방법 논문

공동 평가를 위한 균열 전파의 기계발광 시각화

DOI:

10.3791/64118

⸱

2023년 1월 6일

 , 
1Sensing System Research Center (SSRC), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구에서는 접착 조인트 평가 테스트 중 균열 전파 및 기계적 거동을 모니터링하기 위해 기계 발광(ML) 시각화를 사용하는 방법을 설명하는 프로토콜을 제시합니다.

초록

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구에서는 접착 조인트를 평가하기 위해 균열 전파 및 기계적 거동의 기계 발광 (ML) 시각화 방법을 시연하고 설명합니다. 첫 번째 단계는 샘플 준비였습니다. 에어 스프레이를 사용하여 ML 페인트를 접착 조인트 시편의 표면에 적용했습니다. 측정 조건을 검사하기 위해 ML 센서의 성능을 설명했습니다. 이중 캔틸레버 빔(DCB) 테스트 및 랩 전단(LS) 테스트 중 ML 감지 결과는 접착제 평가에 가장 빈번하고 널리 사용되는 방법이기 때문에 입증되었습니다. 원래는 크랙 팁이 너무 작아서 크랙 팁과 스트레인/응력 분포 및 농도를 직접 정량화하기 어려웠고, 스트레인의 영향을 관찰할 수 없었습니다. 기계적 테스트 중 기계 발광, 균열 전파 및 기계적 거동은 접착제 평가 중에 ML 패턴을 통해 시각화할 수 있습니다. 이를 통해 균열 팁의 정확한 위치 및 구조적 파괴와 관련된 기타 기계적 거동을 인식 할 수 있습니다.

서론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

기계 발광(ML) 감지 재료는 기계적 자극 하에서 반복적으로 강렬한 빛을 방출하는 기능성 세라믹 분말입니다. 이 현상은 탄성 변형영역 내에서도 관찰됩니다 1,2,3,4. 구조물의 표면에 분산되면 개별 ML 입자가 민감한 기계 센서로 기능하며 2차원(2D) ML 패턴은 동적 변형률 분포를 반영합니다. ML 방출 패턴은 변형률 분포 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 의 기계적 시뮬레이션을 제공합니다(그림 1A).

그림 1B에서 볼 수 있듯이 ML 센서는 최근의 고급 경량 구조 재료 (예 : 고 인장 강도 강철 5,6, 알루미늄, 탄소 섬유 강화 플라스틱 [CFRP] 7), 손상 허용오차 설계를위한 접착 조인트 8, 9,10,11 및 제품 구성 요소(예: 폴더블 폰용 기어 및 유연한 전자 장치 파일(예: 폴더블 폰 12, 컴퓨터 지원 엔지니어링[CAE] 결과를 검증하는 데 사용되는 복잡한 접착제 및/또는 용접 조인트는 실험실 수준 테스트 2,8,9,10,11 ). 또한 ML 센서는 균열 전파 또는 구조 열화로 이어지는 변형 농도 2,6,13 감지를 위한 건물 및 교량의 구조 건전성 모니터링(SHM), 층간 층에서 내부 균열 전파 모니터링7,9, 고압 수소 용기의 수명 예측과 같은 실제 응용 분야에서 성공적으로 사용되었습니다. 도 9에 도시된 바와 같이, 진동 모드(14)에서 충격파 전파 또는 여기를 시각화하기 위한 이동성의 충격 테스트, 및 스포츠 도구의 시각적 감지는 승리 확률을 높이기 위한 적절한 물리적 설정을 결정한다. 프로토콜에서 ML 시각화는 접착제 조인트 평가 테스트 중 균열 전파 및 기계적 거동의 후속 변화를 모니터링하기 위해 선택되었습니다.

