Taguchi 기법을 이용한 저탄성 자기유변탄성체 제조공정연구 = A Fabrication Process for Low-Elastic Magnetorheological Elastomer with Taguchi Method
저자
발행사항
천안 : 한국기술교육대학교 일반대학원, 2020
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국기술교육대학교 일반대학원 : 기계공학과 기계공학전공 2020. 2
발행연도
2020
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
충청남도
형태사항
46 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 박성제
UCI식별코드
I804:44013-200000332670
소장기관
스마트 재료 중 하나인 자기유변탄성체는 탄성체 매트릭스와 자성미세입
자의 혼합물로, 외부 자기장의 작용으로 매트릭스 내 미세입자의 배열변화
로 기계적, 유동학적 특성의 변화가 가능하다. 하지만 현재 자기유변탄성체
는 대체로 높은 탄성률을 지니며, 이는 미세입자의 자기장 방향으로 정렬성
을 감소시키며, 결과적으로 자기유변탄성체의 유연성 및 강성이 제한적인
범위에서 제어되게 된다. 본 연구에서는 탄성률이 낮은 동시에 자기장이 작
용 시 높은 탄성특성의 변화율을 지녀 넓은 범위의 제어가 가능한 자기유변
탄성체의 제조를 위하여, Taguchi 실험계획법에 근거한 실험을 진행하였다.
탄성체 매트릭스를 PDMS, 미세입자를 카르보닐 철로 선정하여 일관적이고
신뢰도 있는 실험결과를 도출할 수 있도록 미세입자의 분산도를 확인하는
것을 포함한 제조공정을 수립하였다. 실험인자가 자기유변탄성체의 탄성률
에 주는 영향을 확인하기 위하여 서로 독립적이며 영향도가 크다고 판단되
는 4개의 실험인자 선정 후 3단계의 수준으로 나누어 직교배열표를 이용해
자기유변탄성체의 샘플을 제작하였다. 제작된 샘플에 대해 초기 탄성률과
자기장 작용 시 변화하는 탄성률을 확인 하기 위한 압축시험을 진행하였고,
압축시험 데이터를 이용하여 Taguchi법의 특성치로 표현되는 신호 대 잡음
비를 계산하여 각 실험인자가 탄성률에 끼치는 영향도를 확인하였다. 자기
유변탄성체의 초기 탄성률과 자기장이 작용 시 탄성률의 변화에 가장 큰 영
향을 주는 실험인자는 PDMS 경화제 농도이며, 경화제 농도가 낮을수록 자
기유변탄성체의 초기 탄성률이 낮고 제어 가능한 탄성률의 범위가 넓어지는
것을 확인하였다. 미세입자의 비율 또한 탄성특성 결정에 중요한 인자로 판
단되는데, 미세입자의 비율이 증가할수록 탄성특성의 큰 변화를 기대할 수
있지만, 초기 탄성률 역시 증가하기 때문에 적절한 비율을 결정하는 것이
필요하다.
One of the smart materials, the magnetorheological elastomer(MRE) is
a mixture of an elastomer matrix and magnetic particles. MRE is possible
to change its mechanical and rheological properties by applying an
external magnetic field. However, MREs generally have a high elasticity
which makes it difficult to align the magnetic particles in the matrix,
and consequently the rigidity and flexibility are changed in a limited
range. In this study, experiments based on Taguchi method were carried
out for the fabrication of MRE with low elastic and wide range of
elastic modulus when external magnetic field was applied. A fabrication
process was established, including quantifying the dispersion of magnetic
particles to produce consistent and reliable results.
Polydimethylsiloxane(PDMS) and carbonyl iron particle(CIP) were used as
the elastomer matrix and magnetic particle, and four experimental
parameters were selected to have the most influence on the elasticity
through preliminary experiments. Samples of MRE were prepared by using
orthogonal array table, and a compression test was conducted to
check the elastic modulus without magnetic field(off-state) and the
changed elastic modulus after applying magnetic field. Then the
signal-to-noise ratio(S/N ratio) expressed by the characteristic value of
the Taguchi method was calculated to confirm which parameters is
dominant. As a result of S/N ratio analysis, the experimental parameter
which has the dominant influence on the initial modulus and the change
of the elastic modulus is the curing agent ratio. As curing agent ratio
decreased, cross-linking density of the elastomer also decrease, allowing
for the fabrication of a soft MRE having a wide range of controllable
modulus. The ratio of the magnetic particle is also an important
parameter in determining the elastic properties. As the ratio of the
magnetic particle increases, a wide change in the elastic properties can
be expected, but the off-state elastic modulus also increases, so it is
necessary to determine the appropriate ratio.
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