자기유변엘라스토머 소개 Introduction of Magnetic Rheological Elastomer (MRE)

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1 자기유변엘라스토머 소개 Introduction of Magnetic Rheological Elastomer (MRE)
조원오1, 김철현1, 이철희2 장암칼스주식회사1 인하대학교 기계공학과2

2 MR(Magneto-Rheological) Fluid
Introduction MR(Magneto-Rheological) Fluid 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 마이크로 크기의 자성을 가질 수 있는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액 자기장이 부하되지 않은 상태에서는 분산 입자가 뉴튼 유체의 성질을 가짐 자기장이 부하되면 분산 입자가 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행한 방향으로 섬유질이 형성되어 전단력이나 유동에 대한 저항력이 생기는 빙햄 유체의 성질을 가짐 ※빙햄(Bingham) 유체 : 자기장 부하시 입자가 대전되어 체인 구조를 형상하여 항복응력을 갖는 유체 MR 엘라스토머의 설명에 앞서 MR 유체를 설명드리자면 MR 유체란 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 마이크로 크기의 자성을 가질 수 있는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액으로써 자기장이 부하되지 않은 상태에서는 분산 입자가 뉴튼 유체의 성질을 가지고 자기장이 부하되면 분산 입자가 분극화를 일으켜 부화된 자기장과 평행한 방향으로 섬유질이 형성되어 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가지는 유체입니다. 2 Advanced Vehicle Design & Control Lab.

3 MRF (Magnetic Rheological Fluid
Liquid Phase (Current Off) 자기장이 부하되면 분산입자가 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행한 방향으로 섬유질을 형성 Solid Phase (Current On) [MR Fluid]

4 MRE (Magnetic Rheological Elastomer
No Magnetic Force 천연고무나 실리콘 고무와 같은 폴리머 재료 안에 극성을 이루는 입자들을 첨가한 자기 유변 탄성물질(고체) 자기장에 의한 강성변화 진동 제어 적용 Applied Magnetic Force

5 2액형 부가 반응 실리콘 고분자 합성

6 MR Elastomer 제조 높이 조절이 가능한 금형을 개발 금속입자와 실록산의 결합 특성 부여

7 Manufacture of MR Elastomer
α, ω-Vinyl polydimethylsiloxan α, ω-Hydrido polydimethylsiloxan -> 실리콘 젤의 합성 자성에 대하여 극성을 나타내는 충전재 -> Fe, Ni, Co 분말 Adhesion Promoter 와 촉매 첨가 오른쪽에 보이는 그림과같이 원통형태로 제작이 되었습니다. MR Elastomer는 α, ω-비닐-폴리디메틸실록산과 α, ω-하이드리도 폴리디메틸실록산 두 재료를 이용하여 실리콘 젤을 생성하였습니다. 실리콘 젤을 생성할 시에 자성에 대하여 극성을 나타내는 충전재가 첨가되어야 합니다. 본 연구의 MR 엘라스토머에는 철, 니켈, 코발트 분말의 조합으로 충전재를 첨가하였습니다. 또한 재료들의 접착에 필요한 재료 및 반응 촉매 또한 첨가되었습니다. 7 Advanced Vehicle Design & Control Lab.

8 Experiment Experiment Shaker 가진 DAQ Device LABVIEW Sine Sweeping
최상단에 있는 가속도센서를 이용하여 진동을 측정합니다. 컨디셔닝 엠프를 통하여 가속도 센서에서의 신호를 보정하게 되며 DAQ보드로 데이터를 수집하게 됩니다. 수집된 데이터는 LABVIEW 프로그램을 이용하여 주파수 분석을 수행하였습니다. Shaker 가진 Accelerometer DAQ Device LABVIEW Sine Sweeping Measurement 데이터 수집 주파수 분석 8 Advanced Vehicle Design & Control Lab.

9 Experiment Experiment 두께에 따른 공진주파수 변화 비교 방향성에 따른 1 2 Accelerometer
(10 mm, 15 mm, 20 mm) 방향성에 따른 (상하방향성, 비방향성, 좌우방향성) Mass : 500 g 1 MRE Electromagnet : 0.2 T 2 다음은 실험에 대한 상세 내용입니다. 실험에 사용된 질량체는 500g, 전자석은 0.2T, 즉 2000G를 부하할 수 있는 전자석을 사용하였습니다. 쉐이커를 이용한 Sine Sweeping 가진은 2Hz부터 500Hz 범위에서 가진하였습니다. MR 엘라스토머의 샘플은 두께에 따른 공진주파수 변화 비교, 그리고 방향성에 따른 공진주파수 변화를 비교하기 위하여 샘플을 준비하였습니다. 샘플은 10mm, 15mm, 20mm 세가지 두께에 각각 상하방향성 비방향성, 좌우방향성 세가지 방향성의 샘플에 대하여 실험을 수행하였습니다. Shaker : 2Hz~500Hz 9 Advanced Vehicle Design & Control Lab.

10 Results Experimental Results 좌우 방향성_10mm 9 가지 샘플에 대한 실험 수행
130 Hz -> 293 Hz 공진주파수 이동 좌우 방향성_10mm 앞에서 말씀드린것과 같이 3가지 두께, 3가지 방향성 총 9가지 샘플에 대하여 실험을 수행하였습니다. 왼쪽에 보이는 그래프는 샘플들 중 10mm 두께의 좌우방향성에 대한 실험결과 그래프입니다. 그래프에서 보이는 것과 같이 자기장부하 전과 후의 공진주파수 이동을 보면 130Hz에서 약 293 Hz까지 이동하는 것을 볼 수 있었습니다. 이 실험결과는 나머지 8가지 샘플에 대해서도 비슷한 결과를 얻을 수 있었습니다. 10 Advanced Vehicle Design & Control Lab.

