Innovative energy-absorbing materials have potential uses in buildings, helmets
퍼듀 대학(Purdue University)
GE(General Motors) 연구팀 개발
내진공학(earthquake engineering) 분야부터
더 안전한 풋볼 경기용 헬멧에 활용 가능
This image shows the honeycomb architecture of new "phase transforming cellular materials," or PXCMs, being developed in work by Purdue University and General Motors. The energy-absorbing material might be 3-D printed and could have …more
source phys.org
edited by kcontents
케이콘텐츠 편집
3D로 인쇄가 가능한 새로운 형태의 에너지 흡수 재료가 퍼듀 대학(Purdue University) 및 GE(General Motors) 연구팀에 의해 개발되었다.
본 재료는 내진공학(earthquake engineering) 분야부터 더 안전한 풋볼 경기용 헬멧에 이르기까지 다양한 분야에 응용될 수 있다.
PXCM(phase transforming cellular materials)이라고 불리는 벌집 구조는, 다양한 용도에 맞도록 크기를 조절할 수 있다. 어떤 크기는 머리에 가해지는 충격을 감소시키기 위해 헬멧에 사용하는데 이상적일 수도 있고, 다른 크기는 건축물의 벽체에 적용하여 지진에 의한 힘을 감소시킬 수 있다. PXCM을 3D 인쇄할 수 있게 되면, 다른 기술보다 훨씬 실용적이면서도 저렴하게 될 것이라고 퍼듀대학 토목공학과 부교수인 Pablo Zavattieri는 평가하였다.
가장 큰 장점은 에너지 흡수 소재로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, PXCM과 같은 목적으로 설계된 다른 물질들과는 달리 비가역적인 변형이 없기 때문에 재사용할 수 있다는 점이다. 이 구조는 금속 혹은 고분자뿐만 아니라 탄성적으로 거동하는 물질이라는 어떤 것도 적용할 수 있다.
Extreme Mechanics Letters지에 게재된 본 연구를 위해, 박사과정 학생인 David Restrepo, 제너럴 모터스 글로벌 연구소(General Motors Global Research & Development Center)의 스마트재료 및 구조 그룹의 연구원인 Nilesh D. Mankame 및 Zavattieri가 참여하였다. 연구팀은 실험 및 모델링 연구를 수행하였으며, PXCM의 거동을 묘사하기 위한 분석모델도 제안하였다.
다양한 길이에서 PXCM의 에너지 흡수능력을 적절히 활용할 수 있게 되면, 엔지니어들이 이미 사용 중인 구조에 2차적인 기능으로 에너지를 흡수하는 능력을 추가할 수 있게 된다. 현재는 기초적인 재료 연구 단계이고 많은 가능성을 갖고 있지만, 아직 상업화 수준에 이르지는 못했다.
PXCM은 안정적인 형태를 가지는 단위 셀(unit cell)로 구성되어 있다. 이 구조는 자유자재로 휠 수 있으며 어떤 상태에서도 영구적으로 유지된다. 이 소재는 두 가지 안정적인 상태를 가지고 있다. 압력을 가하면 다른 상태로 변형된다. 하지만 힘을 제거하면 원래의 상태로 회복되며, 이 메커니즘을 준안정적(meta-stable)이라고 한다. 이 빌딩블럭(building block)을 여럿 조합하면, 2중 안정적(bi-stable)이거나 준안정적인 재료를 만들 수 있으며, 이것은 특수한 조건에 맞는 재료를 설계할 수 있는 가능성을 높여준다. 예를 들어 헬멧에서 머리를 보호하기 위해 준안정적인 단위 셀이 필요하겠지만, 지진으로부터 건축물을 보호하기 위해서는 2중 안정적인 단위 셀을 가진 재료가 필요할 것이다.
단위 셀의 각 구조는 안정상(stable phase)에 해당되며, 두 상 간의 전이를 격자형 물질의 상 변환(phase transformations)이라고 한다.
단위 셀의 기계적 거동에 의한 에너지 소산(energy dissipation)은 기반 재료의 내재적인 에너지 소산에 부가시킬 수 있다. 알루미늄, 마그네슘 및 섬유강화 복합재료와 같은 새로운 소재들은 운송, 방위 및 건축산업 분야에서 그 중요성이 증가되고 있지만, 낮은 에너지 소산능력이 단점으로 작용하고 있다. 이런 물질로 구성된 구조의 에너지 흡수 능력은 PXCM을 도입함으로써 증가시킬 수 있다.
