準の強化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6929 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

アルミニウム独立気泡フォームブロックは、1 インチ 3 の体積で作成され、アルミニウムチューブの一部でシールドされたアルミニウムフォーム部品で構成され、一部のタイプでは内側のアルミニウムチューブで補強されています。 ブロックは、犠牲部品として一部のアプリケーション部品を衝撃から保護するために使用される発泡金属の既存の問題を克服するために作られています。 金属発泡体には、サンドイッチパネル、充填チューブ、波形シートの 3 つの主要なカテゴリがあります。 準静的圧縮試験は、異なる形状の 12 個のブロックに適用され、参照として純粋なアルミニウム発泡ブロックと比較されました。 結果は、降伏強度 (SY)、圧壊強度 (Sc)、緻密化強度 (Sd)、ひずみ 70% での圧縮、吸収エネルギー (曲線の下の圧縮領域) などのブロックの機械的特性の向上を示します。 降伏強さの最高値 (5.87 MPa) は、指節立方体ブロック (FP - 0.1 Sq.) で記録されました。 一方、緻密化強度の最高値 (21.7 MPa) はスパイン シリンダー ブロック (SV8 - 0.17 C25) で記録されました。 サンプルの登録結果では、エネルギー散逸密度 (Edd) の最高値が 40.52 J/in3 (91% 強化) であり、圧壊強度 (8.61 MPa) がフィンガーファランクス シリンダー ブロック (FP-0.17 C25) で記録されたことが明らかです。 Edd の最低値は 14.16 J/in3 (純アルミニウム発泡ブロック値より 33% 小さい)、SY = 0.42 MPa、Sc = 3.21 MPa、および Sd = 4.46 MPa で、薄肉外耳道シリンダー ブロック (EC8—) に登録されています。 0.075 C26.5）。 最高の機械的特性は、指節骨シリンダー ブロック (FP - 0.17 C25) および脊椎シリンダー ブロック (SV8 - 0.17 C25) で達成されました。

アルミニウム (Al) フォームは、前世紀半ばに製造されました。 車やコンテナの一部を支えて衝撃を吸収したり、遮音性や断熱性を高めるなど、多くの用途に使用されました。 Al 独立気泡フォーム (ACCF) は、部品や機械を強い衝撃から保護するためにエネルギーを吸収する犠牲部品として機能する用途では、消耗品とみなされます。 産業用途で使用されるサンドイッチパネル、充填チューブ、波形シートなどのいくつかの形態があるにもかかわらず、製造コストの高さや、衝撃により部品やシートに欠陥が生じた後の鋳造部品や充填チューブのコストの高さなど、いくつかの課題に直面しています。可能であれば通常どおり新しいものと交換します。修理できない場合は、メンテナンス費用が高額になります（つまり、アルミニウム発泡部品は衝撃曲げ応力にさらされると変形するため、完全に交換する必要があります）。 アルミニウム発泡体は、軽量の建物の壁や屋根（鋼鉄アルミニウムサンドイッチ（SAS）やアルミニウム発泡サンドイッチパネル（AFS）など）から自動車の衝突安全性まで、多くの用途に使用されてきました。

図 1 は、自動車のフレームを衝撃から保護するために使用されるアルミニウム発泡部品のいくつかの用途を示しています。また、電車では、軽量で衝撃時の高エネルギーを吸収する能力があるクランプルゾーンに発泡体が使用されています。 金属発泡体の最も重要な用途は、車のフロントバンパーを保護するクラッシュボックスです。 最も一般的なタイプは、図 1e に示すように、発泡体が充填された円筒形のキャニスターまたは多角形のキャニスターです。 このボックス用に多くの形状とモデルが作られており、セルサイズの異なる 2 つのフォームを追加し、大きなサイズのフォームが面に衝突し、次に小さなサイズのフォームを配置する (図 1f) などのさまざまな技術を使用して、衝撃を緩やかにすることでエネルギー吸収を向上させています。吸収。 課題は依然として存在しており、影響を受けた部品を維持するコストと、制御された限られた寸法でこのシールドを製造するための高額なコストがかかることです。

Al フォームの使用例 (a) 自動車のフォームによるシールド部品 1、(b) フォームによる自動車フレームのシールド、(c) 電車内のフォームによるクランブル ゾーン、(d) 車のフロント バンパーのクラッシュ ボックス 2、(e) 円筒形および多角形のクラッシュ ボックス、および (f) 異なるセル サイズの 2 つのフォーム パーツを備えたクラッシュ ボックス 3。

