Patterned by the unique hierarchical architecture, nacre has exceptional impact resistance compared with the constituent materials. Hence, significant efforts have been devoted to developing new material systems with enhanced mechanical characteristics by duplicating such biological creatures. Although the key failure mechanisms inherent in nacre have been elucidated by numerous studies, guidelines for constituting optimized nacreous composites to yield the maximized mechanical performance have not been explored fully thus far. In this study, the key failure mechanisms of the nacre-like composites including nonlinear large deformation are in-depth studied under bending and impact loadings. Moreover, an optimal design of the nacre-like geometry is suggested through an integrated usage of dimensional analysis, 3D printing, mechanical testing, and numerical analysis. Three-dimensional nacre-mimetic composites with various configurations are designed and fabricated through a Voronoi diagram and FDM dual-extruder 3D printing technology. Then, each prototype is tested by bending and drop-weight impact tests and the failure behaviors governed by gradual debonding between platelets and matrices are elucidated. Additionally, both the bending and drop-weight impact tests are numerically simulated by the finite element method, and the modeling techniques for the nacre-like composites are validated. Subsequently, the main dimensionless parameters of the nacre-like structure are derived by dimensional analysis, and designed specimens are fabricated through 3D printing. Thereafter, the influence of the dimensionless parameters on the impact resistance is analyzed thoroughly with the drop-weight impact test of three different impact conditions. To reduce the design period while satisfying the target performance of the structures, the experiments are simulated by the developed numerical method. Lastly, a guideline for the optimal design of the nacre-like composites producing maximized impact resistance is established. This study can foster a feasible application of biomimetic composites in various industrial fields.
독특한 계층 구조로 패턴화된 진주층은 구성 재료에 비해 뛰어난 내충격성을 가지고 있다. 따라서, 다수의 연구자가 이러한 생물학적 구조를 복제하여 기계적 특성이 향상된 새로운 재료 시스템을 개발하는 데 상당한 노력을 기울여왔다. 진주층 고유의 주요한 파괴 메커니즘은 수많은 연구를 통해 분석되었지만 구조의 기계적 성능을 최대화하는 진주층 모사 구조의 최적화에 대한 연구는 현재까지 미진한 실정이다. 본 연구에서는 비선형 대변형을 포함하는 진주층 모사 복합재료의 주요 파괴 메커니즘을 굽힘 및 충격하중 하에서 심층적으로 분석하였다. 또한, 차원해석, 3D 프린팅, 기계적 시험, 수치해석을 통합적으로 수행하여 진주층 모사 복합재료의 최적설계에 대한 연구를 수행하였다. 먼저, 보로노이 다이어그램과 FDM 이중 사출 3D 프린팅 기술을 통해 다양한 구성의 3차원 진주층 모사 구조를 설계 및 제작하였다. 개발한 구조의 성능은 굽힘 및 낙하 충격시험을 통해 검증하였고, 플레이틀렛과 매트릭스 사이 접합부의 점진적인 디본딩에 의해 지배되는 파괴 거동을 분석하였다. 또한, 유한요소법을 이용하여 굽힘 및 낙하 충격 시험을 시뮬레이션하였고, 진주층 모사 구조의 성능을 평가하는 수치해석법을 검증하였다. 이를 바탕으로, 차원해석을 통해 진주층 모사 구조의 주요 무차원변수를 도출하고 도출된 변수를 바탕으로 3D 프린팅을 통해 설계시편을 제작하였다. 그 후, 충격 저항에 대한 설계변수의 영향을 세 가지 다른 충격 조건의 낙하충격시험을 통해 자세히 분석하였다. 마지막으로 내충격성을 최대화하는 진주층 모사 복합재료의 최적설계를 위한 가이드라인을 확립하였다. 이 연구는 다양한 산업 분야에서 생체모방 복합재료의 활용성을 촉진할 것으로 예측된다.