정육면체, 사면체 혹은 오각형 등의 다양한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 형상기억 합금과 같은 다른 상 변환 재료와 마찬가지로, PXCM은 열이나 다른 외부 자극을 통해 조절이 가능하다. 또한 액추에이션(actuation) 개념을 소프트 로봇(soft robot)에 적용하여 다양한 형태로 유연하게 변형될 수 있도록 하는데 활용할 수도 있다.
PXCM의 에너지 소산 능력이 기존의 에너지 소산 소재와 동일한 수준의 능력을 보여준다는 사실을 밝혀냄으로써, 고층빌딩에서부터 인체를 보호하는 용도까지 에너지 흡수를 위한 다양한 분야에 적용할 수 있는 가능성을 높여주었다고 Restrepo는 평가하였다. 본 연구는 GE와 공동연구를 통해 진행되었고, 현재도 진행 중이며 최근 국립과학재단으로부터 자금 지원도 받고 있다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑
VIDEO
http://phys.org/news/2015-11-energy-absorbing-materials-potential-helmets.html
Purdue University is collaborating with General Motors to develop a new type of energy-absorbing material that might be 3-D printed and that could have an impact in areas ranging from earthquake engineering to safer football helmets.
The honeycomb architecture of the "phase transforming cellular materials," or PXCMs, could be scaled to a range of sizes tailored for various applications. One size could be ideal for integration into helmets to reduce head impacts, while another size would be suited for installation in the walls of buildings to dampen earthquake forces. Being able to 3-D print the PXCMs would make them less expensive and more practical than other technologies, said Pablo Zavattieri, an associate professor in the Lyles School of Civil Engineering and a University Faculty Scholar at Purdue.
"The main advantage is that not only can it be used as an energy absorbing material, but unlike many other materials designed for this purpose the PXCMs would be reusable because there is no irreversible deformation," he said.
The structures can be made of metals or polymers or "anything that behaves elastically," he said.
The research has been detailed in a paper appearing in the journal Extreme Mechanics Letters. The paper was authored by doctoral candidate David Restrepo, staff researcher Nilesh D. Mankame from the Smart Materials & Structures Group at the General Motors Global Research & Development Center, and Zavattieri. The research team worked on the design and performed both experiments and modeling and introduced an analytical model that describes the behavior of the PXCMs.
"The ability to realize the energy absorption offered by PXCMs at various length scales makes it possible for engineers to integrate energy absorption as a secondary function into structures that are already in use," Mankame said. "It is currently in the realm of fundamental materials research and shows a lot of promise but is not yet ready for commercial applications."
The PXCMs contain "unit cells that have multiple stable configurations." The structures can flex back and forth and remain in either position indefinitely, not unlike a flexing playing card (youtube video).
"It has two stable positions," Zavattieri said. "I push it and it goes to the other position. If you remove the force and the card returns to the original position, the mechanism is said to be meta-stable. Then you could combine many of these building blocks and have bi-stable or meta-stable materials, which gives us the flexibility to design these materials for specific needs. For instance, you might need materials with meta-stable unit cells for head protection in helmets, but then maybe you would need materials with bi-stable unit cells for buildings to protect against earthquakes."
"The energy dissipation due to the mechanical behavior of the unit cells adds to the intrinsic energy dissipation of the base material," Mankame said. "Many emerging materials like aluminum, magnesium and fiber-reinforced composites, that play an increasingly important role in the transportation, defense and construction industries, suffer from low intrinsic energy dissipation. The energy absorption capability of structures that are made of such base materials can be increased by incorporating PXCMs into the structures. "
The work may be extended to a variety of geometric configurations such as cubes, tetrahedral or pentagonal for use in helmets. Like other phase-transforming materials such as shape-memory alloys, PXCMs could be controlled using heat or other external stimuli. This concept of actuation also could be used to make soft robots, which are flexible and able to conform to various shapes.
"The fact that we demonstrated that phase transforming cellular materials exhibit the same levels of energy dissipation as traditional metallic honeycombs opens the door to use these materials in a variety of applications ranging from passive dissipation dampers in high rise buildings, to human body protection," Restrepo said.
The research has been done in close collaboration with General Motors and is ongoing, recently receiving funding from the National Science Foundation.
http://phys.org/news/2015-11-energy-absorbing-materials-potential-helmets.html
케이콘텐츠
kcontents
"from past to future"
데일리건설뉴스 construction news
콘페이퍼 conpaper