固体発泡材料は、(1) 人や動物の骨、海綿骨、イカの骨、サンゴなどの天然素材に分類されます。 (2) 発泡スチール、発泡アルミニウム、一部の気泡ポリマーなどの人工材料4。 ACCFB は、不均一な形状の製造フォームのコストと均一な形状のメンテナンスのコストを克服するために、従来のコンポーネントから発明されました。 ボーンはコンパクトボーンとスポンジボーンを組み合わせた偉大なクリエイターによる最適なデザインです。 動作中に応力に耐え、高いエネルギーを吸収することができますが、驚くべきことに、サイズが限られたブロックのグループとして考えられる骨の寸法が正確に配分され、これにより各部品がその機能を簡単に適用できるようになります。

同じ体積に対して異なる形状と寸法分布を持つ 3 つのカテゴリーがアルミニウム発泡体によってシミュレートされました。 (1) 指節骨ブロック。実際のケースでは、パンチ位置で指節骨を収集すると、骨はそのエネルギー吸収を 4 ～ 5 倍増加させることができます。 (2) 脊椎ブロックは、実際の椎間板を模擬した脊椎骨の間に柔軟なスペーサーを配置することで、高価なワイヤーやケーブルを節約し、曲げ角度を制御することができます。 脊椎は、体内での柔軟な動きにもかかわらず、脊髄を衝撃から守ります。 (3) 外耳道ブロックは、脊椎ブロックと同様に高価なケーブルをシールドすることができますが、その表面周囲の状態は同等です。 図 2 は、指の指節骨の形成、腰椎の写真と断面図、頭蓋骨に配置された外耳道とその断面図、および大腿骨の骨の断面図を示しています。 機械的な観点から見ると、筋肉、脂肪、皮膚は減衰材料とみなされ、骨へのストレスの影響を軽減するのに役立ちます。

(a) 手の解剖学、指節骨の形成 5、(b) 脊椎 (腰椎)6、(c) 外耳道の構造とコンポーネント 6、7、および (d) 大腿骨の前部セクション 7。

問題は、フォームの製造、メンテナンス、および一部の用途にとって有害な高い断熱にかかるコストが高いことに帰着する可能性があります。 したがって、ブロックは、指の指節骨、脊椎 (脊椎)、頭蓋骨の外耳道の骨など、人間の骨格のいくつかの骨のアイデアをシミュレートするために作成されています。 この研究のアイデアは、骨格の骨についての瞑想から生まれました。骨は硬いカルシウム層（緻密骨）で覆われたカルシウムフォーム（海綿骨）から作られ、時には機能や加えられた応力に応じて骨の内部が緻密骨で強化されます。外耳道の骨や脊椎の骨と同じように、それに耐えられるように作られています。

Al フォームの利点は、塑性変形による高いエネルギー吸収、優れた振動減衰、密度 400 kg/m3 を超える断熱性、遮音性であり、リサイクル可能です。 ACCFB の利点は、従来の市場でさまざまな材料、サイズ、厚さのチューブが入手可能であること、フォームの種類、密度、セル サイズに応じてフォームを選択できることです。 ACCFB は、海綿状の骨を模擬するアルミニウム発泡体と、コンパクトな骨シールドを模擬するアルミニウム チューブの小さな部品で構成されています。 Al チューブには、外側シールド用の長方形および円形の形状と、8 mm および 10 mm の小径チューブを備えた内側補強円形チューブがあります。

アルミニウムフォームは、気泡が液体中にほぼ等しいサイズで細かく分散している液体フォームから固体フォームが生じる、多孔質金属の特殊なケースとして定義される複合材料です。 多孔質金属の相対密度 (Prel) は 70% を超えてはなりません。 一般的な金属発泡体は 30% に達する可能性があります8。 フォームの密度が高くなると剛性が増し、エネルギー吸収能力が低下することに注意してください。

発泡体は、その結晶構造に従ってアモルファス合金として定義され、原子が結晶格子を形成する機会がなく、発泡泡の形成により無秩序に凝固します。 泡沫細胞は、細胞壁、プラトー境界、およびノー​​ドで構成されます (図 3 を参照)。 細胞壁: 2 つの気泡を気泡の直径とほぼ同じ長さにわたって分離し、2 つの気泡の平均曲率よりもはるかに小さい曲率を示します。 一般に、平均セル壁の厚さは気泡の直径よりもはるかに小さいです。 プラトーの境界: 壁の交差点として定義されます。 ノード: 少なくとも 4 つのプラトー境界の接合部であり、プラトー境界が無秩序な場合に形成されるノードであり、ネットワークを形成します9。