이 테마를 선택하는 데는 몇 가지 이유가 있습니다. 첫 번째 이유는 최근 몇 년 동안 접착 조인트의 중요성이 크게 증가했기 때문입니다. 최근, 상당한CO2 저감 및 에너지 절감의 필요성으로 인해, 자동차, 항공기 및 기차와 같은 이동성 및 운송 산업에 다양한 형태의 경량 재료가 개발되어 적용되고 있다. 이러한 추세의 일환으로, 점착 기술은 다중 재료 전략에서 서로 다른 경량 재료(이종 재료 조인트)를 자유롭게 결합하기 위한 핵심 기술로서 중요성을 얻고 있습니다15. 또한, 특히 이종 재료에서 접착 강도를 측정하기 위한 ML 시각화 방법은 다양한 국제 표준16,17,18,19,20에 의해 제안되었습니다. 접착 강도의 평가는 본질적으로 파괴 시험이며, 얻어진 접착 강도는 주로 두 가지 유형으로 분류 할 수 있습니다 : (1) 하중 적용 중 균열 전파 위치를 사용하여 결정되는 파괴 인성 에너지 (Gc)와 (2) 접착 조인트 파열시 하중을 사용하여 결정되는 접착 강도. 이중 캔틸레버 빔 (DCB) 시험과 단일 랩 전단 (LS) 시험은 각각 파괴 인성 및 접착 강도의 대표적인 평가 방법이지만 전 세계적으로 가장 자주 사용되는 접착 시험 방법을 나타냅니다 15,16,17,18,19,20 , 균열 팁이 너무 작아서 응력/변형률 분포를 구별할 수 없습니다. 따라서 파괴 인성 에너지 (Gc) 값이 매우 산란됩니다. 접착제 및 업계의 다른 개인을 조사하는 연구원의 권장 사항에 따라 접착제 조인트 평가 테스트 8,9,10,11,21 동안 균열 전파 및 기계적 거동의 후속 변화를 모니터링하기 위해 기계 발광(ML) 시각화가 조사되었습니다. . 이 프로토콜에서 이 테마를 선택하는 두 번째 이유는 응력/변형률이 균열 팁에 고도로 집중되어 균열 전파 중에 ML 지점에서 강렬한 기계 발광을 생성하므로 다양한 ML 테스트 애플리케이션 중에서 가장 사용자 친화적인 방법론일 수 있기 때문입니다. 또한 이 방법은 샘플 준비 및 고효율 ML 재료에 대한 고급 경험 없이도 활용할 수 있습니다.

따라서 이 연구에서는 그림 2와 같이 접착 조인트 평가 테스트 중 균열 전파 및 후속 기계적 거동 변화를 모니터링하기 위한 ML 시각화 프로토콜에 대해 설명합니다.

프로토콜

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

본 연구는 DCB 표본을 사용하여 수행되었습니다. DCB는 균열 성장 및 파괴 역학16,17,18을 연구하는 데 자주 사용되는 표준 시험편입니다.

1. 시험편의 준비

  1. ML 페인트를 도포하기 전에 표면 전처리를 수행하십시오( 재료 표 참조). 표면 탈지를 위해 이소프로필 알코올(IPA) 또는 에탄올과 같은 용매로 테스트 시편 표면(사용자가 ML 페인트를 스프레이하려는 표면)을 닦습니다.
  2. 아래 단계에 따라 ML 페인트를 준비하고 적용합니다.
    1. SrAl2O4:Eu2+ ML 물질을 포함한 ML 페인트용 주 에폭시 시약 20g(재료 표 참조)과 경화시약3.1g을 계량하고 측정 컵에 톨루엔, 에틸아세테이트와 같은 유기용매와 혼합하여 점도 100mPa·s를 얻습니다.
    2. 공기 스프레이 또는 스프레이 캔을 사용하여 스프레이하여 DCB 시편의 표면에 ML 페인트를 적용합니다(그림 3).
    3. 시편을 실온에서 밤새 서서히 건조시킵니다.
      참고: ML 페인트는 ML과 폴리머 수지를 혼합하여 준비했습니다. ML 재료 1,2,3,4 및 폴리머 재료는 상업용 ML 페인트와 달리 사용할 수 있습니다. 그러나 이 연구의 프로토콜은 우수한 성능을 보장하기 위해 상업용 ML 페인트 또는 스프레이 캔(그림 3 참조)을 사용하여 설명합니다. ML 물질의 함량 비율은 효율에 의존하지만, ML 물질의 25 wt% 또는 50 wt% 이상이 ML 페인트22에서 함량 비율로서 선택되었다. 단계 1.2.1에 기재된 점도는 점도계 8,9를 사용하여 평가하였다(재료 표 참조).
  3. 처리 후, 시편에 분무된 ML 페인트를 80°C에서 1시간 동안 가열하여 시편을 경화시킨다.
    참고: 후처리 조건은 ML 페인트의 수지를 경화하는 데 적합하고 시험편 및 접착 성능에 영향을 미치지 않는 조건 범위 내에 있어야 합니다.
  4. 품질 확인을 수행합니다.
    1. 스프레이된 ML 페인트가 표면에서 대략적으로 균일한지 확인합니다.
    2. 현미경 또는 코팅 두께 게이지8 을 사용하여 약 50-100 μm의 두께를 확인합니다(그림 4).
      알림: 낮은 두께는 ML 에폭시 시약의 부하 분산을 방지하는 데 적합합니다. 스프레이 된 ML 페인트의 균일 성은 높은 응력 농도로 인해 균열 팁에서 강렬한 기계 발광이 관찰 될 수 있기 때문에 접착제 테스트에 ML 시각화를 활용하는 데 필요합니다. 따라서 스프레이된 ML 페인트는 1.4.1단계에서 "대략적으로 균일한" 것으로 표현됩니다.

