소성(plasticity) 기반 재료 모델링. 경화(hardening) 매개변수와 영률(Young's modulus)을 포함하는 재료 매개변수는 역해석(inverse analysis)을 통해 불소(fluoride) 방출 수준과의 관련성으로 특성화한다. 이어서, 습도 사이클링(humidity cycling)에 따른 수명 예측을 조사하기 위해 막(membrane) 모델링을 수행한다. 기계적 응력에 대응하여 연속체(continuum) 기반 기공(pinhole) 성장 모델을 채택한다. 그 결과, 기공의 크기를 막에서 생성되는 가스 크로스오버(gas crossover)와 상관시켜 가속 스트레스 시험(Accelerated Stress Test, AST)과의 비교를 통해 검증을 수행한다. 본 연구는 성능을 위한 열화(degraded) 막의 데이터셋을 제공하며, 계산 시뮬레이션을 통해 연료전지 내구성의 정량적 이해와 예측을 시사한다.

• 벽 제약을 갖는 등급(graded) 자이로이드(gyroid)를 에너지 흡수를 위한 구조로 제안한다. • 외벽은 하중 전달을 향상시켜 붕괴 및 치밀화(densification)를 지연시킨다. • 결합된 등급화(grading)와 구속(confinement) 하에서 에너지 흡수는 최대 240%까지 향상된다. • 이중 목적 설계는 충돌 에너지 흡수와 힘 제한(force-limiting) 거동을 모두 최적화한다. • 실험 및 수치해석 결과는 압축 하중 조건에서의 성능을 확인한다. 자이로이드 메타물질(gyroid metamaterials)은 높은 표면적/부피비, 매끈한 응력 분포, 조절 가능한 기계적 반응으로 인해 충격 완화에 유망하다. 본 연구는 3D 프린팅으로 제조한 서모플라스틱 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU) 자이로이드 구조 30종을 대상으로, 단순 자이로이드(simple gyroid, SG)와 벽 제약 자이로이드(wall constrained gyroid, CG) 구조를 동일한 개수로 구성하였다. 에지당 유닛 셀(unit cell) 수로 정의되는 세 가지 기하학적 정련(geometric refinements)과, 균일(0%)에서 등급(40%)에 이르는 다섯 가지 상대 밀도(relative density) 구배를 적용하여 준정적(quasi-static) 압축 하에서의 체계적 평가가 가능하도록 하였다. 두 가지 성능 시나리오를 정의하였는데, 흡수 에너지를 최대화하기 위한 충돌-에너지 흡수(crash-absorption) 경우와, 전해지는 전달 최대 하중의 피크를 최소화하기 위한 힘 제한(force-limiting) 경우로, 각각 자동차 범퍼 및 웨어러블 보호 장비와 같은 응용에 해당한다. 실험은 유한요소 시뮬레이션을 검증하였으며, 그 결과 CG 설계가 SG 설계에 비해 에너지 흡수를 최대 240%까지, 그리고 비에너지 흡수(specific energy absorption)를 68% 더 크게 달성하는 것으로 나타났다. 성능 맵은 에너지 흡수 효율을 위한 최적 조건으로 에지당 2개의 셀을 갖는 CG 구조와 30%의 상대 밀도 구배를 도출하였으며, 차세대 충격 완화 메타물질을 위한 실행 가능한 설계 규칙을 제공한다.