(a) TiH210 を使用した前駆体ルートによって製造された独立気泡の Al 発泡体、および (b) 発泡セルの成分。

タイプ、化学組成（基材、強化材、前駆体）、セルサイズ、密度、および 70% ひずみでの圧縮強度をまとめた、ACCFB で使用される Al 発泡体の製造データと特性を表 1 に示します。すべてのブロックは同等の特性を持ち、密度 400 kg/m3、壁厚 0.2 ～ 0.23 mm の 1 枚のアルミニウム発泡シートから切り出されています。 図 4 は、製造によるアルミニウム発泡体の製造手順を示しています。純粋なアルミニウムマトリックスを 680 °C で製錬し、増粘剤 (1.5 wt% Ca) を加えてアルミニウム溶融物と混合します。その後、製錬混合物を精錬炉から発泡炉に移して増粘させ、発泡プロセスは、発泡剤 (1.6 wt% TiH2) を添加し、回転インペラで混合することによって行われます。 溶融物は熱の影響で分解し、水素ガスを発生します。 その結果、フォームが膨張して 15 ～ 20 分以内に金型を満たします。 金型が指定されたセルサイズに到着すると、空気または水による冷却プロセスが開始され、その後スラブは必要な寸法に従って製材する準備が整います11、12。

独立気泡アルミニウム発泡体の製造手順。

従来の市場で入手可能なアルミニウム管の寸法を表 2 に示します。化学組成と名称を表 3 に示します。これらは標準 DIN EN 755-2—AS/NZS 186613 に準拠しています。図 5 は、アルミニウム管の写真を示しています。使用されてきました。

アルミニウム6060の中空チューブ。

アルミニウム発泡体およびチューブ部品用の機械加工ツール（すなわち、のこぎり、やすり、ドリル、ゴムハンマー）によって製造されたACCFB。ブロックは設計された寸法に従って組み立てられており、部品が適切に組み立てられていることを確認するためにブロックの端に接着性エポキシ金属が使用されています。一緒に。 実際には、図 6 に示すように、ブロックを作成する 2 つの方法があり、1 つは発泡アルミニウムとチューブの両方の部品を機械加工し、ソフトハンマリングによって組み立てる方法です14。 2 番目の方法は、最初の粉末冶金マトリックス材料、発泡剤 (TiH2 または ZrH)、および添加剤 (Mg、Si など) を混合し、冷間圧縮してから約 400 ～ 480 ° で熱間押し出すことにより、チューブのプロファイル内に発泡体を構築します。 C. したがって、発泡剤は均一に分散され、金属マトリックスに気密に埋め込まれます。 押出プロセスは、金属粉末の表面の酸化膜を破壊するのに役立ち、固化を促進します。 この製品は、それ自体が完全な密度からそれほど遠くないが、容​​易にフォームに変換できる前駆体材料と考えることができます。 この変換は、合金が液体になる温度まで前駆体を加熱するだけで影響を受けます。 発泡剤はガスを発生し、押出後に前駆体全体に均一に分散された非常に細かい酸化物粒子によって安定化されたフォームを生成します。 溶融および発泡後、発泡パネルは発泡構造の崩壊を防ぐために急速に冷却されます15。 2 番目の方法は、最初の方法よりもより強化されたブロックを製造し、総製造コストが安くなりますが、大量生産や補綴物のような正確な部品に適しており、より信頼性が高くなります。 最初の方法は簡単で一般的であり、必要な特性を備えたあらゆる種類の発泡体を選択でき16、用途に応じてブロック数が限られているため、一般の人が異なる寸法のチューブを選択することが容易であり、使用に多様性が与えられます。

(a) 外部現場および (b) 内部現場の発泡充填による発泡充填チューブの製造の概略図。

図 7 に示すように、ACCFB では 20 個のサンプルが作成されました。そのうち 12 個が選択され、横方向圧縮 (準静的) テストを適用し、結果を純粋なフォームブロックと比較して強化値を特定しました。 サンプルは、表 4 に示すように、異なる形状 (立方体、平行四辺形、円筒形) を持つ純粋なフォーム ブロック、指の指節、脊椎、および外耳道の 4 つのカテゴリの骨をシミュレートします。準静的テストが適用され、すべての曲線のデータは次のようにスケールされています。面積cm2。

限られたサイズの発泡アルミニウムブロックのサンプル。

準静的圧縮試験は万能試験機 (WDW-300 KN、中国) で実施されました。 試験速度は１ｍｍ／分であった。 アルミニウム発泡体の圧縮試験は、「金属材料の試験 – 金属気泡材料の圧縮試験」の規格「DIN 50,134:2008-10」に従って適用されました20。 ここで、圧縮ひずみ (Ɛ) は長さの変化 / 元の長さに等しい。