2. DCB 테스트를 위한 ML 측정

  1. ML 측정을 위한 실험 설정의 경우 다음 단계를 수행합니다.
    1. 그림 5A와 같이 DCB 테스트16,17,18을 위해 특수 지그(재료 표 참조)를 사용하여 ML 페인트 스프레이 시편을 기계 시험기에 장착합니다.
      알림: DCB 테스트 표본은 DCB 테스트16,17,18에 대한 국제 표준을 준수해야 합니다.
    2. 카메라 (CCD, 전하 결합 장치 또는 CMOS, 상보성 금속 산화물 반도체, 재료 표 참조)를 테스트 표본의 각 표면 앞에 배치하여 모니터링 할 균열 팁의 위치를 향하도록합니다 8,9,10,11,12 (그림 5B ). 카메라 상태를 확인하여 기계적 테스트의 예상 측정 시간 동안 잔광(AG)을 기록할 수 있는지 확인합니다.
      참고: 표본의 모든 방향에 4방향 카메라 시스템이 필수는 아니지만 카메라 수는 사용자가 초점을 맞추고 기록하려는 표본의 얼굴에 따라 다릅니다.
  2. DCB 테스트에서 ML 관찰을 수행합니다.
    1. 어두운 조건을 보장하도록 주변을 설정하십시오.
    2. 카메라 녹화 조건 설정 : 녹화 속도 = 초당 1 또는 2 프레임 (fps); 노출 시간 = 0.5 초 또는 1 초; 이득 = 최대.
    3. ML 페인트 스프레이 DCB 시편에 모든 카메라 방향에서 파란색 LED( 재료 표 참조)를 사용하여 여기용 470nm 청색광을 1분 동안 조사합니다.
    4. 청색광 조사를 완료하기 5초 전에 카메라 녹화를 시작합니다.
    5. 어두운 상태에서 1분 동안 기다렸다가 잔광이 가라앉도록 합니다.
      참고: 안정화 시간은 ML 감지 재료 및 카메라의 유형에 따라, 특히 녹화된 동영상의 기계 발광 및 잔광 강도의 균형과 관련하여 변경될 수 있습니다.
    6. ML 이미지를 얻기 위해 하중 속도가 1mm/min인 기계 시험기를 사용하여 기계적 하중16,17,18을 가합니다(그림 5C 및 동영상 1).
    7. ML 페인트 용사 시편(동영상 1)에서 균열 전파시 ML점으로부터 결정되는 균열 팁 위치에 대한 정보를 이용하여 균열 길이(a)를 계산하고, 파단 인성 G1c(kJ/m2)를 구하고, 수학식 1을 이용하여 값 8,9,16,17,18을 얻었다.
      참고: figure-protocol-1 (수학식 1)
      여기서2H는 DCB 시편의 두께(mm), B는 시편의 폭, λ는 균열 개구 변위(COD) 준수(mm/N), Pc는 하중(N), α 1은 (a/2H) 및 (B/λ)1/3의 기울기를 나타냅니다.

