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세라믹 매트릭스 복합 재료 및 굽힘 특성
 
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세라믹 매트릭스 복합 재료 및 굽힘 특성

Overview

출처: 시나 샤바즈모하마디와 페이만 샤베이기-루드포스티-루드포스티,코네티컷 대학교 공학대학, 스토스, CT

뼈는 세라믹 매트릭스 및 폴리머 섬유 보강으로 만들어진 복합재료입니다. 세라믹은 압축 강도를 기여하며 폴리머는 인장 및 굴곡 강도를 제공합니다. 세라믹과 폴리머 소재를 양별로 결합하여, 본체는 특정 용도에 맞는 독특한 재료를 만들 수 있습니다. 생물 의학 엔지니어로서 질병이나 외상성 부상으로 인해 뼈를 대체하고 복제 할 수있는 능력을 갖는 것은 의학의 중요한 측면입니다.

이 실험에서는 파리의 석고가 있는 3개의 다른 세라믹 매트릭스 복합체(황산칼슘 화합물)를 만들고, 어떤 제제가 가장 강한지 결정하기 위해 3점 굽힘 테스트를 진행할 수 있도록 합니다. 세 가지 복합재료는 다음과 같습니다: 하나는 파리의 석고로만 구성되며, 하나는 석고 매트릭스에 혼합된 다진 유리 파편과 유리 유리 네트워크가 내장된 석고 매트릭스입니다.

Principles

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주어진 재료를 테스트해야 할 때, 덜 연성 재료의 강도를 테스트하는 가장 중요한 방법 중 하나는 3 점 굽힘 테스트입니다. 상기 3점 굽힘 시험은 주어진 시료가 인간 뼈의 대부분을 대표하는 물질의 중간에 있는 전단 응력의 평면뿐만 아니라 힘(compressive 및 inile)의 조합을 경험할 수 있도록 하는 방법이다. 이 실험의 결과로 이러한 생체 재료에 대한 범위와 한계와 함께 복합 재료에 대한 더 나은 이해를 얻을 수 있습니다.

3점 굽힘 테스트에서, 샘플의 바닥은 장력, 상단이 압축되고, 샘플 의 중간에 전단 평면이 있다(도 1).

Figure 1
그림 1: 3점 굽힘 테스트의 회로도 표현.

살아있는 뼈는 이러한 힘을 수용하기 위해 자체를 리모델링하고 재구성 할 수 있습니다. 예를 들어, 리브 뼈에는 곡선 의 내부에 미네랄 상이 고농도(압축력이 있는 곳) 및 곡선의 외부에 고농도의 콜라겐 섬유가 있습니다(인장력이 있는 경우).

복합재료의 특성은 매트릭스 및 필러 재료의 특성을 기반으로 합니다. 여러 수식은 충전제의 유형 및 양의 함수로서 복합재료의 전체 강도와 계수를 계산하기 위해 개발되었습니다. 이들 중 가장 간단한 것은 문제의 속성의 최대 이론적 값을 제공하는 "혼합물의 규칙"입니다. 굴곡 강도에 대한 혼합물의 규칙은 다음과 같습니다.

σ컴P = σMVm + σ1V1 + σ 2 V2 + ... (1)

어디:

σ컴포지션 = 복합체의 이론강도 최대

매트릭스의 σm = 강도

σ1, σ2 ... = 필러 재료의 강점 1, 2 등

Vm, V1, V2,.. = 매트릭스 및 필러의 부피 분획.