準静的圧縮試験におけるすべてのタイプのアルミニウム発泡体には、65 ～ 75% のひずみで塑性崩壊領域があります。 それは、フォームマトリックスの相対密度、セルサイズ、材料組成によって異なります。 したがって、すべての ACCFB カテゴリは 70% のひずみでテストされています。 エネルギー吸収基準には、比エネルギー吸収容量（Es）と体積エネルギー吸収量（Edd）の2種類があります。 Es は単位質量あたりの総吸収エネルギーとして定義でき、衝撃荷重からのエネルギーを吸収する材料の能力を測定する際に使用される性能指標です。 これは、発泡体質量（mf）の単位によって消散できる最大エネルギーの比として定義され、Ea は「応力 - ひずみ曲線」の下の面積に等しい吸収の位置エネルギーとして説明されます 21,22。

エネルギー吸収能力は、平均発泡体圧壊強度 (Sc) で表すこともできます。これは、発泡体で定義され、連続的なプラスチックの崩壊が始まる応力です。 したがって、フォームの変形範囲が広がります。 Es は、均一な荷重が達成されると仮定して、テストによって生成された応力 - ひずみ曲線を使用して計算できます。

ここで、V はフォームブロックの体積 (cm3)、Vc はフォームブロックの圧縮体積 (cm3)、d はフォームの変形、Vc/V (無次元)、ρ はフォームの密度 (gm/cm3) です。

発泡体の静的エネルギー散逸密度 (Edd) は、アルミニウム発泡体のエネルギー吸収特性を測定するのに有用な指標です。 これは、単位体積のフォームが衝撃によって吸収できる最大エネルギーです8。

ACCFB の体積は、さまざまな幾何学的形状での寸法の再配分によるエネルギー吸収量を研究するために 1 インチ 3 に選択されています。 一部の物体は、固体金属または複合材の衝撃靱性として影響を受ける領域に適用される衝撃試験（つまり、シャルピー試験またはアイゾッド試験）と言えるかもしれませんが、Eddによって一般的に定義されている発泡材料における実際のエネルギー吸収です。

実際、衝撃は材料力学において、その速度による動的曲げ応力として定義されます。 ブロックは、ブロックの形状に加えられる力の分布、チューブの剛性と強度、チューブとフォームの両方のエネルギー吸収など、多くの要因の影響を受けます。 準静的試験では、フォームは圧縮され、チューブは曲げ応力にさらされます。 したがって、断面モーメントがブロックの応力挙動を測定するための唯一のパラメータであることはできませんが、形状寸法、剛性、強度、曲げ剛性、および補強チューブ (インナーチューブ) の位置の影響が ACCFB のエネルギー中断を制御します。 ブロックの体積の最小制限は、シールドの厚さと剛性に応じて 1/2 ～ 2/3 インチ 3 で、この制限を下回ると Edd が約 20% 減少するため、ブロック サイズを 1/2 インチ 3 に縮小する必要がある場合は、相対密度が少なくとも 2 倍 (24 ～ 30%) になるようにフォームを使用します。 これにより、フォームの密度とブロックの質量が増加し、フォームの断熱能力も向上します。 したがって、ブロック体積は 1 インチ 3 までの選択が最適です。

以下のアルミニウム発泡体圧縮曲線は、図 8 に示す応力 - ひずみ曲線領域を示しています。プラトー崩壊領域は、式 8 を適用することによって (Sc) によって指定できます。 (4) または (5)。 金属発泡体の圧縮応力 - ひずみ曲線には、それぞれ 3 つの主要な領域があります。線形弾性領域、その端でプラトーが崩壊する塑性領域、および発泡セルの完全な破壊により発泡密度が増加する緻密化領域です。 最初の領域 (線形弾性ゾーン) は小さなひずみ (2 ～ 3%) で発生しました。 2 番目の領域 (塑性変形) は、約 70% のひずみまで継続します。 3 番目の領域 (緻密化) は固体状態になるまで続きます23。

発泡アルミニウムの応力-ひずみ曲線領域。

図 9 は、純粋なアルミニウム発泡立方体の工学的応力 - ひずみ曲線を示しています。 降伏強さは 0.71 MPa、圧縮強さは 8.4 MPa (ひずみ 70%)、圧壊強さ (Sc) は 4.53 MPa (ひずみ 64.6%)、エネルギー吸収 (曲線下の圧縮面積) は次のとおりです。 Ea = 1.36 J および Edd = 21.25 J/インチ3。

