞서 시차 주사 열량계 (Differential Scanning Calorimeter) 를 통하여 비 응력 하에서의 대략적인 상변이 온도를 측정하였으며, INSTRON5565 와 자제 제작한 챔버 (Heat-cool chamber) 를이용하여 -30 ∼ 60 ℃ 의범위에서 5 ℃ 간격으로 각각의 응력 - 변형률관계를측정하였다 . 그러나 Fig.
- 5, 7kg) 를연결하였다 . 와이어의 온도는 중앙 부분에 연결되어있는 열전대를이용하여측정하였고 , 형상기억합금 와이어의 온도변화는 직류전원 공급기 (DCPower Supply) 를이용하여 와이어 양단에 전류를 흘려 전기적 저항효과(Joule's Effect) 를 이용하여 가열하고 , 냉각시에는 전류량>조절을통한자연냉각을실시하여가열과대칭을이루도록하였다. 또한컴퓨터를이용하여온도변화율을주기당 30~1000 초로 변화시켜 실험을 실시하였다 .
- 위 특성실험과 물성치를 바탕으로 양방향효과를이용한간단한작동기 (SimpleSmartWingActuator) 를제작하여적용하였고 , 마지막으로 형상 기억 합금의 구성방정식을 이용하여 현상학적인 모델과 열기계적인 모델을 이용하여 형상 기억 합금의 거동을 예측하고분석하였다.
- 위에서의실험결과를이용하여 Fig. 9 과같이 간단한 날개 형상의 작동기 (Simple smart wing actuator) 를 제작하여 실험을 실시하였다 . 본작동기는지름이 0.
- 작동기의 실험에 앞서 반복에 의한 영구변형을 최소화하기 위해 650MPa 하에서 500 data-checked="false">번의트레이닝된형상기억합금와이어를사용하였고초기마르텐사이트상을제거하 기 위하여 비응력 하에서 오스테나이트 끝 온도 이상으로 가열하였다.
- 5 과같다 . 형상기억합금 와이어를 지름이 작은 와이어에 적합하도록 자체 제작된 고정장치 (Clamp) 에 의해 양끝을 고정하고 , 와이어의 하단부에는 일정한 하중을 위한 추(4, 4.5, 5, 6, 6.5, 7kg) 를연결하였다 . 와이어의 온도는 중앙 부분에 연결되어있는 열전대를이용하여측정하였고 , 형상기억합금 와이어의 온도변화는 직류전원 공급기 (DCPower Supply) 를이용하여 와이어 양단에 전류를 흘려 전기적 저항효과(Joule's Effect) 를 이용하여 가열하고 , 냉각시에는 전류량>조절을통한자연냉각을실시하여가열과대칭을이루도록하였다.
- 형상기억합금의거동은온도와응력에의존됨으로특성및물성치파악을위하여다양한온도하에서인장실험 을실시하였다 . 본실험에서는지름이 0.
대상 데이터
- 을실시하였다 . 본실험에서는지름이 0.36mm 이 고작 동기사용에 적합한 와이어를 사용하였다 . 실험에 앞서 시차 주사 열량계 (Differential Scanning Calorimeter) 를 통하여 비 응력 하에서의 대략적인 상변이 온도를 측정하였으며, INSTRON5565 와 자제 제작한 챔버 (Heat-cool chamber) 를이용하여 -30 ∼ 60 ℃ 의범위에서 5 ℃ 간격으로 각각의 응력 - 변형률관계를측정하였다 .
- 9 과같이 간단한 날개 형상의 작동기 (Simple smart wing actuator) 를 제작하여 실험을 실시하였다 . 본작동기는지름이 0.36mm 이고 길이가 150mm 인형상기억합금와이어를사용하였고 , 토크 스프링 (Torquespring) 은회전축에 연결되어 형상기억합금 와이어에 잔류응력을 주고 , 와이어의 위 부분은 회전축 (Rotation shaft) 에아래부분은하중측정이가능한로드셀에 연결하였다 . 길이조절장치 (Displacement controller) 와로드셀을연결하여형상기억합금와이어의초기길이를 변화시켜잔류응력을조절할수있도록하였고 , data-checked="false">직류전원공급기를이용하여온도를변화시키고이에따른형상기억합 금의길이변화를이용하여날개의회전각 (Attackangle) 을 변화시켰다.
성능/효과
- 실험을 통하여 트레이닝 동안 축적되는 영구변형은 약 100 data-checked="false">회의반복으로작동기로사용가능한안정화상태에이르고양방향변형률양은항상일정하며잔류응력에따라 변형률 - 온도곡선의 기울기가 완만해짐을 관찰할 수 있었다 . 또한 온도 주기 시간에 따라가 열과냉각온도분포의차이로결과되어지는시간증분효과를관찰하였다 .
후속연구
- data-checked="false">끝으로형상기억합금와이어를이용한간단한작동기의적용을통하 여 , 형상기억합금은 반복적인 작동에 있어 우수한 성능을 가짐을 알 수 있다 . 그러나 반복작동 동안의 영구변형의 축적과 외부환경에 쉽게 영향을 받는다는 것이 적용의 한계점으로 관찰되었다.
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