3. 랩 전단(LS) 테스트를 위한 ML 측정

  1. ML 측정을 위한 실험 셋업을 위해, 도 6A에 도시된 바와 같이, ML 페인트-분무된 LS 시편을 기계적 시험기(19, 20) 상에 장착한다.
  2. 카메라 (CCD 또는 CMOS 카메라)를 테스트 시편의 각 표면 앞에 배치하여 모니터링 할 균열 팁의 위치를 향하게합니다 (그림 6A).
    알림: LS 시험편은 LS 테스트19,20에 대한 국제 표준을 준수해야합니다. 서로 다른 재료 조인트의 경우 LS 시편의 4 개 표면 각각에 서로 다른 변형률 분포가 나타납니다. 따라서, 4-방향 카메라 시스템 또는 적어도 2-방향 카메라 시스템은, 도 6A에 도시된 바와 같이, 각각의 카메라로 각각의 표면을 각 표면에 대해 45° 각도로 캡처하기 위해, 4개의 표면 각각에 사용하기 위해 권장된다.
  3. 랩 전단(LS) 테스트에서 ML 관찰을 수행합니다.
    1. 어두운 조건을 유지하십시오.
    2. 카메라 녹화 조건 설정 : 녹화 속도 = 10-50fps; 노출 시간 = 0.02 초 또는 0.1 초; 이득 = 최대.
    3. ML 페인트 스프레이 DCB 시편에 모든 카메라 방향에서 파란색 LED를 사용하여 여기용 470nm 청색광을 1분 동안 조사합니다.
    4. 청색광 조사를 완료하기 5초 전에 카메라 녹화를 시작합니다.
    5. 어두운 상태에서 잔광이 가라앉을 때까지 30초 동안 기다립니다.
      참고: 안정화 시간은 사용된 ML 감지 재료 및 카메라에 따라, 특히 녹화된 동영상의 기계 발광 및 잔광 강도의 균형과 관련하여 변경될 수 있습니다.
    6. ML 이미지를 얻기 위해 하중속도가 1-5mm/min인 기계 시험기를 사용하여 기계적 하중(19,20)을 가합니다(그림 6B 및 그림 2).

4. ML 측정 및 데이터 분석을 위한 정보

  1. ML 테스트 전에 여기를 수행합니다.
    1. ML 강도는 변형 에너지에 비례하지만 ML 강도는 그림 7A와 같이 부하 주기 2,3,6,12에 따라 점차 감소합니다. 따라서 ML 테스트 전에 여기를 수행하여 2.2.3단계 및 3.2.3단계에서 언급한 대로 재현 가능한 ML 결과를 생성합니다.
  2. 높은 ML/AG 비율에 대한 대기 시간을 선택합니다.
    알림: ML 센서는 여기 후 잔광(AG)을 긴 지속성 형광체로 표시하고 그림 7B와 같이 부하 적용 순간의 기계 발광을 보여줍니다.
    1. 잔광이 ML 패턴(즉, 측정 신호)2,3,4에 대한 기본 노이즈로 기능하기 때문에 ML/AG의 비율(소위 ML 지수)이 충분히 높은지 확인하기 위해 여기 후 대기 시간과 카메라 조건을 선택합니다(2.2.4단계 및 3.2.4단계에서 언급한 대로).
  3. 가장 높은 ML 포인트를 결정합니다.
    1. ML 포인트가 가장 높은 위치를 크랙 팁(8,9)으로 인식하여 크랙 팁의 위치를 결정합니다.
      참고: 가장 높은 ML 포인트는 추가 그림 1과 같이 육안 검사, 이미지 처리 소프트웨어, 자동 모니터링 시스템 및 ML 동영상을 통해 결정할 수 있습니다.
  4. ML 등고선 이미지를 만듭니다.
    1. ML 포인트와 패턴을 구분하기 어려운 경우 그림 8과 같이 ImageJ(재료 표 참조)와 같은 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 ML 원시 이미지를 변환하여 ML 등고선 이미지를 생성하고 ML 패턴을 사용합니다.

결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

DCB 및 LS 테스트 중 ML 이미지 및 동영상은 각각 양방향 및 4방향 카메라를 사용하여 수집되었습니다.