純アルミニウム発泡ブロックの応力-ひずみ曲線 (Pure-Sq.)。

図 10、11、12、13、および 14 は、指節骨ブロックの工学的な応力 - ひずみ曲線を示しています。 角管でシールドした発泡キューブ(ブロック:FP-0.1Sq.)の降伏強度は、角形の変形しにくさにより最高値(5.87MPa)となっていることがわかります。 一方、最も低い降伏強さは、円形チューブでシールドされたフォームシリンダー (ブロック: FP-0.17 C30) の場合 (0.43 MPa) です。 これは、このシールドの直径が大きいことに起因すると考えられます。 また、円形チューブ（ブロック：FP-0.17 C25）でシールドされた発泡シリンダーでは、シールドのサイズが小さいため、圧壊強度（Sc）が最も高く（8.61 MPa）、最も低い（Sc）が（5.54 MPa）であることがわかります。 ）円形チューブ（ブロック：FP—0.17 C30）でシールドされた発泡シリンダーの場合、シールドのサイズが大きいため、変形の抵抗が減少し、発泡セルの崩壊プロセスが支配的となり、強度はセルの形状、壁の厚さ、サイズ、および強度に依存します。配布24．

指指節立方体ブロック (FP - 0.1 平方) の応力 - ひずみ曲線。

指の節骨の平行四辺形ブロック (FP - 0.1 Pa.) の応力 - ひずみ曲線。

指指節シリンダーブロックの応力-ひずみ曲線 (FP-0.17 C25)。

指指節シリンダーブロックの応力-ひずみ曲線 (FP-0.075 C26.5)。

指指節シリンダーブロックの応力-ひずみ曲線 (FP-0.17 C30)。

図 15 は、純粋なアルミニウム発泡ブロックと比較した、すべての指節ブロックの降伏強度、圧壊強度、および圧縮強度の概要を示しています。 エネルギー散逸密度 (Edd) は、体積 1 インチ 3 のすべての指節骨ブロックについて計算されています。 図 16 は、体積 1 インチ 3 の純アルミニウム発泡体ブロックと指節ブロックのエネルギー散逸密度 (Edd) 値を示しています。 最も近い整数に四捨五入されています。 これは、ブロックの靭性指数として簡単に定義できます。この値は、曲線の下の面積で計算され、ブロックの体積を乗じた吸収エネルギーから得られます。

フィンガーファランクスブロックの降伏強度、圧壊強度、圧縮強度とアルミニウムフォームブロックの比較。

アルミニウムフォームブロックとフィンガーファランクスブロックの靭性指数（体積インチあたりの総吸収エネルギー3）。

表 5 は、ひずみ 70% での Edd 変形長と、アルミニウム発泡ブロックに対するブロックのエネルギー吸収強化パーセントを示しています。

強化パーセントの計算では、ブロック FP-0.17 C25 の最高値は 91%、ブロック FP-0.075 C26.5 の最低値は純粋な Al ブロッ​​ク値より 26% 小さいことがわかります。 結果は、エネルギー吸収（Edd）は圧壊強度（Sc）に比例し、緻密化強度（Sd）はブロックのシールドチューブの密度、形状、寸法、厚さに比例することを示しています。 また、同じ厚さで大きなサイズの長方形および円形のチューブは、破損するために高い圧縮荷重が必要な小さなサイズの形状よりも破損しやすくなります。 同じ長さのチューブの場合、壁が薄いチューブは壁が厚いチューブよりも容易に変形する可能性があります25、26。 したがって、ブロック FP-0.17 C25 は最も高い Sc と最も高い Sd を持ち、ブロック FP-0.075 C26.5 は最も低い Sc と最も低い Sd を持ちます。

図 17、18、19、20 は、Spine (椎骨) ブロックの工学的応力-ひずみ曲線を示しています。 長方形の形状の変形に対する抵抗により、長方形のチューブでシールドされ、2 つのオフセットされたインナーチューブ (ブロック: SV8 - 0.1 Pa.) を含むフォーム平行四辺形の降伏強度が最高値 (2.2 MPa) であることは明らかであると思われます。 一方、最も低い降伏強さは、角形チューブでシールドされ、1 つのオフセットインナーチューブを含むフォームキューブ (ブロック: SV8—0.1 Sq.) の場合 (0.45 MPa) です。 これは、フォームキューブのサイズが小さいこととインナーチューブの存在により、フォームキューブの抵抗が低いことに起因すると考えられます。 また、最も高い圧壊強度 (Sc)、7.43 MPa、21.7 MPa、および 2.38 J のエネルギー吸収は、円管でシールドされた発泡シリンダー (ブロック: SV8—0.17 C25) の場合に、小さいためであることは明らかです。シールドのサイズと、約 20% のひずみまで圧縮されたインナーチューブの高い抵抗。 最も低い (Sc) 圧縮強度とエネルギー吸収はそれぞれ 4.02 MPa、9.47 MPa、1.48 J ですが、これは円形チューブ (ブロック: SV8—0.17 C30) でシールドされた発泡シリンダーの場合で、シールドのサイズが大きいため、変形の抵抗が大きくなります。ひずみも軽減され、インナーチューブは70％圧縮されません。 そのため、この大きなサイズは高価な電線をガードするのに適しています。

