[논문]향상된 폴리우레탄 기반 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성연구

연성룡; 홍성근; 이광희; 이철희; 김철현

doi:10.9725/kstle-2012.28.6.333

[국내논문] 향상된 폴리우레탄 기반 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성연구
Friction and Wear Properties of Improved Polyurethane Based Magneto-Rheological Elastomer 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.28 no.6, 2012년, pp.333 - 339

연성룡 (인하대학교 기계공학과) , 홍성근 (인하대학교 기계공학과) , 이광희 (인하대학교 기계공학과) , 이철희 (인하대학교 기계공학과) , 김철현 (장암칼스(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Typical magneto-rheological (MR) elastomers consist of silicon-based material. A number of studies have been carried out to evaluate the vibration and tribological characteristics of silicon-based MR e-lastomers. However, these elastomers have quite low strength, so they have low wear resistance. In this study, polyurethane-based MR elastomers with performances better than those of MR elastomers. Experiments have been conducted on different MR elastomers (Pu MR elastomer, Pu-Si MR elastomer, and Pu-wrapped-Si MR elastomer) and different predefined magnetic directions (Non-Direction, Vertical Direction, and Horizontal Directionality) to evaluate the friction and wear performance under a magnetic field. The results show that Pu-wrapped-Si MR elastomer with a horizontal predefined magnetic field has the best performance in terms of wear.

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문제 정의

따라서 폴리우레탄 기반의 향상된 자기유변탄성체를 제작하고 실험을 통해 마찰 마모 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 일정한 자기력을 인가하는 조건에서 내구성이 향상된 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 실리콘 기반 자기유변탄성체(Si 자기유변탄성체)를 폴리우레탄 기반 자기유변탄성체(Pu 자기유변탄성체, Pu-Si 자기유변탄성체, Pu-W(wrapped)-Si 자기유변탄성체)로 대체하여 내부상자성 입자의 배열 방향성별(비방향, 수평방향, 수직 방향), 일정한 자기력, 속도, 하중을 인가하는 조건에서 마찰 마모 특성을 고찰하고 Si 자기유변탄성체와 서로 비교하기 위한 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 일정한 자기력을 인가하는 조건에서 내구성이 향상된 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 실리콘 기반 자기유변탄성체(Si 자기유변탄성체)를 폴리우레탄 기반 자기유변탄성체(Pu 자기유변탄성체, Pu-Si 자기유변탄성체, Pu-W(wrapped)-Si 자기유변탄성체)로 대체하여 내부상자성 입자의 배열 방향성별(비방향, 수평방향, 수직 방향), 일정한 자기력, 속도, 하중을 인가하는 조건에서 마찰 마모 특성을 고찰하고 Si 자기유변탄성체와 서로 비교하기 위한 실험을 수행하였다.
그러나 실리콘 기반 자기유변탄성체는 상대적으로 낮은 강도를 가지고 있기 때문에 마모에 매우 취약하다. 따라서 자기유변탄성체의 마모 특성 및 내구성을 향상시키기 위하여 상대적으로 높은 강도를 가지고 있는 폴리우레탄 기반의 향상된 자기유변탄성체를 제작하였다.
본 연구에서는 일정한 자기장력을 인가하는 조건에서 향상된 자기유변탄성체 재료 및 상자성 입자 방향성에 따른 마찰 마모 특성에 관한 실험결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

