Composite Piezoelectric Sensors for Smart Composite Structures

1. Composite Piezoelectric Sensors for Smart Composite Structures Panagiotis Blanas and Dilip K. Das-Gupta 10th International Symposium on Electrics, 1999 IEEE

2. Introduction 1 • 센서, actuator network의 능력 향상, 동작감소, 유지비절감을 위한 개선된 재료혼합의 중요성 • 센싱, 응답 능력을 지닌 센서, actuator에 이용될 composite를 ‘smart’ structure라 하겠음 • 이러한 smart structure를 평가하는 것은 대 composite의 적합성으로 할 수 있음 • 이러한 기술은 실시간으로 결함에 대한 평가, 검출, 공정처리 등을 모니터링 할 수 있게 됨 • smart structure는 압전체와 모양 기억 합금 등의 재료를 박막으로 끼워넣음(적층)으로서 구성됨

3. Introduction 2 • 그러나, 그 재료들로 센서, actuator의 능력발휘에는 단점을 가질 수 있음 • 단점 - 고밀도, stiffness, 주재료와의 incompatibility - composite에 재료의 합병하는 공정처리가 어려움 • 강유전체 세라믹/폴리머 혼합체는 smart composite structure를 이용하여 센싱 도구로서 개발되고 평가되어져 왔음 • 위 논문에서는 센서를 위한 압전 composite의 결함모의검출, 혼합체(composite structure)의 충격부하, 동작 감시들의 평가결과에 대하여 기술하였음

4. Piezoelectric Composite Materials 1 • 압전재료는 압전효과(전기->기계)와 전왜효과(응력->전기)등을 가짐 • 압전재료는 빠른 응답특성을 가지는 센싱, 엑츄에이팅 장비를 사용하는데 쓰임, smart composite structure의 발전에 광범위하게 쓰임 • 압전composite의 폴리머는 합성이나 재료첨가 등에 장점을 지님 • 강유전성 세라믹/폴리머는 유해한 것들을 줄이면서composite의 특성에 적합하게 하는 장점을 지님 • 세라믹(고압전, 전기기계적 특성)과 폴리머(기계적, 낮은 유전적 특성)의 결합으로 composite의 모든 능력 향상

5. Piezoelectric Composite Materials 2 • 특정응용에 필요한 특성은 구성물의 상대적인 양과 조합으로서 구현이 가능함 • 위 논문의 실험재는 두 가지이며, 폴리머내에 세라믹 파우더를 뿌려서 제작 • Calcuim modified lead titanate(PTCa)는 세라믹영역으로 사용, (Epon 828) 는 무극성 에폭시로 사용, vinylidene fluoride trifluoroethylene(P(VDF-TrFE))는 극성 copolymer로 사용 • PTCa/P(VDF-TrFE) : 100um의 solvent casting기술로서 제작 • PTCa/Epon828 : 100um~150um 범위의 두께로 온도조절가능한 진공압축의 기계적 압축으로 실온에서 제작

6. Piezoelectric Composite Materials 3 • 샘플들은 압전, 전기적 특성을 위해 DC전압인가의 박막(film)으로 제작 • 이 복합박막 film은 AE변환기표면에 증착하여 사용하거나 섬유강화복합체에 삽입하여 사용함

7. Composite Sensor Response to Plate Waves 1 • 평판시료에서 탄성파의 생성과 검출에 대하여 연구 • 탄성파는 평판표면 위에 pencil lead break에 의해서 생성시킴(Hsu-Nielsen method) –실제 AE의 지연특성과 유사하여 lead break에 의한 신호 시뮬레이션에 자주 쓰임 • The plate mode – extensional, flexural mode - extensional mode : 평면파의 높은 주파수 성분을 포함 - flexural mode : 높은 크기와 낮은 주파수를 보임 • 평면파가 composite structure의 진단파로 쓰이는 이유 : - 먼 거리 이동가능성 - 두가지 모드의 상대적 크기로 손실근원지 추론가능

8. Composite Sensor Response to Plate Waves 2 • 평판은 S-Glass/epoxy 수지침용 가공재의 25개층을 포함하며 치수는 56cm X 56cm이고 두께는 0.1375cm임 • 두 개의 센서는 PTCa/P(VDF-TrFE) 65/35 vol%, 두 개의 센서는 PTCa/Epoxy 60/40 vol%이며 평판 표면으로부터 5층 밑에 위치하며 평판의 중심에서 10cm의 정사각배열형태로 끼워짐 • Epoxy와 copolymer 복합체의 전형적인 반응은 pencil lead break와 센서가 10cm거리에서 발생

9. Composite Sensor Response to Plate Waves 3 • 센서의 광대역 특성으로 plate wave의 extensional, flexural mode를 잘 보여주는 그림1,2임. • 주파수 분석- Extensional mode : 360kHz 정도- Flexural mode : 20kHz 이하 • PTCa/P(VDF/TrFE) sensor의 두 모드의 차가 적은 이유 :-d31 계수가 더 높기 때문 Fig.1. Response of PTCa/Epoxy sensor to plate wave Fig.2. Response of PTCa/P(VDF-TrFE) sensor to plate wave

10. Respose to dynamic and impact loads 1 • PTCa/Epon828과 PTCa/P(VDF-TrFE) 센서로 S-Glass/Epoxy 합판의 동적, 충격 특성을 파악 • 센서부착 지점과 같은 곳, 합판표면에 부착된 응력 gage를 읽어서 비교 실험 • 시료들은 두께(0.1375cm), 평면 치수(6cm x 43cm)

11. Respose to dynamic and impact loads 2 • Fig.3 : 주파수 10Hz, 500lbs인tensile sinusoidal load의 특성 • Fig.4 : bending load하에서 평면의 평면사인 point load의 특성 • 그림3,4는 증폭없이 강한 신호를 보이며 센서와 strain gauge의 모습이 유사함 • 센서와 strain gauge의 두 신호는 동상을 이루지 못하는 이유- strain gauge는 평면에 부착된 것에 비하여 sensor는 embed(끼워짐)된 점 Fig.3. Response of sensor to sinusoidal load(10Hz) Fig.4. Response of sensor to sinusoidal load(10Hz)

12. Respose to dynamic and impact loads 3 • Fig.5 : tensile시료에 5Hz주파수의 크기의 500lbs로 주어진 PTCa/Epoxy 센서와 strain gauge 출력의 square periodic load 특성 Fig.5. Response of embedded sensor to square waves • 센서와 strain gauge의 두 신호는 동상을 이루지 못하는 이유 : 적용 Load가 steady plateau(안정기)에 도달할 때 zero 신호를 만들어내는 압전response의 동적 특성 때문

13. Respose to dynamic and impact loads 4 • Fig.6 : 센서와 3cm 떨어진 곳에서 impact hammer로 일정한 음색을 만들어내어 impact load의 copolymer 센서 특성 • Hammer force transducer에 의한 load대 time의 신호를 보여줌 • 초기부분은 sensor output과 impact load가 비슷하다가 탄성파가 평면에서 전파될 때 차이를 보이게 됨 Fig. 6. Response of embedded sensor to impact load