도 5C는 ML 이미지 및 동영상을 측면도에서 도시하며, 이는 크랙 팁을 인식하는 데 사용될 수 있다. 또한 DCB 테스트 중 균열 전파 시간에 고장 전면을 반영하는 평면도가 표시됩니다. 이 경우 피착체는 샌드 블라스트 처리 된 알루미늄 (A5052, 재료 표 참조)이었고 접착제는 에폭시 접착제의 두 가지 구성 요소로 구성되었으며 형상은 국제 표준을 준수했습니다. 측면도에서의 ML 거동과 관련하여, 이 시점에서의 변형 농도로 인해 초기 균열의 위치에서 강렬한 기계발광이 관찰되었다. 이어서, 균열 전파 시간에 균열 팁을 반영하는 ML 점의 이동이 접착제 층 상에서 관찰되었다. DCB 테스트에서 ML 이미지를 사용하여 균열 전파 중 균열 팁의 위치를 정의하고 2.2.7단계에서 설명한 대로 균열 전파 길이(a) 및 관련 파괴 인성 G1c 값을 계산하는 데 사용했습니다.

그림 6B 는 LS 테스트 동안 ML 윤곽 이미지 및 동영상을 보여줍니다. 이미지와 동영상은 4방향 카메라 시스템을 사용하여 녹화되었습니다. 이 경우 피착체는 샌드 블라스트 처리 된 알루미늄 (A5052)이었고 접착제는 2 액형 에폭시 접착제였습니다. 도 6B 는 단일 랩 접착 접합부의 파괴 공정 동안의 기계적 거동에 대한 정보를 명확하게 제공한다. 간단히 말해서, 강렬한 기계 발광은 접착 적으로 결합되고 랩핑 된 영역의 가장자리에서 처음 관찰되었습니다. 둘째, ML 포인트가 접착 가장자리에서 접착제 층을 따라 중앙으로 이동하여 ML 이미지의 왼쪽 및 오른쪽 보기에 함께 나타납니다. 마지막으로, 2개의 ML 포인트를 중앙에서 결합한 후, 접착제 층 내의 중심 지점에서 강렬한 기계발광이 관찰되었다. LS 테스트의 ML 이미지는 시뮬레이션하기 어려운 파괴 과정에서 접착 조인트의 기계적 거동을 이해하는 데 사용할 수 있습니다.

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그림 1: ML 센서의 속성. (A) 구멍이 있는 스테인리스 강판에 대한 인장 하중 하에서의 기계발광 및 Mises 변형률 분포의 수치 분석(시뮬레이션). (B) 기계적 하중, 진동 및 충격을 적용하여 제품, 구조 재료 및 3D 프린팅 재료의 동적 2D / 3D 기계적 거동을 시각화하기위한 ML 시각적 감지의 예. "F"가있는 화살표는 기계적 하중 하에서 힘의 방향을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

figure-results-2
그림 2: 국제적으로 표준화된 다양한 접착 평가 테스트를 위한 ML 시각적 감지. 이 표준은 파괴 인성 에너지 (Gc), 인장 전단 강도 (TSS), 박리 강도 및 교차 인장 강도 (CTS)와 같은 다양한 접착 강도 지수를 얻는 방법을 설명합니다. 화살표는 기계적 하중 하에서 힘의 방향을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3: ML 센서 페인트 적용. (A) ML 페인트 및 스프레이 캔의 예 및 (B) 스프레이 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 4: ML 페인트 스프레이 표본의 그림. (A) DCB 표본 및 (B) LS 표본. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 5: DCB 테스트 중 ML 측정. (A) 실험 설정 사진 및 (B) 카메라 위치 그림. (C) DCB 테스트 중 ML 측정. CAM 1 및 CAM 2는 단계 2.1.2에서 설명한 CCD 카메라를 나타낸다. 화살표는 기계적 하중 하에서 힘의 방향을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 6: LS 테스트 중 ML 측정. (A) 실험 설정 및 (B) 4방향 카메라 시스템을 사용한 LS 테스트 중 ML 측정. 화살표는 기계적 하중 하에서 힘의 방향을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 7: 사용된 ML 센서의 기본 특성 . (A) 부하 주기에 걸친 ML 강도 및 (B) 파란색 LED를 사용한 여기 후 ML과 AG 강도 및 대기 시간 간의 관계. 삽입물은 시간-휘도 곡선에서 ML 및 AG 강도의 정의를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 8: ML 이미지의 ML 표현식 비교 . (A) 12비트 회색조의 원시 이미지 및 (B) 윤곽 이미지. "F"가있는 화살표는 기계적 하중 하에서 힘의 방향을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

