Mechanical properties of nickel titanium and steel alloys under stress-strain test

GRAVINA Marco,QUINTAO Catia,KOO Daniel,ELIAS Cartos 대한치과교정학회 2003 대한치과교정학회지 Vol.33 No.6

형상기억효과 및 초탄성 특성을 가진 니켈 타이타늄 와이어는 대단히 다양한 제품들이 출시되어 있어서, 보다 적절하면서도 결제적인 재료를 선태하고자 하는 임상가에게 어려움을 주고 있다. 이때, 교정 선재의 기계적 특성에 대한 실험적 연구는 임상가에세 유용한 정보를 제공해 줄 수 있다. 이 연구에서는 5군으로 나뉘어진 4종의 교정선재(stainless steel, multistranded, sperelastic nickel titanium 그리고 themoactivated nickel titanium)에 대한 응력-변형 실험을 통한 기계적 특성에 대한 비교를 시행하였다. 각 군의 교정선재에 대하여 일련의 여석 가지 실험이 이루어졌다. 처음에는, 각 군에대하여 선재가 파절될 때 까지, 3차례의 실험이 이루어졌다. 그리고, 각 군에서 세 종류의 실험이 이루어졌는데, 표준 하중에서 선재를 신장시켜서, 하중을 주었을 때와 하중을 제거하였을 때의 기계적 특성에 대한 신뢰할 만한 비교를 시행하였다. 각 군간의 차이를 알아보기 위하여 t-test를 시행하였다. 실험결과, 생리적인 치아이동을 위한 기계적 특성, 즉 강성, 탄성률, 힘의 발휘 특성 등을 고려해 볼 때 , themoactivated nicket titanium, multistranded wire, stainless steel wire 순으로 바람직하였다. 초탄성은 superelastic nicket titanium 에서 나타났다. 섭씨 37도에서 themoastivated nickel titanium의 형상기억효과가 나타났는데, 이것은 온도가 기계적 특성을 증진시키는데 중요하다는 것을 보여준다. The great variety of commercial brands of orthodontic wires available on the market, stimulated by the so called superior wires (nickel titanium with shape memory effect and superelastic nickel titanium), makes the professional choice for a suitable and less expensive material difficult. The in vitro study of the mechanical properties of the orthodontic wires acts as an auxiliary tool for the professional. In this paper, a comparative study of mechanical properties was made, using stress strain tests for 4 types of orthodontic wires (conventional stainless steel, multistranded steel, superelastic nickel titanium and thermoactivated nickel titanium) separated into 5 groups. A series of 6 tests were tested for each group of wires. Initially, each group was tested 3 times until the wires broke. Furthermore, 3 more tests for each group were performed, stretching the wires under standardized activation loads, for a reliable comparison of their mechanical properties, during loading and unloading. t tests were applied to check differences among the groups. In vitro, the results suggest that regarding the mechanical properties supposedly desirable for physiological teeth movement, such as resilience, elasticity modulus, strength liberated during unloading, and the way that strength is liberated, thermoactivated nickel titanium wires, acri-ng under mouth temperature, seems to be a good choice, followed by superelastic nickel titanium, multistranded stainless steel, and conventional stainless steel. Superelasticity was demonstrated for superelastic nickel titanium wires. When at 37°C, thermoactivated nickel titanium wires showed shape memory effect, showing that temperature is important for enhancing the mechanical properties.