スパイン キューブ ブロック (SV8 - 0.1 平方) の応力 - ひずみ曲線。

Spine Parallelogram ブロック (SV8 - 0.1 Pa.) の応力 - ひずみ曲線。

Spine Cylinder ブロックの応力 - ひずみ曲線 (SV8 - 0.17 C25)。

Spine Cylinder ブロックの応力 - ひずみ曲線 (SV8 - 0.17 C30)。

図 21 は、純アルミニウム発泡ブロックと比較した、すべてのスパイン ブロックの降伏強度、圧壊強度、および圧縮強度の概要を示しています。 エネルギー散逸密度は、すべての Spine ブロックの体積 1 インチ 3 で計算されています。 図 22 は、体積 1 インチ 3 の純アルミニウム発泡ブロックとスパイン ブロックのエネルギー散逸密度 (Edd) 値を示しています。これらは最も近い整数に四捨五入されています。

スパインブロックの降伏強度、圧壊強度、圧縮強度とアルミニウムフォームブロックの比較。

Al フォーム ブロックとスパイン ブロックの靭性指数 (体積インチあたりの総吸収エネルギー 3)。

表 6 は、式 6 を適用することにより、ひずみ 70% での変形長さおよびエネルギー吸収におけるブロック対アルミニウム発泡ブロックの強化パーセントによる Edd を示しています。 （7）。 強化パーセントの計算では、ブロック SV8-0.17 C25 の最大強化値は 67%、ブロック SV8-0.17 C30 の最小値は 14% であることがわかります。 結果は、Edd は Sc に比例し、緻密化強度 (Sd) はブロックのシールド チューブの形状、寸法、厚さに比例することを示しています。 したがって、ブロック SV8-0.17 C25 は最も高い Sc と最も高い Sd を持ちますが、ブロック SV8-0.17 C30 はシールド チューブの直径が大きいため、最も低い Sc と最も低い Sd を持ちます。 角型ブロックSV8-0.1Paは、インナーチューブに2本のワイヤーを通すことができ、衝撃を緩和し、エネルギー吸収性にも優れているため最適です。

図 23、24、および 25 は、外耳道ブロックの工学的な応力 - ひずみ曲線を示しています。 角管でシールドされ、中央に内管が入った発泡キューブ（ブロック：EC8—0.1Sq.）の降伏強度と圧壊強度は、それぞれ1.16MPaと5.3MPaの最高値であることがわかります。 一方、中央に内管を備えた薄肉チューブでシールドされた発泡シリンダーの降伏強度、圧壊強度、圧縮強度、エネルギー吸収力はそれぞれ 0.42 MPa、3.21 MPa、4.46 MPa、0.96 J と最も低くなります (ブロック: EC8)。 —0.075 C26.5)。 これは、薄肉チューブの抵抗が低いことと、中央に 8 mm の孔を持つ円筒形にフォームセルが分布しているため、圧縮に対する抵抗が低減されていることが考えられます。

Ear Canal Cube ブロック (EC8—0.1 Sq.) の応力 - ひずみ曲線。

外耳道ブロックの応力-ひずみ曲線 (EC8—0.075 C26.5)。

外耳道ブロックの応力-ひずみ曲線 (EC8—0.17 C30)。

図 26 は、純アルミニウム発泡体ブロックと比較した、すべての外耳道ブロックの降伏強度、圧壊強度、および圧縮強度の概要を示しています。 図 27 は、純アルミニウム発泡体ブロックと体積 1 インチ 3 の外耳道ブロックのエネルギー散逸密度 (Edd) 値を最も近い整数に四捨五入して表示しています。