동영상 1: DCB 테스트 중 ML 동영상. 녹화 속도 : 1fps. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

영화 2 : LS 테스트 중 ML 영화. 녹화 속도 : 25fps. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 1: ML 강도가 가장 높은 지점의 위치를 구별하는 방법. (A) 육안 검사, (B) 이미지 처리 소프트웨어 및 (C) 자동 모니터링 시스템. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

측면도에서 관찰 된 ML 거동의 관점에서, 변형 농도에서 비롯된 강렬한 기계 발광이 초기 균열의 끝 부분에 기록되었습니다 (그림 5C). 이어서, ML 지점의 이동은 균열 전파 시간에 접착제 층을 따라 관찰되었고, 균열 팁을 반영하였다. 이전 연구에서 현미경 관찰에 따르면 가장 높은 ML 지점은 균열 팁보다 0-20μm 앞서 있었고 균열 팁 위치8에 대한 기준으로 채택 될 수있었습니다. 종래의 방법에서는 육안 검사를 통해 크랙 팁을 식별하지만, 이는 돋보기를 사용하더라도 크랙 팁의 크기가 작기 때문에 상당한 인적 오류가 발생합니다. 특히, DCB 테스트 동안 균열 팁의 위치를 표시하려면 인내심이 필요하며, 특히 구조용 접착 조인트16,17,18의 경우 몇 분이 필요합니다. 따라서 DCB 테스트의 ML 시각화는 균열 팁의 위치를 자동으로 더 높은 정밀도로 식별하는 데 중요합니다. 이전에, 상면도에서 ML 라인의 위치와 형상은 접착층(9)에서 크랙 파괴 전선과 동기화되는 것으로 도시되었다. 따라서 피착체의 평면도에서 ML 감지는 피착체의 외부 표면에서 내부 균열의 지표로 활용되었습니다.

그러나 이 방법의 한계에는 그림 7B에 도시된 바와 같이 어두운 테스트 환경과 몇 분에 걸친 DCB 테스트 동안 ML 및 AG 강도의 감소가 포함됩니다. 이로 인해 ML 포인트와 AG 패턴이 불분명해지며, 이는 각각 균열 팁과 시편 형상을 반영합니다. 이러한 한계를 극복하기 위해, SrAl2O4:Eu2+ ML 물질에 영향을 미치지 않는 파장 850nm의광과 같은 적외선을 사용하여 DCB 시험 동안 DCB 시편을 조사하여 시편(9)의 상태를 명확히 하였다. 또는 그림 470A에 설명된 대로 DCB 테스트 10분 동안에도 ML 및 AG 강도를 복구하기 위해 5분 또는10분마다 7초 동안 시편을 비추는 데 7nm의 청색광이 사용되었습니다.

LS 테스트 중 ML 윤곽 이미지와 동영상은 4방향 카메라 시스템을 사용하여 녹화되었습니다(그림 6C). 이 경우 피착체는 샌드 블라스트 처리 된 알루미늄 (A5052)이었고 접착제는 2 액형 에폭시 접착제였습니다. 인장 전단 강도(TSS) 값은 23MPa이고, 인장 하중 하에서 파열시의 하중 값(N)과 접착제 결합 면적(mm2)을 사용하여 계산하였다. 또한, TSS 값은 구조용 접착 조인트(18)의 강도의 지표로서 고려될 수 있다. TSS 값은 일반적으로 접착 강도의 지표로 사용되지만 조인트 설계를 개선하는 데 중요한 기계적 거동과 같은 배경 물리적 특성은 조사되지 않았습니다.

ML 이미지는 단일 랩 접착 조인트의 파괴 과정 중 기계적 거동에 대한 정보를 명확하게 제공했습니다(그림 6C). 간단히 말해서, 강렬한 기계 발광은 접착 결합 및 랩핑 된 영역의 가장자리에서 처음 관찰되었으며, 이는 LS 테스트의 초기 단계에서 변형 농도를 보여줍니다. 둘째, ML 포인트가 양쪽 접착 가장자리에서 접착층을 따라 중앙으로 이동하여 ML 이미지의 왼쪽 및 오른쪽 보기에 함께 나타납니다. 이는 접착제 층을 따라 전단 변형률 및 균열 전파를 나타내며,이 경우 응집 파괴 (CF)를 나타냅니다.