탄소나노튜브 보강 바이오러버의 기계적 및 열분석 특성 평가

김찬규,윤성호,Michael Kessler 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

본 연구에서는 콩기름을 이용한 바이오러버 제작방법을 소개하고 탄소나노튜브가 보강된 경우의 기계적 및 열분석 특성을 평가하였다. 바이오러버는 양이온 중합법을 통해 제작되며 탄소나노튜브는 Bath형 초음파 분산기를 사용하여 분산시켰다. 인장시험을 통해 바이오러버의 인장강성, 인장강도, 파단변형률 등의 기계적 특성을 평가하였으며 DMA를 통해 저장탄성계수, 유리전이온도 등의 열분석 특성을 평가하였다. 바이오러버에 함유된 탄소나노튜브의 분산정도는 FE-SEM를 적용하여 관찰하였다. 연구결과에 따르면 탄소나노튜브의 함유량이 많을수록 바이오러버의 기계적 특성은 향상되며 유리전이온도와 가교 밀도는 높아지며 초음파 분산기를 통해 탄소나노튜브를 균일하게 분산시킬 수 있음을 알 수 있었다. In this research, manufacturing process of bio-rubber using soybean oil is introduced and the mechanical and thermal analysis characteristics of its CNT embedded bio-rubber are evaluated. The bio-rubber is produced through cationic copolymerization, and the Bath-type ultrasonic sonicator is used to disperse CNT in the bio-rubber. Tensile tests are conducted to evaluate the mechanical properties such as tensile strength, tensile modulus and failure strain. The thermal analysis properties such as storage modulus and glass transition temperature are evaluated using the DMA. CNT dispersion within the bio-rubber is examined using the FE-SEM. According to the results, enhancement of mechanical properties, increase in glass transition temperature and crosslinking density are present with the increase in CNT amount. The ultrasonic sonicator is also able to evenly disperse CNT within the bio-rubber.

후열처리 온도에 따른 티타늄 코팅의 기계적 특성 평가

곽동열,박태성,이태훈,김용식,박익근 한국비파괴검사학회 2019 한국비파괴검사학회지 Vol.39 No.5

Titanium coating is widely used in various industries due to its high-strength as well as thermal and chemical stability. Post-annealing of titanium coating leads to specific surface characteristics or enhanced mechanical properties. Microstructure characteristics such as grain size, density, morphology, and crystal structure of the coating layer can be changed by post-annealing conditions. These variations affect the structural and functional properties of titanium coating. In this study, titanium coatings measuring 1μm in thickness were deposited on a silicon wafer via direct current (DC) magnetron sputtering and the coatings were conducted via post-annealing at different temperatures ranging from 350°C to 800°C. The fabricated specimens were analyzed using scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and X-ray diffraction. The mechanical properties were measured via nano-indentation and scanning acoustic microscopy. The mechanical properties of the titanium coatings fabricated at different post-annealing temperatures were evaluated by analyzing the relationships between microstructure and mechanical properties. 티타늄 코팅은 우수한 강도와 열적, 화학적 안정성으로 인해 다양한 산업분야에 광범위하게 사용되고 있고 특정한 표면 특성을 얻거나 기계적 특성을 향상시키기 위해 후열처리를 수행한다. 이 때 후열처리 조건에 따라 코팅층 내부 입자의 크기, 밀도, 형태, 결정 구조 등과 같은 미세구조적 특성들이 변화되고 티타늄 코팅의 구조적, 기능적인 특성에 많은 영향을 미친다. 본 연구에서는 DC 마그네트론 스퍼터링 기법으로 실리콘 웨이퍼 위에 1 μm 두께의 티타늄 박막을 증착하였고 350℃에서 800℃까지 온도를 다르게 후열처리를 수행하였다. 제작된 시험편을 SEM, AFM, XRD의 미세구조 분석 기법들을 적용하여 분석하였고 나노인덴테이션과 초음파현미경을 이용하여 기계적 물성을 측정하였다. 후열처리 온도에 따른 미세구조의 특성과 기계적인 특성과의 상관 관계를 확인하여 제작된 티타늄 코팅의 기계적 특성을 평가하였다.

