차량용 크러시 박스는 사고 시 손상을 최소화하는 핵심 안전 부품으로, 충돌 에너지를 흡수하는 역할을 한다. 본 연구에서는 0.25% 및 0.50% 그래핀이 첨가된 원통형 복합재 크러시 박스의 피크 힘, 에너지 흡수량, 비에너지 흡수량을 수열 노화 조건에서 실험적으로 분석했다.
복합재 크러시 박스는 유리섬유, 아라미드섬유, 탄소섬유 및 이들의 하이브리드 조합을 사용하여 진공 주입법으로 제작되었다. 하이브리드화 과정에서는 섬유의 권선 순서를 내부에서 외부로 변경했다. 수열 노화 조건은 60°C에서 500시간 및 1000시간으로 설정하여 진행했다.
가장 높은 에너지 흡수 값은 0.25% 그래핀이 첨가된 에폭시 수지 매트릭스의 탄소섬유 강화 샘플(CFRPG1H2)에서 1000시간 수열 노화 후 관찰되었다. 반면, 가장 낮은 피크 강도는 0.50% 그래핀이 첨가된 아라미드섬유 강화 샘플(AFRPG2H2)에서 1000시간 수열 노화 후 나타났다. 그래핀 첨가율을 높이면 노화로 인한 부정적인 영향이 감소하는 경향을 보였다.
특히 그래핀 비율을 0.25% 증가시키는 것이 노화 특성에 유의미한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 본 연구 결과는 차량 안전 부품 설계 및 복합재료의 내구성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
적층 제조된 기계적 메타물질은 뛰어난 물리적 및 기계적 성능을 보이지만, 경량성, 강도, 에너지 흡수 간의 균형을 맞추는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 본 연구에서는 경량 메타물질을 적층 제조하기 위한 재료-구조-기능 통합 전략을 개발했습니다.
특히, 이질적인 결정립을 가진 강하면서도 연성 있는 알루미늄(Al) 합금을 개발하여 땃쥐에서 영감을 받은 손상 저항성 메타물질을 제작했습니다. 미세 규모 강화와 중간 규모의 구조적 응력 조절 간의 시너지 효과는 다단계 에너지 소산을 위한 재료 이질성과 구조적 계층을 효과적으로 연결하는 교차 규모 조정 메커니즘으로 이어집니다.
이러한 전략을 통해 메타물질은 변형 중 안정적인 응력 플랫폼을 유지할 수 있습니다. 결과적으로, 본 연구의 메타물질은 초경량(0.91 ± 0.01 g/cm³), 높은 상대 항복 강도(17.0 ± 0.7%), 그리고 탁월한 비에너지 흡수(39.1 ± 0.7 J/g)의 뛰어난 조합을 보여주며, 대부분의 금속 메타물질을 능가하는 성능을 나타냈습니다.
이러한 간결한 개념은 경량 메타물질의 설계 공간을 확장하고, 다기능성에 필요한 교차 규모 조정 메커니즘을 구현하는 확장 가능한 전략을 제시합니다. 이는 지속 가능한 엔지니어링 솔루션을 위한 대량 생산에서 혁신적인 잠재력을 보여줍니다.
