In this study, ‘Staggered platelet composite’, which is one kind of bio-inspired composites, were analyzed. We analyzed the mechanism of the ‘staggered platelet composite’ by using the classical solid mechanics and the mathematical models. To verify results, numerical methods were utilized. From the results, we suggested design guide line for high toughness modulus composites. Furthermore, we actually applied the guide line to 3D printer technology and checked increased toughness modulus of ‘staggered platelet composite’ compared to pure materials.
Bio-materials are well known for its multi-functionality or interesting material property. Among them, Abalone nacre is well known for relatively high modulus, strength and toughness. Previously, mathematical models were suggested by some researchers to analyze its unique micro structure, so called ‘staggered platelet structure’. Here, we generalized the model by including tip region and mathematically derived elastic modulus and strength. The finite element methods and triangular bead-spring models were utilized to verify the result of the mathematical equations. Furthermore, we examined the possibility of fabricating high toughness modulus composites by using multi-material 3D printer technology. During the procedure, we figured out poly-jet type 3D printer’s printing orientation dependency thus we increased design accuracy by including the dependency effect. Then, by tensile testing, we checked and compared mechanical properties of ‘staggered platelet composites’ in terms of toughness modulus.
예로부터 자동차, 선박 그리고 대형 구조물에대하여 예측 불가능한 사고에 맞서 인간의 생존성 보장을 위해, 고강성-고인성 소재 (high stiffness and high toughness materials)의 개발이 중요시되어 왔다. 하지만 일반적인 공업용 재료의 경우 고강성 재료는 높은 취성으로 인한 낮은 인성을, 고인성 재료는 높은 연성으로 인한 낮은 강성을 갖는 경향성 때문에 새로운 소재 개발에 많은 어려움을 겪어 왔다. 그에 반하여, 생체 재료의 경우 높은 강성을 유지하면서도 높은 인성을 갖은 생체 복합재를 갖는 경향성을 보였으며 특히 그러한 물질로서 대표적인 재료로 대두된 것이 전복 껍데기였다. 따라서 기존 연구자들에 의해 전복 껍데기의 그러한 경향성의 이유에 대한 연구가 이루어져 왔고 그것이 전복 껍데기 특유의 미시 구조 ‘엇물린 판상 적층 구조’ (‘Staggered mineral platelet composite’ or ‘brick and mortar structure’)에 의한 것임이 밝혀졌다. 이 ‘엇물린 적층 구조’의 이론적인 분석에 대한 수식 정립과 해석에서 많은 수리 모델들이 나왔는데, 본 연구에서는 그러한 연구들이 간과한 부분, 팁 구역이 있음을 지적하여 모델의 개선을 꾀하고, 개선된 모델로 엇물린 판상 적층 구조의 기계적 해석을 진행한다. 유효 탄성 계수 계산 결과에 대해서는 유한요소해석법(FEM)을 사용한 결과와 검증 및 해석하였고, 강도 및 인성 결과에 대해서는 탄성 네트워크 모델을 이용한 파괴 시뮬레이션을 결과와 검증 및 해석하였다. 파악된 메커니즘을 바탕으로 고인성 복합재 설계 방법론을 제안하며 이것을 3차원 프린터에 적용하여 증대된 인성을 실험으로 판단한다.