문화재 복원용 속(速)경화형 Epoxy계 수지의 가속열화시험 및 고장분석 연구

남병직,장성윤 한국문화재보존과학회 2017 보존과학회지 Vol.33 No.6

본 연구에서는 문화재 복원용 속(速)경화형 Epoxy계 수지인 AralditeⓇ rapid의 온도 스트레스에 의한 열화 특성을 분석하였다. 인장강도 및 접착강도는 40∼60℃에서 12,624시간까지 감소하여 내구성 및 접착특성의 미약한 열화가 발생하였다. 외부 응력 및 온도에 대한 안정성은 속(速)경화형에 비해 일반 경화형 Epoxy계 수지가 우수하여, 복원부의 강도 특성 및 응력 상태를 고려한 복원재료의 적절한 선택과 적용이 요구된다. 40∼60℃에서 12,624시간까지 색차의 증가와 광택도의 감소 등 색상 및 광택 안정성은 취약하여, 향후 광학특성의 개선을 위한 안정성 향상 연구가 필요하다. 특히 접착제의 열적 특성(중량감소량, 열분해온도, 유리전이온도)은 기계적 물성 변화에 부분적으로 관여하였고, 피착재의 계면 특성 및 접착제의 기체투과특성(수분투과도)은 접착성능의 중요인자로 작용하였다. 따라서 도자기, 벽돌 및 석재와 같은 다공성 재질의 경우 항온항습에 의한 보존환경 관리가 중요하며 , 옥외 전시유물의 경우 노출환경에 의한 물성 변화를 최소화할 수 있는 보존대책의 수립이 절실하다. 향후 이러한 결과는 문화재에 사용된 Epoxy계 수지의 열화속도 및 수명예측 자료로 활용될 것으로 기대된다. In this study, the degradation properties by temperature stress of AralditeⓇ rapid-curing epoxy resin used for inorganic cultural heritages, was identified. The tensile and tensile shear strength of durability decreased for 12,624 hours at temperatures of 40∼60℃. In terms of stability of external stress and temperature, the slow-curing epoxy was superior to the rapid-curing epoxy, and cultural heritage conservation plans should therefore consider the strength andstress properties of restoration materials. Color differences increased for 12,624 hours at temperatures of 40∼60℃, and glossiness decreased. Both color and gloss stability were weak, which necessitates the improvement of optical properties. Thermal properties (weight loss, decomposition temperature, and glass transition temperature) of adhesives are linked to mechanical properties. Interfacial properties of the adherend and water vapor transmission rates of adhesives are linked to performance variation. For porous media (ceramics, brick, and stone), isothermal and isohumid environments are important. For outdoor artifacts on display in museums, changes in physical properties by exposure to varying environmental conditions need to be minimized. These results can be used as baseline data in the study of the degradation velocity and lifetime prediction of rapid-curing epoxy resin for the restoration of cultural heritages.

기계적 메타물질 설계 및 제조방안

김민겸 ( Min-kyeom Kim ),김승현 ( Seunghyun Kim ),윤재원 ( Jae-won Yun ),정효균 ( Jeong-hyo Gyun ),곽민준 ( Min-jun Kwak ),안예린 ( Yea-lin Ahn ),박찬욱 ( Chan-wook Park ),김윤철 ( Youn-chul Kim ),서종환 ( Jonghwan Suhr ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.4

적층제조 기술의 발전으로 복잡한 구조의 제조가 용이해짐에 따라, 기존에 존재하지 않은 특성을 지닌 메타물질에 대한 관심이 커지고 있다. 기존에 존재하지 않은 기계, 음향, 열, 전자기 및 광학 특성을 지닌 메타물질은 높은 공학응용(Engineering applications) 가능성을 보여, 새로운 메타물질 개발 및 설계방안에 대한 연구를 지속적으로 진행하고 있다. 이에 본 논문에서는 메타물질의 여러 특성 중 기존에 존재하지 않은 기계적 특성을 지닌 메타물질의 특성, 거동 및 물성을 소개하고 설계방안을 제시하고자 한다. 또한 설계한 메타물질을 제조하기 위해 여러 적층제조 방식별 메타물질 제조특성 들을 검토하여, 메타물질의 산업에서의 활용 가능성을 제시하고자 한다. As an additive manufacturing achieves technological advances, it enables to manufacture complex structures with saving a cost and time. Therefore, metamaterials, which has geometric complexity, have gradually gathered attention due to the unprecedented properties: the unprecedented mechanical, thermal, electromagnetic, and optical properties. The metamaterials could exhibit a high potential in engineering applications, and thus it has been steadily investigated to design or/and develop novel metamaterials. Here, mechanical metamaterials, which had been reported, were reviewed to suggest the way to design and fabricate the metamaterials for industrial applications.

