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이 연구에서는 "스트레인 감지 스마트 스킨"(S4)을 사용한 차세대 광학 스트레인 측정과 기존 DIC(디지털 이미지 상관) 방법과의 성능 비교를 보고합니다. S4는 표본의 얇은 필름에 내장된 단일벽 탄소 나노튜브의 방출 파장에서 변형으로 인한 이동을 측정합니다. 새로운 S4 필름은 나노튜브 센서의 스펙트럼 균일성을 향상시키고, 높은 온도에서 어닐링이 필요하지 않으며, 병렬 DIC 측정을 허용합니다. S4 필름과 점별 스캐닝으로 측정한 비접촉 스트레인 맵은 표면 아래 손상이 있는 샘플을 포함하여 아크릴, 콘크리트 및 알루미늄 테스트 표본에 대한 DIC의 스트레인 맵과 직접 비교되었습니다. 변형 특징은 DIC보다 S4에서 더 명확하게 나타났습니다. 유한 요소법 시뮬레이션은 DIC 결과보다 S4와 더 가까운 일치를 보여주었습니다. 이러한 발견은 특히 지속적으로 관찰되지 않는 구조에서 축적된 변형을 감지해야 하는 경우 기존 기술에 대한 유망한 대안 또는 보완재로서 S4 변형률 측정 기술의 잠재력을 강조합니다.

응력 집중은 기계적 응력이 주변 영역보다 상당히 높은 위치입니다. 이는 구조 구성 요소의 형상이나 재료에 불규칙성이 있을 때 발생할 수 있습니다. 취성 재료는 일반적으로 파손 및 균열로 인해 응력이 높은 위치에서 파손됩니다. 연성 재료의 경우 응력 집중으로 인해 국부적인 소성 변형 및 항복이 발생할 수 있습니다. 또한 응력 집중 영역에서는 낮지만 빈도가 높은 하중으로 인한 피로 및 파괴 균열도 증가하여 손상을 일으킬 수 있습니다. 건물, 교량, 선박 및 항공기의 구조적 파손 사례 중 상당수는 응력-변형률 집중과 밀접한 관련이 있습니다. 응력 집중 효과의 직접적인 지표인 변형률 측정은 구조 상태 모니터링(SHM) 및 비파괴 테스트에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 이유로 다양한 하중 조건으로 인한 구조적 변형과 손상을 조사하기 위해 지난 수십 년 동안 많은 해석적, 수치적1,2,3 및 실험적 연구가 수행되었습니다.

실험적 변형률 측정 방법은 접촉 기반 기술과 비접촉 기술이라는 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 접촉 기반 스트레인 감지에서는 압저항 및 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서가 가장 널리 사용됩니다. 압저항 스트레인 센서에는 포일 스트레인 게이지와 탄소 나노튜브(CNT)4,5,6 및 금속 화합물 7,8,9와 같은 압저항 특성을 지닌 재료로 제작된 기타 센서가 포함됩니다. 압저항 재료에서 전도도는 선형 관계에서 변형률에 따라 변합니다. 대조적으로, FBG 센서는 광학적이므로 전자기 간섭에 대한 둔감함, 작은 크기 및 부식에 대한 저항성의 장점을 제공합니다11,12,13. 그러나 압저항 센서와 FBG 센서의 경우 변형률은 개별 방향에서 점별로 측정되므로 전체 필드 변형률 매핑이 필요할 때 비용이 높고 공간 분해능이 낮습니다. 이러한 센서는 사용자가 응력 집중 위치에 대한 사전 지식을 갖고 그에 따라 배치할 수 있을 때 가장 유용합니다.

광학 비접촉 변형 감지 기술에는 두 가지 주요 장점이 있습니다. 하나는 센서와 측정 장치 사이에 전기적 또는 광섬유 연결이 필요하지 않다는 것입니다. 다른 하나는 2차원 관심 영역에 대한 변형률 분포를 보여주는 것으로, 이는 손상 감지 및 파손 거동 연구에 중요합니다. 현재 전영역 광학 비접촉 스트레인 감지 기술은 다음과 같이 분류될 수 있습니다. (1) 간섭계14,15,16,17,18,19,20,21,22,23, (2) 이미지 기반 또는 ( 3) 분광학. 간섭계 기술은 광학 간섭 패턴을 기반으로 재료의 마이크로미터 규모 변위를 측정합니다. 이는 변형장 변화에 매우 민감할 수 있지만 실험실 환경의 소규모 모델 구조 측정에만 적합합니다.