알루미늄 폼 소재의 재료거동 및 내충격 특성에 관한 연구

Abstract

신소재 개발의 필요성이 날로 증대되는 가운데, 보다 우수한 기계적·열적 특성 및 에너지 흡수 효과를 기대할 수 있는 경량·고기능 소재인 다공성 금속재의 적용이 계속해서 증가하고 있는 추세이다. 특히 대표적 다공성 금속인 알루미늄-폼(Al-foam)은 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 본 논문은 내충격 구조재료의 핵심 소재인 알루미늄-폼의 재료거동 및 내충격 특성 연구와 관련하여 개방형 구조(open-cell structure) 및 밀폐형 구조(closed-cell structure)를 갖는 폼 소재의 재료-기계적 물성시험을 수행하였으며 이를 바탕으로 소재특성을 분석하였다. 특히 마이크로 스케닝 기술을 응용하여 셀 내부 기공의 형상과 상대밀도 등 폼-소재의 주요 미시구조 특성을 분석하였다. 한편 다공질 폼-소재의 구성방정식을 이용하여 역학적 거동에 대한 유한요소 해석을 실시하였으며 실험값과 비교, 분석하였다. 아울러 충격시의 변형 및 파괴 양상 고찰을 통해 내충격 거동 해석을 위한 물리적 기구 및 특성을 연구하였고 이를 바탕으로 유한요소 해석을 수행하였다. 끝으로 다공질 알루미늄-폼과 기공이 배재된 고체 알루미늄 조합의 2층 구조물에 대해 플로랜스 최적화 기술을 응용하였으며 이를 통해 재료-구조 적층 최적화를 위한 방법론을 제시하였다.; With the recent development of many cost-effective processes for making metallic foams, their potential has been increased in many applications including energy absorption, lightweight structure and heat sink of thermal structures. In this study, the compressive and tensile properties of aluminum foams were investigated by means of the analysis of the material behavior together with shock absorption characteristics. As shown by the results, the mechanical properties varied with a variety of cell geometric structures. The cell structure, in particular was scanned by a micro-CT followed by the calculation of the volume and/or surface of 3-D voxels using a in-house software. The ratio of foam volume to solid volume from the 3-D image showed closely similar to the relative density of aluminum foam. Finite element analysis by using the proposed constitutive equations of porous materials then has been carried out for the determination of the mechanical behavior comparing with the experimental data. Based on the results of the material-mechanical properties of the material, the impact absorption characteristics of two-layer-structure were studied by Florence optimization coupled with LS-Dyna analysis. Good comparison are then achieved. This study therefore showed a methodology for the development of an optimal material-structure by the consideration of maximum impact absorption.