또한 전면 및 후면보기의 ML 라인은 DCB 테스트와 동일한 현상 인 균열 전파의 발생을 나타냅니다. 마지막으로, 2개의 ML 포인트가 중심에서 결합된 후, 접착제 층의 중심 포인트에서 강렬한 기계발광이 관찰되었다. 이는 접착층 내의 변형률 집중 및 접착제층을 가로지르는 횡방향 균열의 후속 생성을 나타내었으며, 이는 이전 작업(11)에서와 유사하다. 이 정보는 응력/변형률 농도의 위치를 결정하는 데 유용합니다. 따라서 강력하고 신뢰할 수 있는 접합 설계를 달성하기 위해 응력 분산의 개선이 필요하다는 것을 의미합니다.

DCB 테스트와 달리 LS 테스트는 접착 조인트의 고속 파열을 유발합니다. LS 테스트는 접착층에 높은 변형률을 생성하며, 그 다음에는 기록된 ML 이미지에서 포화되고 하나의 이미지에 많은 이벤트가 누적되며 불명확한 ML 이미지를 생성하는 매우 강렬한 기계 발광이 이어집니다. 이러한 경우 문제 해결에 현명한 기록 속도 선택을 사용할 수 있습니다(예: LS 테스트에서 이벤트 속도에 맞는 25fps와 같은 높은 기록 속도 선택)11.

공개 사항

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 NEDO(신에너지산업기술개발기구)가 의뢰한 선구적인 프로젝트와 NEDO가 의뢰한 국제협력을 통한 혁신적인 청정에너지 기술 촉진을 위한 연구개발 프로그램(JPNP20005)의 지원을 받았습니다. N. T.는 보충 그림 1에서 ML 강도가 가장 높은 지점을 구별하기 위한 자동 모니터링 소프트웨어를 제공한 Shimadzu Co.에 감사드립니다. N. T.는 ML 테스트를 위해 ML 페인트를 뿌린 Y. Nogami와 H. Kawahara에게 감사드립니다. 또한 N. T.는 4D 시각 감지 팀(AIST)에서 ML 측정 및 분석을 지원해 준 Y. Kato, Ms. Iseki, Ms. S. Sugawa, Ms. C. Hirakawa, Ms. Y. Sakamoto, Ms. Sano에게 감사드립니다.

재료

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알루미늄 플레이트엔지니어링 테스트 서비스 Co., Ltd.A5052 A5052는 표준에서 알루미늄의 품질로 정의됩니다.
블루 LED(주)모리텍스MBRL-CB13015
카메라BaumerTXG04 또는 VLU-12CCD 또는 CMOS
코팅 두께 게이지 KETTLZ-373
에폭시 접착제Nagase ChemteX Co.Denatite2202구조적 adehsive
ImageJNational Institutes of HealthImage J 1.53K이미지 처리 소프트웨어
기계 시험기 주식회사 SHIMADZUEZ Test EZ-LX
메카놀루미네스코넷(ML) 페인트Sakai Chemical Industry Co., Ltd.ML-F2ET31.1 의 ML 페인트는 에폭시 페인트의 2가지 구성 요소이며, 1.2.1. 에서 설명한 바와 같이 에폭시 주요 시약과 경화 시약으로 구성되어 있습니다. SrAl2O4:Eu2+ ML 세라믹 퍼티클은 주요 에폭시 시약에 포함되어 있습니다.
현미경키엔스VHX-6000
스테인리스강  플레이트엔지니어링 테스트 서비스 주식회사SUS631A631은 표준에서 스테인리스강의 품질로 정의됩니다.
점도계Sekonic. Co.비스코메이트 VM-10A

