도호쿠대는 도호쿠대 공학대학원, 나고야대 공학대학원, 한국광기술원(KOPTI) 공동연구팀이 접촉면에 윤활유를 모으는 기술을 개발했다고 2023년 10월 31일 밝혔다. 발표했다. 값싼 윤활유를 주성분으로 사용하더라도 고효율, 저마찰 기계 구현에 기여할 것으로 기대된다.

기계윤활유의 경우 기유에 다양한 효과를 갖는 윤활유 첨가제를 첨가하는 것이 일반적입니다. 기유의 종류는 다양하며, 저마찰성과 내마모성이 우수한 기유는 가격이 비싼 경우가 많습니다.

따라서 최근에는 저렴한 윤활유를 기유로 하고, 고성능 윤활유를 혼합한 2액형 혼합유를 이용하여 고기능성과 저비용을 동시에 달성하는 기술을 개발하려는 노력이 이루어지고 있다. 거기에.

그러나 2액 혼합유를 사용할 경우에는 혼합비율에 따라 고성능 윤활유가 접동부 접촉부로 이송될 확률이 달라지므로 우수한 윤활성을 얻기 위해서는 많은 높은 기능성 윤활제가 필요했습니다.

연구팀은 미끄럼 표면(물체가 서로 접촉하여 상대적으로 움직일 때 형성되는 표면)에서 윤활유의 흐름 특성을 해명했습니다. 또한, 유전영동(두 전극 사이에 교류 전계를 인가할 때 분산된 물질이 전극으로 끌어당겨지는 현상)을 활용하여 습동면이 고성능 윤활유를 선택적으로 습동부로 수송합니다. 시스템을 개발했습니다.

본 연구에서는 PAO4라는 윤활제와 프로필렌글리콜(PG)이라는 저마찰 윤활제를 혼합하여 사용했습니다.

유전영동을 일으키기 위해 접촉하는 각 슬라이딩 표면은 전극 역할을 합니다. 그러나 금속 등의 전도성 물질을 양면에 사용하면 전극 사이에 전위 구배가 발생하지 않으므로 본 실험에서는 전극 표면에 얇은 절연체를 배치했습니다.

첫째, 습동면에 전압을 가하지 않은 일반적인 2액형 혼합유를 관찰한 결과, 습동면에 기능성 윤활제의 전달 여부가 무작위적이라는 것을 알 수 있었습니다.

다음으로 습동면에 100V의 전압을 인가하여 관찰한 결과, 유전영동에 의해 혼합된 미량의 PG 오일이 접촉면으로 끌어당겨 습동부를 덮는 것을 발견하였습니다.

첫 번째 이미지에서 오른쪽 이미지는 저마찰 윤활제가 유전영동(100V 인가)으로 인해 슬라이딩부에 뭉치는 모습을 보여주고, 왼쪽 이미지는 전압이 없는 조건에서는 응집되지 않는 모습을 보여줍니다. 기능성 저마찰 윤활제는 파란색 점선으로 표시됩니다.

또한 실제로 마찰 저감 효과가 어느 정도 나타나는지 확인하기 위해 마찰 테스트를 실시하였다. 그 결과, 극소량의 PG 오일의 경우에도 효율적인 포집으로 슬라이딩 표면을 덮을 경우 마찰계수는 0.052로 나타났다.

이 값은 PG 오일 100% 사용시의 마찰계수 0.047에 매우 가깝습니다. PAO4 윤활제만을 사용한 마찰계수 0.067과 비교하면 22% 감소한 수치입니다.

유전영동 발생을 위한 교류전압의 크기와 마찰계수의 관계

100V보다 큰 전압을 가하면 마찰계수가 다시 증가합니다. 따라서 이러한 조건에서의 마찰 시험에서는 투명 ITO 필름 전극을 사용하여 마찰 표면의 윤활제 분포를 관찰했습니다. 고전압 조건(1000V)에서는 PG 오일이 롤러와 디스크 시편 사이의 접촉면을 피하기 위해 말굽 모양을 형성하며 완전히 덮이지 않는 것으로 나타났습니다.

원인을 찾기 위해 유한요소법(분석대상을 작은 요소로 나누어 각 요소 내 미분방정식의 균형으로부터 전체적인 거동을 분석하는 방법)을 이용한 전계해석을 실시하였습니다. 그 결과, 이러한 마찰시험 조건에서는 전압이 증가함에 따라 롤러 끝단을 향한 유전영동력이 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다.

(왼쪽) 고전압(1000V 인가) 시 형성된 PG 오일의 말굽형 집합체 형태
(오른쪽) 이러한 조건에서 각 위치에 작용하는 유전영동력

이번 연구 결과는 소량의 고성능 윤활유만으로도 충분한 마찰 저감 효과를 얻을 수 있는 윤활 시스템 개발로 이어질 것으로 기대된다. 저렴한 윤활유로도 마찰 손실을 줄일 수 있게 함으로써 에너지 효율이 향상되고, 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

또 다른 장점은 윤활유 사용량을 줄여도 안정적인 마찰이 가능하고, 윤활유 사용량을 극소량으로 유지할 수 있어 자연환경에 미치는 영향을 줄일 수 있다는 점이다.

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