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Procedure

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1. 일반 석고 샘플 1개 만들기

  1. 강사로부터 파란색 고무 금형을 가져옵니다. 각 금형은 3 개의 바 모양의 샘플을 만들 수 있으며 각 막대의 크기는 너비가 약 26mm, 길이는 43mm, 두께는 10mm입니다.
  2. 40그램의 마른 석고 파우더를 종이 컵에 넣습니다. 20ml의 탈온된 물을 천천히 넣고, 매끄러운 일관성이 이루어질 때까지 나무 막대기로 슬러리를 저어줍니다. 즉시 3 단계로 진행! 석고는 ~ 5 분 안에 경화하기 시작합니다.
  3. 결과 슬러리를 금형의 구획 중 하나에 붓습니다. 금형을 완전히 채우고 나무 막대기로 부드럽게 합니다. 컵과 여분의 석고를 버리십시오. 나중에 사용할 수 있도록 스틱을 유지합니다.

2. 두 개의 복합 샘플 만들기

  1. 다진 섬유 보강으로 만든 샘플을 준비하십시오.
    a.) 다진 유리 섬유 4그램을 종이 컵에 넣습니다.
    b.) 같은 컵에 40 그램의 석고 파우더의 무게.
    c.) 천천히 20ml의 탈이온물을 넣고, 섬유가 철저히 섞일 때까지 나무 막대기로 슬러리를 저어주며, 매끄러운 일관성을 얻을 수 있습니다.
    d.) 슬러리를 금형 구획 중 하나에 붓습니다. 금형을 완전히 채우고 나무 막대기로 부드럽게 합니다.
  2. 유리 섬유 테이프로 만든 샘플을 준비하십시오.
    a.) 약 5 인치 길이의 유리 섬유 테이프 2 스트립을 잘라. 스트립의 무게.
    b.) 40그램의 마른 석고 파우더를 종이 컵에 넣습니다. 20ml의 탈온된 물을 천천히 넣고 매끄러운 일관성이 이루어질 때까지 슬러리를 저어줍니다.
    c.) 석고의 약 1/3을 금형에 붓습니다. 석고 위에 유리 섬유 테이프 한 스트립을 놓고 나무 막대기로 누릅니다. 석고가 유리 섬유 테이프를 완전히 적재하는지 확인하십시오.
    d.) 유리 섬유 테이프 위에 나머지 석고의 절반 정도를 붓습니다. 두 번째 테이프 스트립을 석고 위에 놓고 나무 막대기로 누릅니다.
    e.) 두 번째 스트립 위에 석고의 나머지 부분을 붓고 나무 막대기로 아래로 누릅니다. 석고가 유리 섬유 테이프를 완전히 적시고 기포를 짜내십시오.

3. 실험 수행

  1. 3점 테스트 기구에서 각 막대 측정 L(아래 그림의 길이 범위)의 평균 길이, 두께 및 너비를 측정하고, 보정된 캘리퍼를 사용하여 측정합니다.
  2. 모든 테스트에 5mm/min의 변위 속도를 사용합니다. (UTM은 5mm/분의 변위 속도로 제로화되고 시작되어야 합니다). 일반 석고와 다진 섬유 시료의 경우 샘플이 실패할 때까지 테스트를 실행합니다. 유리 섬유 테이프 샘플의 경우 편향이 6mm가 될 때까지 테스트를 실행합니다.
  3. 컴퓨터의 LabVIEW 프로그램을 사용하여 각 테스트에서 텍스트 파일로 데이터를 수집합니다.

4. MATLAB 프로그램

  1. 다음을 수행할 MATLAB 프로그램을 만듭니다.
  2. 단일 열 텍스트 파일을 읽고 판독값을 강제로 분리하고 데이터를 편향합니다. 다음과 같은 변환 요소를 사용하여 원시 데이터를 강제로 변환하고 편향으로 변환합니다.
    힘 = (로드 셀 최대 값 / 30000) * UTM (2)에 의해 생성 된 번호
    편향 = 0.001mm * UTM에 의해 생성된 번호 (3)
  3. 각 샘플의 굴곡 강도와 굴곡 균주를 계산합니다.
    굴력 σf = (3FL)/(2wt2) (4)
    플렉스 변형 εf = (6Dt)/(L2) (5)
  4. 각 샘플에 대해 응력-변형 곡선을 플롯합니다. εf가 가로 축이 되고 σf가 수직 축이 될 수 있도록 합니다.
  5. 각 샘플에 대한 최대 σf 및 εf 값을 찾습니다. 복합 샘플의 경우 최대 σf 값에 해당하는 εf 값을 선택합니다.
  6. 탄력적 영역에서 곡선의 경사를 계산하여 굴곡 계둘레 Ef를 찾습니다.
  7. 각 응력-변형 곡선 아래 영역을 찾습니다.