실리콘 기반 자기유변탄성체는 상대적으로 낮은 강도를 가지고 있기 때문에 마모에 매우 취약하다. 따라서 폴리우레탄 기반의 향상된 자기유변탄성체를 제작하고 실험을 통해 마찰 마모 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 일정한 자기력을 인가하는 조건에서 내구성이 향상된 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다.
본 실험에서는 폴리우레탄 기반(Pu 자기유변탄성체), 폴리우레탄-실리콘 합성 기반(Pu-Si 자기유변탄성체) 그리고 폴리우레탄으로 감싼 실리콘 기반(Pu-W-Si 자기유변탄성체) 3종류의 자기유변탄성체를 사용하여 방향성별(Fig. 1) 9개, Si 자기유변탄성체 방향성별 3개, 모두 12개의 샘플을 제작하여 각 1회의 마찰 및 마모 실험을 진행하였다. 전자석에서 발생하는 자기장을 균일하게 받기 위해서 자기유변탄성체의 면적을 전자석의 면적과 동일하게 하며, 자기유변탄성체의 지름은 60 mm, 두께는 15 mm로 샘플을 제작하였다.
1) 9개, Si 자기유변탄성체 방향성별 3개, 모두 12개의 샘플을 제작하여 각 1회의 마찰 및 마모 실험을 진행하였다. 전자석에서 발생하는 자기장을 균일하게 받기 위해서 자기유변탄성체의 면적을 전자석의 면적과 동일하게 하며, 자기유변탄성체의 지름은 60 mm, 두께는 15 mm로 샘플을 제작하였다.
Fig. 2는 왕복 마찰 마모 실험장치이며 폴리우레탄 기반으로 제작된 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성을 분석하기 위하여 왕복 동마찰 마모 실험을 수행 하였다. 자기장의 세기를 조절하기 위해 원통형 전자석 (지름: 60 mm, 높이: 60 mm, 자기력의 세기: 80 mT) 를 사용했다.
자기장의 세기를 조절하기 위해 원통형 전자석 (지름: 60 mm, 높이: 60 mm, 자기력의 세기: 80 mT) 를 사용했다. 자기유변탄성체에 자기력을 직접적으로 가하기 위하여 자기유변탄성체를 전자석의 상부에 놓고 실험하였다. 핀은 자기력의 영향을 받지 않는 알루미늄 재질로 제작하여 실험을 실시하였다.
핀은 자기력의 영향을 받지 않는 알루미늄 재질로 제작하여 실험을 실시하였다. 왕복 마찰력은 오른쪽에 연결된 로드셀을 사용하여 측정을 하였다.
자기장이 인가된 자기유변탄성체의 표면 위에서 알루미늄 핀이 직선 왕복운동을 하였을 때 실험이 끝난 후에 자기유변탄성체의 단면을 촬영하여 실험 전후의 마모 깊이를 측정하였다. Fig.

대상 데이터

2는 왕복 마찰 마모 실험장치이며 폴리우레탄 기반으로 제작된 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성을 분석하기 위하여 왕복 동마찰 마모 실험을 수행 하였다. 자기장의 세기를 조절하기 위해 원통형 전자석 (지름: 60 mm, 높이: 60 mm, 자기력의 세기: 80 mT) 를 사용했다. 자기유변탄성체에 자기력을 직접적으로 가하기 위하여 자기유변탄성체를 전자석의 상부에 놓고 실험하였다.