外耳道ブロックの降伏強度、圧壊強度、圧縮強度とアルミニウム発泡体ブロックの比較。

Al フォーム ブロックと外耳道ブロックの靭性指数 (体積インチあたりの総吸収エネルギー 3)。

表 7 は、式 1 を適用することにより、ひずみ 70% での変形長さおよびエネルギー吸収におけるブロック対アルミニウム発泡ブロックの強化パーセントによる Edd を示しています。 （7）。 強化パーセントの計算によると、ブロック EC8-0.1Sq の強化値の最高値は 12%、ブロック EC8-0.075 C26.5 の最低値は純粋な Al 発泡体よりも 33% 低いことがわかります。 結果は、Edd は Sc に比例し、緻密化強度 (Sd) はブロックのシールド チューブの形状、寸法、厚さに比例することを示しています。 したがって、ブロック EC8-0.1Sq は最も高い Sc を持ち、2 番目に最も高い Sd に配置されています。これは、均一な投影面積によって圧縮力に抵抗する正方形の形状を指します。これは、薄肉シールドを備えているにもかかわらず、変形するには荷重を増加する必要があることを意味します。強化率は比較的少ないです。 ブロック EC8-0.075 C26.5 は、薄肉シールド チューブ、比較的短い長さ、円形形状により、Sc と Sd が最も低くなります。

最後に、シールドの形状、厚さ、材料の種類などのエネルギー吸収値に影響を与える、準静的試験下のブロックの変形メカニズムを多くのパラメータで制御します。 また、フォームの材質、形状と寸法の分布、セルのサイズ、フォームの密度、フォームの成分とその組成。 前述のすべてのサンプルを 1 つの表にまとめて、さまざまな用途に必要なエネルギー吸収特性を登録することができます。つまり、70% ひずみにおける体積 1 立方インチ (Edd) あたりのエネルギー吸収と質量です。 表 8 は、すべてのブロックの特性、各ブロックの 70% ひずみでの変形高さ、質量、およびエネルギー吸収を示しています。

ACCFB の主なアイデアは、使用上の柔軟性と、消耗部品の場合の保守の容易さです。図 28 に示すように、主要な 3 つのカテゴリに分類できます (1) 1 種類のブロックで構成される類似ブロック パターン、(2) マルチ ブロック パターン(3) 組み合わせたブロック パターンは、他のコンポーネントと低反発フォームやシリコン スライス、ゴム スリーブや金属キャニスターなどのブロックで構成されます。 実際には、シールドチューブはチューブ形状に応じて幅が115～140%まで変形膨張しますが、発泡体は衝撃により全方向に105%程度若干膨張しますので、膨張変形率を考慮する必要があります。

ACCFB パターンのカテゴリ (a) 類似、(b) マルチブロック、(c) 組み合わせ。

パターンの総エネルギー吸収はひずみ 70% で簡単に推定できますが、エネルギー パターン面積と総質量以外に 2 つのパラメーターを指定する必要があります。 表9の計算に関して表8を参照することによる、図28bパターンの総エネルギー吸収の推定の例。

パターンの総エネルギー吸収の結果は 813 J です。すべてのブロックを 1 つの発泡アルミニウムに置き換えると、この面積は半分になりますが、実際には、総 Edd = 756 J となり、質量は従来よりも約 35% 減少します。パターン。 真剣に、フォームが熱に対して優れた断熱材である用途では、アルミニウムフォームパネルが直面するいくつかの課題があり、ケーブルやワイヤーを通すことができず、これにより、特に広い領域で大量のフォームが必要となる車両でのフォームの大きな部分の使用に制限が生じます。さらに、パネルは 1 つの平面で衝撃を受けることが有効であり、これは 2 つの平面 (XZ、YZ) をカバーすることを意味します。または斜めの衝撃は、必要なフォームの量を反映する 2 つの表面が必要になります。 また、フォームは固体（柔軟性がない）部品であるため、不均一な形状には適しておらず、鋳造や精密機械加工などの高価なプロセスが必要になります。

図 29 は、衝突タイプの評価とその割合を示しています27。 図 30、31、32 は、研究チームによって開発された組み合わせパターンのタイプを示しています。密度 220 kg/m3 のポリウレタン低反発フォーム (PU-220) がクッション材およびエネルギー吸収材として使用されています。 準静的試験におけるピーククッション効率特性は、Edd = 0.13 J/cm3 (2 J/in3)、ひずみ 57%、圧縮応力 0.44 MPa、エネルギーリターン 39% でした28。 前述の課題を考慮して、ほとんどの車両に適合するように設計されています。