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Xu, C. -N., Watanabe, T., Akiyama, M., Zheng, X. -G. Direct view of stress distribution in solid by mechanoluminescence. Applied Physics Letters. 74 (17), 2414-2417 (1999).
  2. Xu, C. -N., Ueno, N., Terasaki, N., Yamada, H. Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis. NTS Inc. , (2012).
  3. Terasaki, N. Innovative first step toward mechanoluminescent ubiquitous light source for trillion sensors. Sensors and Materials. 28 (8), 827-836 (2016).
  4. Feng, A., Smet, P. F. A review of mechanoluminescence in inorganic solids: Compounds, mechanisms, models and applications. Materials. 11 (4), 484(2018).
  5. Terasaki, N., Xu, C. -N. Mechanoluminescence recording device integrated with photosensitive material and europium-doped SrAl2O4. Japanese Journal of Applied Physics. 48, (2009).
  6. Terasaki, N., Xu, C. -N. Historical-log recording system for crack opening and growth based on mechanoluminescent flexible sensor. IEEE Sensors Journal. 13 (10), 3999-4004 (2013).
  7. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y. Visualization of strain distribution and portent of destruction in structural material through mechanoluminescence. 35th International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity (ICAF) Conference and 29th ICAF Symposium (ICAF. 75, 1961-1967 (2017).
  8. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Visualization of crack propagation for assisting double cantilever beam test through mechanoluminescence). The Journal of Adhesion. 94 (11), 867-879 (2018).
  9. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H. Mechanoluminescent studies of failure line on double cantilever beam (DCB) and tapered-DCB (TDCB) test with similar and dissimilar material joints. International Journal of Adhesion and Adhesives. 93, 40-46 (2019).
  10. Terasaki, N., Fujio, Y., Horiuchi, S., Akiyama, H., Itabashi, M. Mechanoluminescent study for optimization of joint design on cross tension test. The Journal of Adhesion. 98 (6), 637-646 (2022).
  11. Terasaki, N., Fujio, Y., Sakata, Y., Uehara, M., Tabaru, T. Direct visualization of stress distribution related to adhesive through mechanoluminescence. ECS Transactions. 75 (45), 9-16 (2017).
  12. Terasaki, N., Ando, N., Hyodo, K. Mechanoluminescence visual inspection of micro-crack generation through fatigue process in flexible electronics film. Japanese Journal of Applied Physics. 61, (2022).
  13. Terasaki, N., Xu, C. -N., Yasuda, K., Ichinose, L. Fatigue crack detection of steel truss bridge by using mechanoluminescent sensor. Proceedings of Sixth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management (IABMAS). 6, 2542-2549 (2012).
  14. Fujio, Y., et al. Sheet sensor using SrAl2O4: Eu mechanoluminescent material for visualizing inner crack of high-pressure hydrogen vessel). International Journal of Hydrogen Energy. 41 (2), 1333-1340 (2015).
  15. Da Silva, L. F. M., Öchsner, A., Adams, R. Handbook of Adhesion Technology., 2nd edition. , Springer. Cham, Switzerland. (2018).
  16. International Organization for Standardization. ISO 22838:2020. Composites and reinforcements fibres - Determination of the fracture energy of bonded plates of carbon fibre reinforced plastics (CFRPs) and metal using double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2020).
  17. International Organization for Standardization. ISO 25217:2009. Adhesives - Determination of the mode 1 adhesive fracture energy of structural adhesive joints using double cantilever beam and tapered double cantilever beam specimens. International Organization for Standardization. , (2009).
  18. International Organization for Standardization. ISO 15024:2001. Fibre-reinforced plastic composites - Determination of mode I interlaminar fracture toughness, GIC, for unidirectionally reinforced materials. International Organization for Standardization. , (2001).
  19. International Organization for Standardization. ISO 4587:2003. Adhesives-Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies. International Organization for Standardization. , (2003).
  20. International Organization for Standardization. ISO 22841:2021. Composites and reinforcements fibres-Carbon fibre reinforced plastics(CFRPs) and metal assemblies-Determination of the tensile lap-shear strength. International Organization for Standardization. , (2021).
  21. International Organization for Standardization. ISO/CD 8065. Composites and reinforcements fibres - Mechanoluminescent visualization method of crack propagation for joint evaluation. International Organization for Standardization. , (2022).
  22. Azad, A. I., Rahimi, M. R., Yun, G. J. Quantitative full-field strain measurements by SAOED (SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) mechanoluminescent materials. Smart Material Structure. 25 (9), 095032(2016).

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