성능/효과

3(a)는 비방향성 자기유변탄성체의 실험 결과이다. 결과에 의하면 Pu-W-Si 자기유변탄성체의 마찰계수가 실험 시간에 따라 가장 작은 변화폭을 나타내고 있다. Si 자기유변탄성체와 Pu-Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 Pu-W-Si 자기유변탄성체보다 크며 Pu자기유변탄성체의 변화 폭이 가장 크다는 것을 관찰할 수 있다.
3(b)는 수직 방향성별 자기유변탄성체의 실험 결과이다. 결과에 의하면 Pu-W-Si 자기유변탄성체와 Si 자기유변탄성체의 마찰계수가 변화폭이 가장 작게 나타남을 알 수 있다. Pu 자기유변탄성체와 Pu-Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 서로 비슷하며 Pu-W-Si 자기유변탄성체와 Si 자기유변탄성체보다 크게 나타났다.
결과에 의하면 Pu-W-Si 자기유변탄성체와 Si 자기유변탄성체의 마찰계수가 변화폭이 가장 작게 나타남을 알 수 있다. Pu 자기유변탄성체와 Pu-Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 서로 비슷하며 Pu-W-Si 자기유변탄성체와 Si 자기유변탄성체보다 크게 나타났다. 또한, 자기유변탄성체 제작 과정은 수작업으로 진행되고 있기 때문에 제작 시 발생 가능한 기포 및 입자의 뭉침과 같은 현상으로 120 min에서 마찰계수가 순간적으로 상승했다가 다시 감소한 것으로 예상된다.
3(c)는 수평 방향성 자기유변탄성체의 실험 결과이다. 결과에 따르면 시간에 따라 Si 자기유변탄성체, Pu-Si 자기유변탄성체와 Pu-W-Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 서로 비슷하며 Pu-Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 다소 큰 것으로 나타나고 있다. 4가지 종류의 자기 유변탄성체의 마찰계수 변화폭을 비교한 결과 비방향성 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭이 가장 크며 수평 방향성 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭이 가장 작은 것을 확인할 수 있다.
결과에 따르면 시간에 따라 Si 자기유변탄성체, Pu-Si 자기유변탄성체와 Pu-W-Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 서로 비슷하며 Pu-Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 다소 큰 것으로 나타나고 있다. 4가지 종류의 자기 유변탄성체의 마찰계수 변화폭을 비교한 결과 비방향성 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭이 가장 크며 수평 방향성 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭이 가장 작은 것을 확인할 수 있다.
4(a)는 Si 자기유변탄성체의 실험 결과이다. 결과에 의하면 실험 진행 1시간 내에 비방향성 Si 자기유변탄성체의 마찰계수 변동폭은 약 0.4 정도로 보이다가 이후에는 마찰계수의 변화가 매우 작다. 수직 방향성과 수평 방향성 자기유변탄성체는 마찰초기부터 끝까지 마찰계수가 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다.
4(b)는 Pu 자기유변탄성체의 실험 결과이다. 결과에 의하면 비방향성 Pu 자기유변탄성체의 마찰계수 변화가 가장 크게 나타나고 있으며, 수평 방향성 Pu 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭은 가장 작게 나타나는 것을 알 수 있다. Fig.
Table 2는 자기유변탄성체종류 및 상자성 입자 방향성별 마모 깊이를 측정한 결과이다. 마찰 마모 실험에 의해서 자기 유변탄성체의 표면이 마모된 정도를 비교하였을 때 Pu-W-Si 자기유변탄성체는 3가지 방향성 모두 표면마모가 나타나지 않았고 Pu 자기유변탄성체 수평 방향성도 표면 마모가 나타나지 않았다. 왕복 동마찰 마모 실험을 수행하였을 때 자기유변탄성체의 표면이 마모 되는 정도는 재질의 변화뿐이 아니라, 방향성의 변화에 의해서 마모 정도가 크게 좌우되고 있다.
마모가 일어난 자기유변탄성체를 비교하였을 때 수평 방향성 자기유변탄성체의 표면 마모가 가장 적게 일어나고 있음을 알 수 있으며 그 중에서 Pu 자기유변탄성체가 방향성의 변화에 따른 마모 깊이의 변화가 가장 크다. 이번 실험 결과에 의하면 내마모성은 각 재료 중에서 Pu-W-Si 자기유변탄성체가 가장 뛰어나며 각 방향성 중에서는 수평 방향성 자기유변탄성체의 내마모성이 가장 뛰어나다는 것을 알 수 있다.
1. 비방향성 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭이 가장 크며 수평 방향성 자기유변탄성체의 마찰계수 변화 폭은 가장 작다는 것을 알 수 있다. Pu 자기유변탄성체의 마찰계수 변화폭이 가장 크게 나타나고 있으며 Si 자기유변탄성체와 Pu-W-Si 자기유변탄성체는 다소 작게 나타나고 있다.
