자기왜곡 Fe의 응력 모니터링 기능

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22421(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

GFRP(유리 섬유 강화 폴리머) 라미네이트의 손상 감지를 위해 많은 구조 상태 모니터링(SHM) 기술이 조사되었습니다. 최근에는 센서와 일체화된 GFRP 복합재료가 작동 중 구조적 상태에 대한 정보를 전달할 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다. 자기변형 재료는 Villari 효과를 이용하여 비접촉식 SHM 기술을 실현할 수 있는 가능한 후보로 간주되지만 자기변형 응답을 구조적 조건과 연관시키는 이론적 모델링은 중요한 문제입니다. 본 연구에서는 굽힘에 따른 자기변형 GFRP 적층판의 Villari 효과에 의한 자기유도를 모델링하기 위해 재료 역학과 전자기성을 고려한 분석 절차를 제안했습니다. 그런 다음 자기 변형 Fe-Co 섬유/GFRP 복합재를 개발하고 제작된 복합재의 응력 모니터링 기능을 평가하기 위해 4점 굽힘 테스트를 수행했습니다. 자속 밀도 거동은 굽힘 응력 변동에 해당합니다. 최대 자속 밀도 변화는 158MPa의 피크 굽힘 응력에 따라 70.7mT였습니다. 분석 솔루션은 실험 결과와 합리적인 일치를 보여주었습니다. 적용된 응력과 측정된 자속 밀도는 이론적인 모델과 상관관계가 있었습니다. 따라서 이러한 결과는 자기변형 재료를 활용한 새로운 비접촉 SHM 기술을 실현하는 데 중요한 단계를 제시합니다.

GFRP(유리섬유 강화 폴리머) 적층판은 단열, 전기절연, 우수한 기계적 특성 등의 특성을 가지며, 국제핵융합실험로(ITER)1 등 핵융합로에 사용되는 초전도 장치에 적합한 소재입니다. 그러나 FRP 적층판의 적용은 복잡한 손상 및 파손 형태(예: 층간 파손2,3)로 인해 제한되는 경향이 있습니다. 따라서 안전한 작동을 위해서는 손상 상태를 평가하고 남은 사용 수명을 예측하는 것이 필요합니다4.

서비스 중에 이러한 구조 구성 요소에 대한 안전 프로토콜을 유지하려면 구조 상태 모니터링(SHM)이 필요합니다5. 많은 연구자들이 주파수 방법6, 램파7, 음향 방출8과 같은 다양한 SHM 기술을 연구해 왔습니다. 그러나 개발된 모든 기술에는 고유한 장점, 한계 및 적용 범위가 있기 때문에 모든 조건, 상황 및 응용 프로그램에 대한 다용도 기술이 만들어지지 않았습니다9. 현재 센서가 내장된 복합재료는 복합재료 자체가 구조적 건전성을 알 수 있기 때문에 SHM 기술 중 하나로 널리 인식되고 있다. 복합 구조의 광섬유 센서는 독특한 장점10으로 인해 주목을 받았습니다. Sánchez 등11은 광섬유 센서가 내장된 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP)의 전체 제조 공정을 모니터링하고 분포 잔류 변형률 프로파일을 평가했습니다. 레일리 산란을 기반으로 한 광학 후방 산란 반사계를 사용한 GFRP 타당성이 조사되었습니다12. Okabe 등13은 CFRP 적층판의 균열 위치를 식별하기 위해 처프된 섬유 브래그 격자의 감지 기능을 입증했습니다. CFRP 복합재의 손상과 전기 저항이 결합될 수 있기 때문에 전기 저항 측정이 조사되었습니다14. 연속 탄소섬유/에폭시 복합 라미네이트의 충격 손상은 전기 저항 측정을 통해 평가되었으며, 이 기술의 민감도는 초음파 방법보다 더 효과적이었습니다15. 극저온 환경에서 직조된 CFRP 복합 적층체의 층간 전단 거동과 전기 저항 반응 사이의 상관관계가 수치 및 실험적으로 논의되었습니다16,17. Takeda와 Narita18는 모드 I 하중 하에서 탄소 나노튜브/에폭시 접착층을 사용하여 접착된 CFRP 복합 조인트의 균열 전파 모니터링을 보고했습니다. 압전 재료는 복합 구조에 결합된 수동 및 능동 센서로 활용될 수 있습니다. 압전 세라믹이 내장된 CFRP 복합재는 실시간 SHM 능력을 논의하기 위해 특성화되었습니다. Hwang et al.22은 충격 센서용 압전 분말과 에폭시 수지의 혼합물을 포함하는 압전 GFRP 복합 적층판을 특성화했습니다. 센서 및 보강재 역할을 하는 직조 압전 직물로 구성된 스마트 직조 섬유 강화 폴리머(FRP) 복합 라미네이트는 적용된 하중과 센서 신호 사이에 직접적인 관계를 나타냈습니다. Wang 등은 압전 CFRP 복합재의 새로운 분극 과정을 제안하고 압전 특성을 특성화했습니다.