5. 데이터 분석

  1. 복합 시료의 굴곡 강도와 계수의 비교는 일반 석고 샘플의 것과 비교됩니다.
    UTM은 힘과 편향 모두에 대해 단일 열 텍스트 파일을 생성하므로 MATLAB 인터페이스는 해당 값을 다른 배열로 정렬해야 합니다. 따라서, 방정식 4 및 5에필요한 힘과 편향을 모두 결정하기 위해, 수학식 23은 MATLAB에 구현되어야 한다.
    로드 셀 최대 1000을 사용하여 굴곡 강도와 균주 측정은 모든 방정식의 조합입니다. MATLAB은 또한 각 샘플의 응력 변형 곡선을 생성하기 때문에 탄력적 영역의 경사를 계산하여 굴곡 계수를 확인하였다. 방정식 6을사용하여, 굴곡 계수는 응력 - 변형 플롯에 두 개의 선택된 점에 대하여 계산됩니다:
    Equation 1(6)
    샘플 데이터를 살펴보면, 다양한 형태의 보강이 추가됨에 따라 유리섬유 테이프가 가장 큰 추가 강도를 제공하면서 시료의 강도가 증가할 것으로 보입니다. 연성의 관점에서, (이는 "가장 플라스틱 변형"으로 간주 될 수있다) 유리 섬유 테이프 강화 표본뿐만 아니라 가장 큰 될 것입니다.
    또한 섬유 길이와 방향은 복합 샘플의 특성에 크게 영향을 미칩니다. 예를 들어, 유리섬유 테이프가 시편의 표면과 평행하게 설정된 경우에만 최대 보강을 달성할 수 있습니다. 이렇게 하면 이 공간 방향은 석고 매트릭스가 실패할 때 유리 섬유 테이프가 추가 힘을 견딜 수 있게 합니다. 또한, 유리 섬유 테이프의 긴 스트립은 짧은 스트립보다 더 많은 강도를 제공하는 것으로 판명 될 수 있습니다. 유리섬유 보강을 둘러싼 석고가 더 많기 때문에 더 긴 조각은 3점 굽힘 테스트의 조건에서 최대 견인력을 허용합니다.
  2. 채권 테스트 중 에너지 흡수
    응력-변형 곡선 아래 영역은 물질이 고장 전에 흡수하는 에너지를 나타냅니다. 우리가 달성 할 결과에 따르면, 유리 섬유 강화 표본이 가장 많은 양의 에너지를 흡수한다는 것을 보여줄 것입니다. 또한, 인성은 파쇄 없이 에너지를 흡수하고 플라스틱분해되는 물질의 능력에 해당하기 때문에 유리섬유 샘플은 가장 많은 양의 에너지를 흡수함으로써 가장 연성임을 입증하였다. 유리 섬유 표본은 본질적으로 세 가지 중 가장 힘든 표본입니다. 따라서, 인성은 강도와 연성 사이의 균형이며, 유리 섬유 샘플은 응력 변형 곡선 아래 가장 큰 영역을 했다.
  3. "혼합물 규칙" 공식을 사용하여 다진 섬유 및 유리 섬유 테이프 복합체의 이론강도 계산(관련 재료 특성은 표 1에 나열됨).
    복합체의 이론적 강도는 수학식 1을 통해 계산할 수 있습니다.
    VF = 섬유 =의 부피 = (섬유의 부피)/(샘플의 총 부피)
    섬유의 부피 = (섬유의 질량)/(섬유밀도)
    석고 = VP = 1- VF의 볼륨 분수.
밀도, g/ml 굴곡 강도, MPa
다진 유리 섬유 2.5 35
유리 섬유 테이프 0.45 35
석고 NA NA

표 1. 재질 특성.