1993年に発表されたフォルクスワーゲン社による衝突形態の評価。

ブロックで充填されたチューブ (a) 1 つの部分から成る角形チューブ、(b) 2 つの部分から成る角形チューブ (C 形状 + フラット ストラット)。

柔軟なパターン (a) 不均一な形状用のストランド、(b) 光ファイバーなどのワイヤーを保護するためのフレックス シールド。

(a) 2 方向のパターン ワーク (b) 2 つのプランでのパターン ワーク。

図 30 は、緩衝材として PU-220 を使用した指指節ブロック (FP-0.17 C25) の最高エネルギー吸収値の使用に応じた充填チューブの 2 つのパターンの例を示しています。これにより、わずかな減衰とエネルギーの吸収が行われ、ブロックが容易になります。固定も簡単です。 セグメント長 28 mm の正方形のブロックを PU-220 に固定した後、ブロックは全長 128 mm の 4 つのパーツを寸法 160 × 30 × 30 mm3、厚さ 1 mm のキャニ​​スターまたはチューブに入れます。 1 つのパーツのチューブまたは 2 つのパーツを組み合わせて構成できる、さまざまな形状のキャニスターまたはチューブ。 必要な長さや用途に応じて、チューブの長さ、使用するブロックの数とPU-220シールドを選択できます。 この充填チューブ部品は、車のフロントシルとリアバンパー、バスやピックアップカーのフレームに適しています。 一般の人がそれを作成して修正するのは簡単です。 設計後にこの部品の総エネルギー吸収、質量、面積を計算するのは簡単です。 この充填されたチューブのEddは、純粋なAlフォームのEddの2倍に相当します。

図 31 は、不均一な形状用と高価なワイヤの保護用の 2 つの柔軟なパターンの例を示しています。 1 つ目は、任意のプロファイル形状を取ることができるように設計されており、さまざまなブロックを使用することもできます。また、重い用途向けにベルト ストランドまたはチェーン ストランドを使用した接着剤でカバーすることもできます。 光ファイバーのようなガード ワイヤーの曲げ角度は、推定曲げ角度に最大ひずみを使用することで、PU-220 またはソフト シリコンのフレキシブル スペーサーによって制御できますが、臨界曲げ角度を通過しないように材料の伸びも計算する必要があります。

図 32 は 2 つのダブルモーション効果パターンの例を示しています。最初のパターンは斜めの衝撃を扱うように設計されており、すべてのブロックのエネルギー吸収能力を高効率で使用して左右 2 方向に作用することができます。 2 つ目は、2 つの垂直面でエネルギーを吸収することで、エネルギー吸収効率を向上させるように設計されています。 これらは、質量の大きな保護車両（ピックアップカーやトラックなど）や、フォークリフトなど限られた場所で作業するため横転や衝突の可能性があり重作業用の低速車両に適しています。 パターンはスペース内の追加ブロックでサポートできますが、それは一方向または 1 つの計画で機能します。発泡体が多いほど断熱性が高いため、機器の冷却は考慮すべきではありません。

最後に、ACCFB の特性は、金属発泡体とシールド チューブの寸法と密度の材料選択によって調整できますが、腐食、熱伝達、作動媒体、およびパターン内のブロックの最適な分布を回避するために、ブロックとパターンの材料の腐食の可能性を考慮する必要があります。質量、エネルギー吸収、カバー面積を最大限に活用します。

アルミニウムフォームブロックは、従来のアルミニウムフォームチューブによってシールドされるため、エネルギー吸収が強化されました。

エネルギー吸収の主要な特性としての発泡特性を維持するために、内管の直径はブロックの高さまたは直径の 1/3 を超えてはなりません。

ブロックは、あらゆるタイプのフォームに適合するように、また他のブロックの寸法とエネルギー吸収を比較しやすいように、最適に設計された 1 立方インチの体積を持つように選択されました。

各ブロックにはエネルギー吸収力と衝撃力の値があり、さまざまな用途、特に車両での使用に多様性をもたらします。

圧縮強度はエネルギー吸収量に直接比例します。

エネルギー吸収の最高値は、直径の小さい厚肉シリンダー形状 (25 mm、t = 1.7 mm) に属し、最低値は薄肉シリンダー形状 (26.5 mm、t = 0.75 mm) に属し、Al フォームキューブよりも小さいです。約30％増加します。

最も低い衝撃力は薄壁の円形に属し、最も高い衝撃力は指の指節の平行四辺形のブロックに属します。 最高の特性は、大きな直径 (30 mm、t = 1.7) の円形厚肉ブロックに属し、高いエネルギー吸収と比較的低い衝撃エネルギーを持ちます。

衝撃力をブロック選択の指標にできる 衝撃力が大きいブロックは脊椎ブロックや外耳道ブロックなどの高価なワイヤーのガードとして使用でき、衝撃力が小さいブロックはエネルギー吸収量が多く装甲に適している衝撃に対して。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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ラマダン N. エルシャー

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転載と許可

ダドゥラ、MH、ファラハット、AIZ、タハ、MR 他アルミニウムチューブでシールドされたアルミニウム独立気泡フォームブロックの準静的圧縮強度の強化。 Sci Rep 13、6929 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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受信日: 2023 年 2 月 11 日

受理日: 2023 年 4 月 18 日

公開日: 2023 年 4 月 28 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33750-7

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