초윤활성 코팅으로 마찰과 마모로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있습니다.

May 17, 2023

차량 구동렬부터 풍력 및 수력 터빈에 이르기까지 다양한 시스템에 영향을 미칩니다.

에너지부 산하 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 과학자들은 차량 구동렬부터 풍력 및 수력 터빈에 이르기까지 움직이는 부품이 있는 일반적인 하중 지지 시스템의 마찰을 극적으로 줄일 수 있는 코팅을 발명했습니다.

이는 강철과 강철의 마찰을 최소 100배 이상 줄여줍니다. 새로운 ORNL 코팅은 마찰과 마모로 인해 매년 1조 달러 이상(GDP의 5%에 해당)을 잃는 미국 경제에 윤활유를 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.

ORNL의 표면 엔지니어링 및 마찰학 그룹 리더인 Jun Qu는 "구성 요소가 서로 미끄러질 때 마찰과 마모가 발생합니다."라고 말했습니다.

마찰이라는 뜻의 그리스어에서 유래한 마찰학은 기어나 베어링과 같이 상대 운동으로 표면을 상호 작용하는 과학 및 기술입니다.

Qu는 "마찰을 줄이면 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 마모를 줄이면 시스템의 수명을 늘려 내구성과 신뢰성을 높일 수 있습니다"라고 Qu는 말했습니다.

ORNL 동료 Chanaka Kumara 및 Michael Lance와 함께 Qu는 Materials Today Nano에 슬라이딩 부품에 초윤활성을 부여하는 탄소 나노튜브로 구성된 코팅에 관한 연구를 주도했습니다.

초윤활성은 미끄러짐에 대한 저항이 거의 없는 특성입니다. 그 특징은 0.01 미만의 마찰 계수입니다. 이에 비해 건조한 금속이 서로 미끄러질 때 마찰계수는 약 0.5입니다. 오일 윤활제를 사용하면 마찰 계수가 약 0.1로 떨어집니다. 그러나 ORNL 코팅은 마찰계수를 초윤활성 기준보다 훨씬 낮은 0.001까지 줄였습니다.

Qu는 "우리의 주요 성과는 가장 일반적인 응용 분야에서 초윤활성을 실현할 수 있게 만드는 것"이라고 말했습니다. "이전에는 나노 규모나 특수 환경에서만 볼 수 있었습니다."

연구를 위해 Kumara는 강철판에 탄소 나노튜브를 성장시켰습니다. 그와 Qu는 트라이보미터(tribometer)라는 기계를 사용하여 판을 서로 마찰시켜 탄소 나노튜브 부스러기를 생성했습니다.

다중벽 탄소 나노튜브는 강철을 코팅하고 부식성 습기를 차단하며 윤활유 저장고 역할을 합니다. 처음 증착되면 수직으로 정렬된 탄소나노튜브가 풀잎처럼 표면에 서 있습니다. 강철 부품이 서로 지나갈 때 본질적으로 "잔디를 자르는 것"입니다.

각 블레이드는 속이 비어 있지만 치킨 와이어처럼 인접한 육각형으로 배열된 원자적으로 얇은 탄소 시트인 여러 층의 롤링된 그래핀으로 구성됩니다. 면도로 인해 파손된 탄소 나노튜브 파편이 접촉 표면에 재침착되어 마찰을 거의 0으로 줄이는 그래핀이 풍부한 마찰막을 형성합니다.

탄소나노튜브를 만드는 것은 다단계 과정이다.

"첫 번째로 나노미터 크기 규모의 작은 구조를 생성하기 위해 강철 표면을 활성화해야 합니다. 두 번째로 탄소 나노튜브를 성장시키기 위한 탄소원을 제공해야 합니다"라고 Kumara는 말했습니다.

그는 스테인리스 스틸 디스크를 가열하여 표면에 금속 산화물 입자를 형성했습니다. 그런 다음 그는 화학 기상 증착을 사용하여 에탄올 형태의 탄소를 도입하여 금속 산화물 입자가 탄소를 원자 단위로 나노튜브 형태로 연결할 수 있도록 했습니다.

새로운 나노튜브는 손상될 때까지 초윤활성을 제공하지 않습니다.

Qu는 “탄소 나노튜브는 마찰로 파괴되지만 새로운 것이 된다”고 말했다. "핵심 부분은 부서진 탄소 나노튜브가 그래핀 조각이라는 점입니다. 이 그래핀 조각은 번지고 접촉 영역에 연결되어 공정 중에 형성된 코팅인 트리보필름(tribofilm)이 됩니다. 그런 다음 두 접촉 표면 모두 그래핀이 풍부한 일부로 덮여 있습니다. 코팅. 이제 서로 비비면 그래핀 위에 그래핀이 붙는다."

초윤활성을 달성하려면 오일 한 방울이라도 존재하는 것이 중요합니다.

Qu는 "우리는 기름 없이 실험했지만 효과가 없었다"고 말했습니다. "그 이유는 오일이 없으면 마찰로 인해 탄소 나노튜브가 너무 공격적으로 제거되기 때문입니다. 그러면 마찰막은 제대로 형성되지 않거나 오래 살아남을 수 없습니다. 이는 오일이 없는 엔진과 같습니다. 연기가 나는 것은 몇 분 안에 발생하는 반면, 오일이 있는 엔진은 몇 년 동안 쉽게 작동할 수 있습니다. "