복합체는 매트릭스와 하나 이상의 보강 재질을 결합하여 형성된 재료이다. 복합체의 전체 굽힘 강도는 구성되는 재료의 특성에 따라 달라집니다. 세라믹은 압축 특성이 강한 단단한 재료이지만,이 재료는 또한 매우 부서지기 쉽습니다. 유리 또는 폴리머 섬유를 혼합하여, 그것은 더 연성 재료로 변합니다.

예를 들어, 인공 뼈 복합체에서 세라믹은 필요한 압축 강도를 제공하며 폴리머 섬유는 인장 및 굴력 강도를 추가합니다. 세라믹과 폴리머 소재를 양별로 결합하여 특정 용도에 맞게 고유한 재료를 만들 수 있습니다.

이 비디오는 파리의 석고가있는 세 개의 세라믹 매트릭스 복합재를 만들고 가장 강력한 굽힘 특성을 가진 준비를 결정하는 방법을 보여줍니다. 이 견본의 굴곡 강도는 3점 굽힘 시험을 사용하여 측정될 것입니다.

3점 굽힘 테스트를 자세히 살펴보겠습니다. 이 방법에서는 막대 모양의 샘플이 두 개의 병렬 핀에 세로로 장착됩니다. 마운팅은 재료가 외부 힘 하에서 구부러질 뿐만 아니라 스트레칭할 수 있도록 해야 합니다.

이 테스트에서 외부 힘은 중간에 있는 샘플에 수직으로 적용됩니다. 그 결과, 외부 하중이 적용되는 측면에서 압축력을 거치고 반대쪽에 인장력이 늘어나게 됩니다. 이 두 힘의 조합은 또한 미드 라인을 따라 깎아 지른듯한 스트레스의 영역을 만듭니다.

이 세 가지 힘은 함께 주어진 샘플의 굽힘 또는 굴곡 강도를 결정합니다. 외부 힘이 증가함에 따라 재료의 굽힘 또는 편향량도 재료가 고장나때까지 증가합니다. 재료의 굴곡 변형은 시료의 편향, 범위 길이 및 두께를 사용하여 계산될 수 있다. 재료의 굴곡 응력은 시료의 적용된 힘, 범위 길이, 폭 및 두께로부터 계산될 수 있다.

3점 굽힘 테스트는 재료의 굴곡 응력과 변형 곡선을 제공합니다. 탄성 영역에서 곡선의 경사는 샘플의 굴곡 계수를 나타내고 주어진 재료가 구부러질 수 있는 양을 측정합니다. 응력-변형 곡선 의 영역은 고장 전에 재료에 의해 흡수되는 에너지의 양을 나타내므로, 따라서, 물질의 인성의 척도이다.

이론적으로, 복합체의 최대 굴근 강도는 부피 분획 하에서 매트릭스및 보강 재료의 최대 굴근 강도를 사용하여 혼합물의 규칙으로 계산될 수 있다.

이제 3점 굽힘 방법이 어떻게 작동하는지, 재료의 굽힘 특성을 측정하는 방법을 이해하게 되었으므로 세 개의 세라믹 기반 복합재를 만들고 굽힘 강도가 가장 높은 지 알아봅시다.