2. Si 자기유변탄성체는 방향성의 변화에 따른 평균 마찰계수의 변화가 매우 작게 나타나고 있다. 이를 보았을 때 자기유변탄성체의 방향성이 Si 자기유변탄성 체의 마찰 특성에 큰 영향을 주지 않는 것을 알 수 있고 Pu 자기유변탄성체는 방향성의 변화에 따른 평균 마찰계수의 차이가 매우 크게 나타나고 있는 것으로 보아 Pu 자기유변탄성체의 마찰 특성에 방향성이 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.
Si 자기유변탄성체는 방향성의 변화에 따른 평균 마찰계수의 변화가 매우 작게 나타나고 있다. 이를 보았을 때 자기유변탄성체의 방향성이 Si 자기유변탄성 체의 마찰 특성에 큰 영향을 주지 않는 것을 알 수 있고 Pu 자기유변탄성체는 방향성의 변화에 따른 평균 마찰계수의 차이가 매우 크게 나타나고 있는 것으로 보아 Pu 자기유변탄성체의 마찰 특성에 방향성이 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다. 방향성의 변화에 따른 마찰계수의 변화를 보았을 때, 수평 방향성 자기유변탄성체의 평균마찰계수가 각 방향성 중 가장 작게 나타나고 있으며 Pu-W-Si 자기유변탄성체의 평균마찰계수가 가장 작게 나타나고 있다.
3. 방향성의 변화에 따른 마모 깊이 차이는 자기유변탄성체가 가장 크게 나타나고 있으며 Pu-W-Si 자기유변탄성체는 표면 마모가 일어나지 않았다. 자기유변탄성체 방향성에 따른 마모 깊이 변화의 경향성은 뚜렷하게 나타나지 않고 있으나 수평 방향성 자기유변탄성체가 모든 경우에서 표면 마모가 가장 작게 나타나고 있다.
4. 비방향성 Pu 자기유변탄성체의 평균마찰계수가 가장 크고, Pu-W-Si 자기유변탄성체 수평방향의 평균마찰계수가 가장 작게 나타나고 있다. 비방향성Pu 자기 유변탄성체의 표면 마모가 가장 크게 일어나고 있으며 수평 방향성 Pu 자기유변탄성체와 Pu-W-Si 자기유변탄성체는 마모가 일어나지 않았다.
5. Si 자기유변탄성체 내부 주요 적재재료인 실리콘과 상자성 입자의 마찰에 대한 물리적 성질이 비슷한 것을 알 수 있으며 폴리우레탄과 상자성 입자의 마찰에 대한 물리적 성질의 차이가 크게 나는 것으로 추정된다. 같은 평면에서 균일하게 배열한 상자성 입자는 자기유변탄성체의 마찰계수 감소에 대해 영향을 주는 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기유변(magnet-rheological, MR) 재료란 무엇인가?	자기유변(magnet-rheological, MR) 재료[1]는 스마트 재료 중의 하나이며 자기장에 의해 특성이 변화하는 물질이다. 자기유변재료는 전기유변(electro-rheological, ER)재료와 달리 반응속도가 빠르기 때문에 기계적인 성질이 신속하게 전환되는 장점을 가지고 있다.
	자기유변 유체를 최초로 발견, 개발한 사람은 누구인가?	자기유변재료는 전기유변(electro-rheological, ER)재료와 달리 반응속도가 빠르기 때문에 기계적인 성질이 신속하게 전환되는 장점을 가지고 있다. 자기유변 유체(MR fluid, MRF)는 자기장 부하 시 유체 흐름의 저항이 증가하는 자기유변 효과를 가진 유체로 Jacob Rabinow가 최초로 발견, 개발하였으며, Winslow의 ER 효과와 유사한 현상을 보인다. 자기유변유체는 낮은 투자율(permeability)의 용매에 상자성(paramagnetic) 입자를 분산시킨 유체로, 자기장 무부하 시에는 입자가 자유롭게 운동하는 뉴토니안(Newtonian) 유체와 같은 거동을 보이지만 자기장 부하 시에는 입자가 대전되어 체인 구조를 형성하여 항복 응력을 갖는 빙햄(Bingham) 유체의 거동을 보인다.
	자기 유변탄성체가 다양한 공학 영역에서 응용연구가 가능한 이유는?	자기유변탄성체는 고분자 재료인 고무 혹은 실리콘(silicon, Si) 등의 주성분에 철 입자가 포함된 형태로 구성되어 있다. 기존의 자기유변유체와 같은 성질을 가지고 있으면서도 고체의 성질을 가지고 있기 때문에 사용이 편리하여 다양한 공학 영역에서 응용연구가 가능하다. 자기유변탄성체는 자기유변유체에 비해서 아직 활용도가 낮지만 자기유변유체가 가지고 있는 단점을 보완할 수 있기 때문에 자기유변유체를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
Propeller shaft center bearing vibration decrease system, Korean patent 1020100051250, 2011.
Friction control of robot pad, Korean patent 1020100024773, 2010.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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