A basic research on correlation analysis of electrical-chemical-mechanical characteristics for estimating mechanical properties

Yong-Seok Lee(이용석) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11

The materials properties are very important not only for research but also for industries that use various materials. Many industries and researchers have tried to measure materials properties. However, most of the research on materials properties have been conducted by focusing on only one characteristic. In hence, it is difficult to discover the correlation between each characteristic of the material. The electrical-chemical-mechanical properties of materials appear characteristics based on the atomic structure of materials. If the atomic structure is changed, the electrical, chemical, and mechanical properties will be effected and are expected to correlation among them. Therefore, we propose basic experiments that can analyze the correlation among electrical-chemical-mechanical properties for predicting mechanical properties of new materials in this research.

Molecular Dynamics simulation을 이용한 3D printed zeolite 구조체의 미시적, 거시적 기계적 거동 분석

김준철(Joonchul Kim),민경민(Kyoungmin Min) 대한기계학회 2023 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2023 No.11

Mechanical properties are important properties from atomic unit structures to micro-level structures. Discovering the correlation between structural information and mechanical reactions can accelerate the structure design with desired mechanical properties. By establishing a link between mechanical properties and structural information, we prove the possibility of purposeful structural design. We focus on uncovering resemblances in mechanical behavior between atomistic arrangements and 3D-printed zeolite structures. Employing molecular dynamics simulations, we validate the emergence of similar mechanical responses at both atomic and macroscopic scales. 3D printed structure using thermoplastic polyurethane (TPU) filaments can reflect the response of microstructural-level simulations, which can link between experiment and theory. These results demonstrate that the design can realize meta-materials with ideal mechanical reactions based on theoretical results of atomic structures.

TDI 저감 연질 폴리우레탄 폼의 배합비에 따른 기계적 특성 분석

전유영,전의식,김영신,이호준 대한기계학회 2024 기술과 교육 Vol.12 No.1

연질 폴리우레탄 폼(FPUF)은 가볍고 강도, 내구성이 우수한 특성으로 다양한 산업 분야에서 사용된다. FPUF는 polyol과 isocyanate를 주재료로 첨가제를 혼합하여 반응시킨 생성물로, isocyanate 중 toluene di-isocyanate(TDI)는 유해·위험 물질이다. TDI는 흡입, 피부 독성이 강하고 다량 취급 시 천식을 유발하며 부작용이 많아 TDI를 저감한 FPUF의 개발이 필요하다. 그러나 TDI 저감 FPUF 발포 시 유동성 및 성형성이 감소하고 발포체의 물성이 저하되기 때문에 TDI 저감에 따른 polyol 배합비의 개발 및 기계적 강도 특성 분석이 필요하다. 본 연구에서는 polyol 함량과 index 변화에 따른 TDI 저감 FPUF의 발포, 형태학적, 기계적 특성을 분석하였다. 기계적 특성 분석 결과, POP(polymer polyol) 함량이 높을수록 기계적 강도가 높고, 인열강도와 경도는 index 변화와 비례관계를 갖음을 확인하였다. Flexible Polyurethane Foam (FPUF) is widely used in various industries due to its lightweight, high strength, and excellent durability. FPUF is produced by mixing additives with polyol and isocyanate, with Toluene Di-Isocyanate (TDI) being one of the hazardous components among isocyanates. TDI is harmful and can cause strong inhalation and skin toxicity, leading to adverse health effects, necessitating the development of TDI-reduced FPUF. However, reducing TDI in FPUF can result in decreased flowability, moldability, and a decline in foam properties. Thus, research is needed to develop the optimal polyol blend ratio and analyze the mechanical strength properties according to changes in polyol content and index. Mechanical analysis shows that higher Polymer Polyol (POP) content leads to increased mechanical strength, and thermal resistance and hardness are proportional to changes in the index.