먼저 세라믹 매트릭스 복합재료의 세 가지 샘플을 만들어 봅시다. 먼저 3개의 바 모양의 샘플을 만들 수 있는 파란색 고무 금형을 가져옵니다. 우리는 일반 석고에서 첫 번째 샘플을 만들 것입니다. 우선, 플라스틱 컵에 40그램의 마른 석고 파우더를 계량한 다음 20밀리리터의 탈온화된 물을 천천히 넣고 매끄러운 일관성이 이루어질 때까지 막대기로 저어줍니다. 석고가 약 5 분 안에 굳어지기 시작하기 때문에 즉시 다음 단계로 진행하십시오. 다음으로, 금형의 구획 중 하나에 결과 슬러리를 부어. 금형을 완전히 채우고 스틱으로 부드럽게 합니다. 마지막으로, 컵과 여분의 석고를 버리라. 향후 사용을 위해 스틱을 유지하십시오.

석고 분말과 다진 유리 섬유를 사용하여 두 번째 복합 샘플을 만들 것입니다. 이를 위해 먼저 다진 유리 섬유 4그램을 플라스틱 컵에 넣습니다. 다음으로, 같은 컵에 40 그램의 석고 분말을 무게한 다음 천천히 20 밀리리터의 탈수를 추가합니다. 섬유가 완전히 섞이고 매끄러운 일관성이 달성 될 때까지 스틱으로 슬러리를 저어 유지합니다. 샘플 하나에 대해 설명한 대로 슬러리를 두 번째 금형에 붓습니다.

일반 석고 분말과 섬유 유리 테이프를 사용하여 마지막 복합 샘플을 만들 것입니다. 이를 위해 먼저 섬유 유리 테이프 두 스트립을 약 5인치 길이로 자르고 무게를 측정합니다. 둘째, 첫 번째 샘플에서와 마찬가지로 일반 석고 가루로 슬러리를 만듭니다.

다음으로 석고의 약 1/3을 금형에 붓습니다. 석고 위에 섬유 유리 테이프 한 스트립을 놓고 막대기로 누릅니다. 항상 석고가 섬유 유리를 완전히 적시고 나머지 석고의 약 1/2를 섬유 유리 테이프 위에 붓는지 확인하십시오.

다음으로, 석고 위에 테이프의 두 번째 스트립을 놓고 막대기로 아래로 누릅니다. 두 번째 스트립 위에 석고의 나머지 부분을 붓고 막대기로 아래로 누릅니다.

각 막대의 평균 길이, 너비 및 높이를 측정합니다. 보정된 캘리버를 사용하여 3점 테스트 설비에서 샘플의 범위 길이를 측정합니다. UTM 계측기를 0으로 설정하고 분당 5밀리미터의 변위 속도를 추가합니다.

일반 석고와 다진 유리 섬유 샘플의 경우 샘플이 실패할 때까지 테스트를 실행합니다. 섬유 유리 테이프 복합체의 경우 편향이 6mm가 될 때까지 테스트를 실행합니다. 컴퓨터의 랩 보기 프로그램을 사용하여 각 테스트에서 텍스트 파일로 데이터를 수집합니다.

UTM은 힘과 편향 모두에 대해 단일 열 텍스트 파일을 생성합니다. 랩 뷰 인터페이스는 해당 판독값을 두 개의 서로 다른 배열로 정렬합니다. 이제 UTM 및 로드 셀 최대 값1,000에서 생성된 숫자를 사용하여 원시 데이터를 강제로 변환합니다.

다음으로, 힘과 편향 값을 사용하여, 굴곡 응력과 변형을 계산합니다. 석고, 다진 유리 복합체 및 섬유 테이프 복합체의 세 가지 샘플의 굴곡 변형 응력 곡선을 플롯합니다. 곡선에서 최대 굴곡 강도를 찾습니다. 또한 최대 강도에서 굴근 변형을 찾을 수 있습니다. 다음으로 각 샘플의 곡선 아래의 굴곡 계수 및 총 면적을 계산합니다.

마지막으로 세 가지 샘플의 결과를 비교합니다. 이 실험은 다른 보강 재료를 사용하여 시료의 원하는 강도를 달성할 수 있음을 보여줍니다. 샘플 데이터를 살펴보면 섬유 유리 테이프가 가장 큰 추가 강도를 제공한다는 것을 알 수 있습니다. 또한 곡선 아래의 최대 면적을 커버하므로 세 가지 중 가장 힘든 영역입니다. 섬유 길이와 방향은 복합 샘플의 특성에 큰 영향을 미칩니다.

