[논문]금속복합재료와 고분자복합재료의 마모 특성 비교

김재동

doi:10.13000/jfmse.2016.28.6.1875

금속복합재료와 고분자복합재료의 마모 특성 비교
Comparison of Wear Property Between Metal and Polymer Matrix Composites 원문보기

水産海洋敎育硏究 = Journal of fisheries and marine sciences education, v.28 no.6 = no.84, 2016년, pp.1875 - 1881

Abstract ▼ AI-Helper

The wear behavior for the two types of composites, those are epoxy matrix composites filled with silica particles and aluminium matrix composites filled with SiC particles, were compared to investigate the wear mechanism for these composites. Especially, the effect of the volume fraction for the epoxy matrix composites and the particle size for the aluminium matrix composites according to the apply load and sliding velocity were investigated. Wear tests of the pin-on-disc mode were carried out and followed by scanning electron microscope observations for the worn surface. The addition of the fillers in the composites were improved the wear resistance significantly and changed the wear mechanism for the both composites. These results were identified by the observation of the worn surface after testing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 상이한 재료의 조합으로 만들어진 두 복합재료의 마모특성을 비교 분석하기 위해 재료 측면에서는 강화상(또는 충진재)의 크기 및 부피 분율, 실험조건 측면에서는 작용하중과 미끄럼 속도를 변화시켜, 이들 변수에 따른 마모저항을 마모량과 마모면의 해석을 통해 실험적으로 분석하였다. 본 연구는 복합재료의 마찰과 마모의 기본 메커니즘을 밝히는데 도움이 될 것이다.

제안 방법

, 2000). 강화상 크기의 영향을 고찰하기 위해 평균입경이 각각 26㎛, 38㎛ 및 100㎛인 SiC입자를 주조용 AC8A 합금과 조합하여 3종류의 SiCp/AC8A 복합재료를 제조하였다.
그동안 여러 복합재료의 마모 특성에 관한 연구는 많이 보고되고 있으나, 금속복합재료와 폴리머복합재료의 마모특성을 비교하여 분석한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 그러므로 본 연구에서는 상이한 재료의 조합으로 만들어진 두 복합재료의 마모특성을 비교 분석하기 위해 재료 측면에서는 강화상(또는 충진재)의 크기 및 부피 분율, 실험조건 측면에서는 작용하중과 미끄럼 속도를 변화시켜, 이들 변수에 따른 마모저항을 마모량과 마모면의 해석을 통해 실험적으로 분석하였다. 본 연구는 복합재료의 마찰과 마모의 기본 메커니즘을 밝히는데 도움이 될 것이다.
마모된 시험편 역시 질량 측정 전에 초음파 세척기에서 아세톤으로 세척한 후 계측하였다. 또한 마모시험 후의 마모표면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.
시험조건은 미끄럼 마찰거리를 360m로 일정하게 유지하고, 작용하중은 에폭시복합재료는 3, 6 및 9 N, 금속복합재료는 120 N으로 하고, 미끄럼 마찰속도는 에폭시복합재료는 0.1, 0.2 및 0.3m/s, 금속복합재료는 0.5, 1, 2, 3m/s로 각 각 변화시켜 마찰시킨 후, 마모 트랙의 질량 손실을 0.1mg의 정도를 갖는 정밀분석저울로 측정한 후 식(1)에 의해 비마모율을 계산하였다. 마모된 시험편 역시 질량 측정 전에 초음파 세척기에서 아세톤으로 세척한 후 계측하였다.
에폭시복합재료와 금속복합재료의 마모특성을 비교 분석하기 위해 재료측면에서는 강화상(또는 충진재)의 크기와 부피분율, 실험조건 측면에서는 작용하중과 미끄럼 속도를 변화시켜, 이들 변수에 따른 마모저항을 마모량과 마모면의 해석을 통해 실험적으로 분석하였다. 실험에서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

에폭시복합재료(epoxy matrix composites)의 제조에 사용된 에폭시 수지는 Sigma-Aldrich사의 Araldite-F(diglycidyl ether of bisphenol A, DGEBA)와 독일산의 중량비 40% nano-silica/bisphenol A(Nanopox® F400, nanoresins AG)이다.

이론/모형

금속복합재료(metal matrix composites)는 질소분위기에서 강화상 입자의 loose bed 속으로 기지재료인 Al합금을 자발적으로 침투시키는 무가압함침법으로 제조하였다(Kim et al., 2000). 강화상 크기의 영향을 고찰하기 위해 평균입경이 각각 26㎛, 38㎛ 및 100㎛인 SiC입자를 주조용 AC8A 합금과 조합하여 3종류의 SiCp/AC8A 복합재료를 제조하였다.