해면뼈의 구조적 특성과 기계적 강도의 상관관계 -사람 대퇴골두 으뜸 압박 골소주-

백명현,원예연,최문권,김영은 대한골다공증학회 2009 Osteoporosis and Sarcopenia Vol.7 No.2

목적: 뼈 강도를 평가함에 있어서 기계적 강도는 구조적 특성과 더불어 중요한 인자이다. 많은 연구자들은 해면뼈의 구조적 특성과 기계적 강도를 분석하여 뼈 강도를 평가하고자 노력하고 있다. 본 연구에서는 해면뼈의 미세구조적 특성과 기계적 강도를 분석하여 상관관계를 평가하고자 하였다. 방법: 인공 고관절 치환술을 받은 환자 11례와 사체에서 10례, 총 21례의 으뜸 압박 골소주군에서 원통형 샘플을 제작하였다. 샘플의 크기는 직경 19 mm, 높이 15mm이었다. 모든 샘플은 미세단층촬영기에 의해서 촬영되어 미세구조적 특성이 분석되었다. 또한 유한요소해석과 만능재료시험기를 이용하여 압축실험을 수행하여 기계적 강도를 구하였다. 결과: 항복응력과 탄성계수는 유한요소해석과 만능재료시험기에서 각각 13.58 ㎫과 266.81 ㎫ 그리고 13.17 ㎫과 288.51 ㎫로 분석되었다. 결론: 기계적 강도와 구조적 특성은 유의한 상관관계를 보임으로서 뼈 강도를 예측할 때 구조적 특성과 더불어 기계적 강도를 분석한다면 보다 정확한 예측이 가능하리라 사려된다.

Zone-dependent Analysis of the 3D Microstructural and Mechanical Properties in Osteonecrosis of the Femoral Head

Myong-Hyun Baek(백명현),Kwang-Kyun Kim(김광균),Wen Quan Cui(최문권),Keyoung Jin Chun(전경진),Ye-Yeon Won(원예연),Jin Soo Park(박진수) 대한정형외과학회 2005 대한정형외과학회지 Vol.40 No.8

목적: 최근 미세단충촬영기가 개발되면서 미세한 해면골의 2차원 및 3차원 영상을 분석할 수 있는 방법이 소개되었다. 저자들은 미세단충촬영기 및 유한요소모델을 이용하여 괴사된 대퇴골두 해면골의 미세구조 및 기계적 특성을 분석하여 대퇴 골두 무혈성괴사의 치료법 중에서 골두 보존술에 도움이 되는 자료를 구하고자 한다. 대상 및 방법: 미세단층촬영기를 이용하여 7개의 괴사된 대퇴골두의 제1압박골소주군 부위를 촬영하여 미세구조영상을 얻어 구조분석 및 유한요소모델을 만들었다. 이들 모델은 3개의 부위(Zone)으로 나뉘어 유한요소해석을 수행하였다. 결과: 결과는 반응부위(Zone Ⅱ)에서 구조적 특성과 기계적 특성의 중요한 변화를 보였다. 특히, 골소주 두께, 골 체적비, 반력, 그리고 영률은 다른부위(Zone Ⅰ and Zone Ⅲ)에 비해서 중요한 증가를 보였다. 그러나 Zone Ⅰ과 Zone Ⅲ에서는 중요한 변화가 없었다. 결론: 반응부위에서 구조적 특성과 기계적 특성이 강해진 것은 ONFH의 골두보존술에서 부분전치환술시 시멘트를 중요하게 지지해 줄 것으로 생각된다. 따라서 Zone Ⅱ는 임플란트의 함몰을 피하기 위해서 이 부분을 보존하는 것이 유리하다고 사료된다. Purpose: The development of micro-CT has recently been introduced for the analysis of the 20 and 30 micro-images taken with the high-resolution technique. The aim of this study was to analyze the microstructural and mechanical properties of trabecular bone with osteonecrosis of the femoral head (ONFH) by using micro-CT and the finite element model, and we wanted to elucidate ways to help surgeons during headsaving procedures. Materials and Methods: Seven bone cores obtained from human femoral heads with osteonecrosis were scanned using the micro-CT system. Based on the micro-images, the finite element model was created in three region within the ONFH, respectively, and finite element analysis was then performed. Results: The results showed salient changes of the microstructural and mechanical properties in the reactive zone (Zone Ⅱ) specimens. Specifically, there were significant increases in the trabecular thickness, the bone volume fraction, the reaction force and Young's modulus. However, no significant differences in the other zones were found. Conclusion: The Zone Ⅱ within the ONFH has a strong microstructure and good mechanical strength. The results of our study, are impotant for surgeons when they are cementing a partial resurfacing implant to preserve the femoral head during treatment for ONFH. Thus, we suggest that Zone Ⅱ should be preserved as much as possible to avoid implant subsidence.