그래핀 감쇠재의 수치해석 모델에 관한 연구

Abstract

오늘날 다양한 산업 분야에서 진동과 소음을 저감하는 사안은 중요하게 여겨지고 있다. 진동과 소음은 기계나 구조물의 문제를 발생시키며, 손상과 수명저하의 원인이 되며, 특히 일반적인 금속으로 만들어진 기계나 구조물은 자체의 진동 감쇠능력이 떨어져 문제 발생 가능성이 더 커지게 된다. 이러한 자체 감쇠 성능이 부족한 단점을 보완하기 위하여, 보편적으로 점탄성 감쇠재료가 사용되고 있다. 점탄성 재료는 진동 감쇠 기능과 소음을 저감하는 기능을 동시에 갖고 있으며, 이는 점탄성 재료의 진동 에너지를 소산시키는 능력에 기인한다. 점탄성 재료는 주파수와 온도에 따라 감쇠 성능이 변하는 성질을 가지고 있으므로 사용하는 환경에 따라 감쇠성능을 예측하여 사용하는 것이 필요하다. 본 연구에 사용된 점탄성재인 그래핀 감쇠재는 폴리우레탄을 베이스로 한 재료에 산화 그래핀을 조각의 형태로 혼합하여 기존의 폴리우레탄의 감쇠성능보다 더 성능을 향상시키기 위하여 만든 새로운 재료이다. 점탄성 측정 방법은 크게 선형 점탄성과 비선형 점탄성으로 나눌 수 있으며, 본 연구는 선형 점탄성 범위에서 시험을 진행하였다. 시험 방법으로는 외팔보의 공진법을 사용하는 ASTM-E756을 채택하였고, 시험 오차를 줄이기 위하여 루트 부가 있는 빔 시편을 제작하였으며, 주파수 영역에서 감쇠재의 영 모듈러스, 전단 모듈러스, 손실계수를 측정하였다. 또한, 시험의 신뢰도를 높이기 위하여 임팩트해머를 이용한 방법과 자석가진 방법으로 측정하여 결과를 비교하였다. 계측을 통하여 얻어진 결과로부터 사용 주파수 대역에 대한 감쇠재의 성능의 경향성을 예측하기 위하여 점탄성 재료를 모델링하였다. 모델링 방법으로 일반화된 맥스웰 모델을 사용하고, 유전자 알고리즘을 이용한 최적화를 통하여 적절한 차수를 선택하여 점탄성재료의 성능을 예측할 수 있는 모델을 결정하였다. 본 연구의 방법을 사용하여, 그래핀 감쇠재 이외에도 새로운 점탄성 감쇠재를 개발할 때 사용한다면, 사용되는 환경에 맞는 적합한 감쇠재를 제작할 수 있을 것으로 생각하며 다양한 산업에 적용될 가능성이 있다고 판단된다.