성능/효과

1. 에폭시복합재료 및 금속복합재료 모두 충진재(또는 강화재)의 첨가에 의해 마찰일과 비마모율이 기지재료에 비해 현저히 감소하는 결과를 나타냈다. 에폭시복합재료는 충진재의 함량이 많아짐에 따라 마모저항이 증가했으며, 금속복합재료의 경우는 강화상의 입자 크기가 커짐에 따라 마모저항이 증가하였다.
2. 에폭시복합재료는 전반적으로 연삭마모의 거동을 보였다. 반면에 순 에폭시는 마모과정 중에 취성파괴에 의해 많은 부스러기가 나타나는 응착마모를 나타냈다.
3. 금속복합재료는 전반적으로 연삭마모를 나타냈으나 미끄럼속도가 빨라짐에 따라 재료의 일부분에서 응착이 나타났다. 반면에 기지재료 (AC8A 합금)는 미끄럼 속도가 저속일 때는 연삭 마모를 보였으나 고속에서는 마모면이 밀리고 마찰열에 의해 용융이 일어나는 응착마모를 나타냈다.
충진재에 의해 크랙의 진전이 방해 받음에 따라 마모면에 재료의 물결이 형성되는데, 충진재가 기지에서 빠져나오든가 부스러지기 전에는 즉, 작용 하중이 임계값보다 크지 않는 한, 충진재는 마모 저항을 증가시켜 마모율을 감소시킨다. 결과적으로 에폭시복합재료의 유력한 마모 저항 기구는 순 에폭시의 응착마모와 취성균열이 입자 형태의 충진재가 넣어짐에 따라 연삭마모로 변경되어지는 것으로 설명 할 수 있다.
2]는 에폭시복합재료에 있어서 작용 하중에 따른 비마찰일의 변화를 나타낸다. 순 에폭시와 에폭시복합재료 모두 작용 하중이 증가함에 따라 비마찰일이 증가하는 것으로 나타났고, 동일한 작용 하중에서는 순 에폭시의 경우가 에폭시복합재료보다 비마찰일이 크게 나타났다.
4]는 에폭시복합재료에 있어서 실리카 충진재의 함량에 따른 비마모율의 변화를 나타낸다. 실리카 충진재의 첨가에 의해 마모저항이 크게 상승하는 것을 알 수 있으며, 특히 12wt% 이상의 첨가에서는 비마모율이 약 25배 감소하는 결과를 나타내고 있다.
에폭시복합재료 및 금속복합재료 모두 충진재(또는 강화재)의 첨가에 의해 마찰일과 비마모율이 기지재료에 비해 현저히 감소하는 결과를 나타냈다. 에폭시복합재료는 충진재의 함량이 많아짐에 따라 마모저항이 증가했으며, 금속복합재료의 경우는 강화상의 입자 크기가 커짐에 따라 마모저항이 증가하였다.

후속연구

폴리머복합재료는 경량, 내식성, 용이한 가공성 및 낮은 생산단가 등의 이점으로 기존 금속재료의 대체 재료로 항공기, 자동차 및 화학 산업의 구조재료로의 적용이 꾸준히 증가되고 있다. 폴리머복합재료는 충진재를 첨가하여 재료의 특성을 조절함으로써 적용 범위를 넓히는 것이 가능하므로 앞으로 공업용 재료로의 사용이 더욱 증가될 전망이다. 또한 폴리머복합재료는 폴리머가 갖는 자기윤활의 성질로 인해 기어, 캠, 베어링 및 씨일과 같은 마모 부품으로 많이 이용되고 있다(Dasari et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리머복합재료가 금속재료의 대체재료로 항공기, 자동차 및 화학 산업의 구조재료로 적용이 꾸준히 증가되는 이유는?	폴리머복합재료는 경량, 내식성, 용이한 가공성 및 낮은 생산단가 등의 이점으로 기존 금속재료의 대체 재료로 항공기, 자동차 및 화학 산업의 구조재료로의 적용이 꾸준히 증가되고 있다. 폴리머복합재료는 충진재를 첨가하여 재료의 특성을 조절함으로써 적용 범위를 넓히는 것이 가능하므로 앞으로 공업용 재료로의 사용이 더욱 증가될 전망이다.
	금속복합재료는 미끄럼 거동에 따라 마모거동이 어떻게 나타나는가?	금속복합재료는 전반적으로 연삭마모를 나타냈으나 미끄럼속도가 빨라짐에 따라 재료의 일부분에서 응착이 나타났다. 반면에 기지재료 (AC8A 합금)는 미끄럼 속도가 저속일 때는 연삭 마모를 보였으나 고속에서는 마모면이 밀리고 마찰열에 의해 용융이 일어나는 응착마모를 나타냈다. 금속복합재료의 경우 미끄럼 속도가 마모거동에 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
	금속복합재료는 어떤 인자에 의하여 마모저항이 영향을 받는가?	일반적으로 금속재료는 접촉하중과 마찰속도가 증가함에 따라 마찰면에서 온도가 상승하고, 이에 따라 급격한 연화현상이 발생하여 마모량이 증가한다. 그러나 금속복합재료의 경우는 강화상의 형태와 크기 및 부피분율, 경도, 계면강도와 같은 많은 인자에 의해 마모저항이 영향을 받으며, 또한 상대마모재(counterpart material)에 의해 상이한 마모양상을 나타내고 있다(Zhang et al., 1995).

참고문헌 (10)

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Dasari A. Yu Z. Z. Mai Y. W. Hu G. H. and Valet J.(2005). Clay exfoliation and organic modification on wear of nylon 6 nanocomposites processed by different routes, Composites Science and Technology, Vol. 65, 2314-2328.

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Yu S. Yu Z. and Mai Y. W.(2007). Effects of SEBS-g-MA on tribological behaviour of nylon 66/organoclay nanocomposites, Tribology International, Vol. 40, 855-862.

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Zhang, Z. F. Zhang, L. C. and Mai, Y. W.(1995). Particle effects on friction and wear of aluminium matrix composites, J. of Mat. Sci., Vol. 30, 5999-6004.

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Zhang, Z. F. Zhang. L. C. and MAI, Y. W.(1995). Wear of ceramic particle-reinforced metal-matrix. part 1 Wear mechanism, J. of Mat. Sci., Vol 30, 1961-1966.

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저자의 다른 논문 :

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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