예를 들어, 최대 보강은 섬유 유리 테이프가 시편의 표면에 평행하게 설정된 경우에만 달성될 수 있다. 이 공간 방향은 석고 매트릭스가 실패할 때 섬유 유리 테이프가 추가 힘을 견딜 수 있게 합니다. 더 긴 조각은 섬유 유리 보강을 둘러싼 더 많은 석고가 있기 때문에 테스트에서 최대 견인을 허용합니다.

세라믹 매트릭스 복합재료는 우주 과학, 생명공학 및 자동차 파괴 시스템 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 세라믹 매트릭스 복합재료는 인공 뼈를 합성하는 데도 사용됩니다. 우리의 뼈는 본질적으로 강한 복합 구조따라서 질병 또는 외상성 부상으로 인한 뼈를 대체하고 복제 할 수있는 능력을 갖는 것은 의학의 중요한 구성 요소입니다.

세라믹 복합재료는 또한 높은 강도, 높은 열 안정성 및 낮은 마모로 인해 탁월한 자동차 파괴 시스템을 제공합니다. 이러한 이유로 그들은 스포츠카에 사용됩니다.

당신은 세라믹 매트릭스 복합 재료와 굽힘 속성에 조브의 소개를 보았다. 이제 복합 재질을 만들고, 3점 굽힘 테스트를 사용하여 굽힘 특성을 테스트하고, 다른 복합재와 비교하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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전술한 일련의 테스트의 전반적인 목적은 다양한 복합 뼈 대체품 사이의 다양한 물리적 특성을 비교하는 것입니다. 굴곡 강도와 변형은 각각 방정식 4및 5를 사용하여 계산되어야 합니다. 각 샘플에 대한 스트레스와 변형은 MATLAB에 플롯됩니다. 이를 통해 각 데이터 집합에 대해 최대 굴근 강도와 해당 굴곡 균주를 찾을 수 있습니다. 각 데이터 포인트에 대한 응력(σf1, σf2)및 스트레인(εf1, εf2)은각 샘플에 대한 굴곡계 계수를 결정하기 위해 수학식 6에 사용될 것이다.

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Applications and Summary

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이 실험은 3가지 종류의 복합 재료에 대한 굴곡 강도를 연구하도록 설계되었습니다. 우리는 다른 보강 재료로 세 개의 표본을 조작했습니다. 매트릭스는 파리의 석고 (칼슘 황산염 화합물)였고, 우리는 다진 유리 섬유와 유리 섬유 테이프를 보강으로 사용했습니다. 우리는 가공 된 표본에 3 점 굽힘 테스트를 수행하고, 달성 된 데이터를 분석, 긴, 지향 섬유 대 짧은 임의의 섬유로 만든 복합재료의 특성을 비교.

뼈는 본질적으로 강한 복합 구조를 가지고, 신체가 일관된 기준으로 견딜 수있는 많은 다른 힘에 적응. 복합 구조는 폴리머 섬유와 산재세라믹 매트릭스로 설명될 수 있다. 세라믹 측면은 높은 압축 강도를 제공하며 폴리머 섬유는 굴곡 강도를 증가시합니다. 분명히, 생물 의학 엔지니어로, 질병 또는 외상성 부상으로 인해 뼈를 대체하고 복제 할 수있는 능력을 갖는 것은 의학의 중요한 측면이다. 또한, 다양한 금속, 폴리머 또는 세라믹으로부터 적합한 대체 조직을 합성하는 것은 실행 가능한 대안이다. 생체 공학적 대체품은 생물학적 대응의 기능과 일치해야 하며, 다양한 생체 재료의 비판적 분석 및 테스트가 점점 더 중요해집니다.

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