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캘빈 구조체로 이상화된 다공질 재료의 기공율과 음탄성과의 상관관계 연구 ＝ Acoustoelastic characteristics of Kelvin-structured model of porous materials / 김노유 ; 최민주 1

초록 1

Abstract 1

1. 서론 1

2. 등방성 캘빈 구조체의 설계 2

3. 캘빈 구조체의 기공율 설계 및 제작 3

4. 캘빈 복합체의 초음파 음속측정 3

5. 캘빈 구조체의 탄성계수 계산 5

6. 캘빈 구조체 탄성계수의 타당성 검토 5

7. 결론 7

References 7

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본 논문에서는 다공질 재료의 불규칙한 미세구조를 캘빈 단위셀로 이루어진 규칙적인 패턴의 캘빈구조체로 이상화하고 이 재료의 음탄성 특성과 기공율(porosity)과의 상관관계를 이론과 초음파 시험을 통해조사하였다. 다공질 재료의 미세 구조를 다면체(polyhedron)인 캘빈 구조체로 가정하여 다공질 재료의 다양한공극률을 이 다면체의 형상특성 변수들로 표현하고 이 변수들을 이용하여 재료의 탄성계수를 표현함으로서캘빈 구조체 모델의 기공율과 음탄성 특성과의 상관관계를 이론적으로 평가하였다. 또한 캘빈 구조체의 기공율을 62%에서부터 95%까지 변화시킨 3D CAD 모델을 설계한 후 3D 프린터로 제작하여 초음파 시험을 통해음속을 측정하고 탄성계수를 계산함으로서 기공율 변화에 따른 캘빈 구조체의 음탄성 특성을 실험적으로 조사하였다. 초음파 음속시험으로 결정된 탄성계수는 기공율의 증가에 따라 모재인 ABS 플라스틱 탄성계수의11%에서 0.5%까지 선형적으로 크게 감소하는 것으로 나타났으며 이론 및 경험식에 의해 계산된 결과와 비교해 잘 일치하는 것으로 확인되었다.

In this paper, a Kelvin structure is proposed to model the irregular and complex microstructures of porous materials. The effect of the porosity of the Kelvin-structured model of porous materials on acoustoelastic characteristics, such as sound speed and elastic modulus, is investigated. A generalized tetrakaidecahedron, the so-called Kelvin cell, is introduced and a mathematical model of the microstructure of porous materials is developed using the geometric parameters of the open Kelvin cell. The porosity and acoustoelastic characteristics of the Kelvin model were calculated and compared with experimental results. To determine the effect of the porosity of the Kelvin structure on the acoustoelastic properties, eight Kelvin-structured samples with porosities ranging from 62% to 95% were fabricated using a 3D printer and tested using an ultrasonic pulse-echo method to measure the speed of sound in the specimen. The elastic modulus determined from the ultrasonic sound speed decreased from 11% that of the bulk material (ABS plastic) to 0.5%, as the porosity increased from 62% to 95%, which is consistent with theoretical and empirical results.

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