11 Natural Frequency Shift에 의한 진폭변화
10mm 두께 좌우방향성 MRE 사용 공진주파수 근처 영역대(170Hz)에서 실험 수행 공진 주파수 이동 폭이 가장 큰 MRE의 두께 설정 -> 약 16mm

12 Results Experimental Results 두께, 방향성에 따라 공진주파수의 이동 정도가 다양함. 방향성 상하 방향성
비 방향성 좌우 방향성 두께 Unapplied (Hz) Applied 10mm 149 278.5 130.2 293.7 171.4 289.3 (187%) (225%) (169%) 15mm 96.2 252.3 87.4 237.9 89.4 221 (262%) (272%) (247%) 20mm 67 163.7 64.8 145.4 66.6 154.7 +96.7 (244%) +80.6 (224%) +88.1 (232%) 다음으로 실험 샘플 모두에 대한 테이블입니다. 공진주파수의 이동정도를 퍼센테이지로 강조해서 나타내었는데, 두께, 방향성에 따라 그 정도가 다양한 것을 알 수 있었습니다. 따라서 본 연구에서는 최적의 MR 엘라스토며 두께 및 방향성을 찾기 위해 최적화 작업을 수행하였습니다. 두께, 방향성에 따라 공진주파수의 이동 정도가 다양함. 12 Advanced Vehicle Design & Control Lab.

13 Optimization of MR Elastomer
Results Optimization of MR Elastomer iSIGHT 프로그램을 이용하여 최적화를 수행하였습니다. 두께 방향성 두가지 변수에 대한 공진주파수 Shift Percentage의 Response Surface Model을 얻었습니다. 두께는 10~20mm로 제한하였으며 방향성은 +10은 상하방향성, 0은 비방향성, -10은 좌우방향성으로 설정하였습니다. 붉은색으로 나타나는 지점이 가장 Shift Percentage가 높은 부분으로 볼 수 있습니다. 두께, 방향성 두가지 변수에 대한 Shift Percentage의 RSM (iSIGHT 사용) 두께(10~20mm), 방향성(상하: 10, 비방향성: 0, 좌우: -10) 13 Advanced Vehicle Design & Control Lab.

14 MRE 동특성 해석을 위한 실험 계획 전자석 위에 MRE를 올려놓고 하부에서 자기장 인가 MRE의 상부에 가속도 센서를 부착하여 MRE의 진동에 의한 진폭 측정

15 MRE 동특성 실험 결과 분석 및 MRE 개발 방향 제시
[동특성 실험 구성도] [MRE의 실험 결과 그래프] 원통방향, 원통수직방향, 비방향성의 MRE에 대한 동특성 실험 Impact Hammer를 이용한 세가지 방향성의 Free상태/Magnet상태의 공진주파수 측정

16 유.무기 복합 및 융합 MRE 개발 PU Gel 단독구조, Siloxane(비교) 단독 구조
위하여 Polyurethane 사용 Polyurethane의 내구성와 Siloxane의 공진주파수 이동 성능을 합하기 위하여 두 재료를 융합, 복합하여 사용 융합구조는 두 성분을 화학적으로, 복합구조는 두 성분을 물리적으로 결합 PU Gel 단독구조, Siloxane(비교) 단독 구조 PU Gel + Siloxanediol copolymer 구조(융합) PU Gel encapsulated Siloxane 구조(복합)

17 유, 무기 복합 MRE 개발 폴리우레탄과 실록산을 복합, 융합하여 MRE 제작 폴리우레탄과 실록산을 사용한 MRE의 내한성
-40℃에서도 정상적인 작동 확인

18 유.무기 MRE의 저온 및 고온 특성 연구 결론 PU-MRE 대비 경도의 저하
Si-MRE PU Test Conditions : Pan : Aluminum Uncovered Oxygen Pressure : Atmosphere 3.5Mpa Heating Rate : 10℃/min Temperature : 50→500℃(Dynamic) PU-MRE 223.5℃ 234.3℃ 318.0℃ MRE 온도별 경도 시험 결과 PU-MRE 대비 경도의 저하 DSC 내열성 시험(ASTM E537-07) 결과 PU-MRE도 223.5℃ 이상 형성 결론

19 < Pu wrapped Si MRE 상하방향> < Pu-Si MRE 상하방향>
고유진동수 이동 변화 < Pu MRE 상하방향> < Pu wrapped Si MRE 상하방향> < Pu-Si MRE 상하방향> <SI MRE 상하방향>

20 [폴리우레탄을 사용한 MRE의 내구성 실험 결과]
내구성 테스트 [폴리우레탄을 사용한 MRE의 내구성 실험 결과]

21 활용 방안 건설 중장비 자동차 동력계 전기차 진동감쇠 부품 공작기계 및 반도체장비 건설 및 토목 차량 진동 제어용 지능형
건설장비의 운전자석 바닥에 설치되어 충격 완화 가능 자동차 동력계 동력전달 장치에 적용하여 운전자의 승차감 향상 전기차 진동감쇠 부품 MRE는 자기장에 의해 강성이 변화 하므로 전기차에 적용 용이 공작기계 및 반도체장비 건설 및 토목 차량 진동 제어용 지능형 자기유변엘라스토머 개발 제조장비의 미세 진동을 제어하여 가공 정밀도 향상 건축물 및 교각 등의 구조물의 방진

22 Thank You !