혁신적인 윤활제로 고온에서의 마찰을 방지한다

여러 대학의 협업을 통해 버지니아 공대의 연구자들은 매우 높은 온도에서 기계의 마찰을 줄일 수 있는 새로운 고체 윤활 메커니즘을 발견했습니다. 그것은 흑연과 같은 전통적인 고체 윤활제의 분해 온도를 훨씬 넘어서 작동하며, 그 발견은 Nature Communications에 게재되었습니다.

"이 획기적인 고체 윤활제는 첨단 엔진을 위한 소재를 설계하는 방식을 바꿔서 엔진의 수명을 늘리고 극한 조건에서 더 잘 작동하게 할 수 있습니다." 재료 과학 및 공학과 준교수이자 이 연구의 저자 중 한 명인 레베카 카이의 말입니다. "수십 년간의 연구 끝에 겨우 20가지 정도의 고체 윤활제만 확인되었습니다."

적절한 윤활유는 제트 엔진의 수명을 연장하여 수백만 달러를 절약할 수 있지만, 이 20가지 윤활유 중 대부분은 기계가 용암만큼 뜨거운 온도에 도달하면 분해됩니다. 이 발견은 마찰과 마모가 2023년에 미국 경제에 1조 달러 이상의 손실을 입힐 것으로 추산되었기 때문에 중요합니다. 이는 국내총생산의 약 5%에 해당합니다.

첨단 제조와 같은 새로운 분야에서 재료의 중요성을 감안할 때, 이러한 연구 결과는 버지니아 공대를 학제간 문제 해결의 기회를 제공하는 혁신 기술과 최첨단 연구 분야의 선두주자로 자리매김하게 했습니다.

윤활제의 한계

마찰은 운동의 기초입니다. 그러나 첨단 제조, 운송 및 항공우주와 같은 다양한 산업 분야에서는 마찰이 너무 많으면 기계가 마모됩니다. 서로 접촉하는 두 표면 사이의 마찰을 줄이는 윤활제 또는 물질은 안전한 작동 조건과 최적의 성능에 중요하지만 600도 섭씨 또는 1,000도 화씨 이상에서 마모에 강한 소재를 개발하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.

실제로, 고체 윤활제에 대한 이러한 새로운 발견을 이루기까지는 오랜 세월과 많은 생각, 그리고 많은 기관이 필요했습니다.

"다른 대학과의 협력 작업은 많은 지식이 있는 사람들을 모아 리소스를 공유하게 했고, 이는 이 분야에서 매우 중요합니다." 당시 박사과정 학생이자 첫 번째 저자인 Zhengyu Zhang이 말했습니다. "많은 산업의 미래는 재료 과학의 발전에 달려 있으며, 이처럼 광범위한 주제는 다양한 전문 지식을 필요로 합니다."

이 발견은 또한 Cai가 2019년에 자신의 연구실을 위해 조달한 고온 트라이보미터라는 장치에 의존했습니다. 이 최첨단 장치는 고온에서 접촉하는 두 표면 사이의 마찰, 마모 및 기타 트라이볼로지적 특성을 측정합니다. 당시 버지니아 공대는 이 기술을 수용하고 교수진과 대학원생 연구자에게 제공하는 데 있어 선구자였습니다. 이 기계는 기존 장비보다 훨씬 높은 온도 임계값에서 테스트 기능을 발견할 수 있는 토대를 마련했습니다.

확실한 결과

연구팀은 고온 테스트, 고급 소재 분석, 계산 방법을 사용하여 스피넬 산화물 층(코팅 역할을 하는 특정 종류의 광물)이 고온 산화 중에 첨가적으로 제조된 금속 표면에 자연스럽게 형성되어 자체 윤활이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 이는 스피넬 산화물의 낮은 전단 강도, 즉 분자 간 결합의 약함으로 인해 스트레스를 받을 때 쉽게 서로 미끄러질 수 있고, 높은 안정성으로 인해 스트레스가 많고 고온 조건에서도 특성을 유지할 수 있기 때문에 가능합니다.

먼저, 연구자들은 고급 컴퓨터를 사용하여 어떤 종류의 산화물이 가장 잘 작동할지 예측했습니다. 그런 다음, Cai와 Zhang은 특수한 산화물 층을 형성하는 금속 표면을 조심스럽게 조정하여 스피넬 산화물이 이전에 사용된 재료보다 고온을 훨씬 잘 견딘다는 것을 발견했습니다.

각 협력자는 연구의 핵심 구성 요소를 제공했습니다.

  • 플로리다 대학에서는 4D 투과 전자 현미경 특성화를 사용하여 매우 복잡한 산화 표면의 결정 구조를 식별하는 계산을 완료했습니다.
  • 잭슨 주립대는 첨가 방식으로 제조된 금속의 최초 샘플을 제공했습니다.
  • 애리조나주립대는 자금 조달과 계산 완료에 협력했습니다.
  • 아이오와 주립대학교에서는 주요 산화물의 기계적 특성을 시뮬레이션하기 위한 계산을 완료했습니다.
  • 네브래스카-링컨에서 고온 하네스 테스트를 실시했습니다.
  • 버지니아 공대는 전체 프로젝트를 주도하고, 아이디어를 개념화하고, 고온 마찰 시험을 실시하고, 표면 특성을 분석하고, 모든 산화물의 주요 열적, 기계적 특성을 계산하고, 상 예측 분석을 실행했습니다.

"이것은 과학적으로 큰 성과이며, 이를 가능하게 해준 협력자들에게 감사드립니다." Cai가 말했습니다. "Virginia Tech의 자원과 전국 대학의 동료 과학자들과의 강력한 파트너십이 없었다면, 우리는 이 새로운 고체 윤활제 계열을 발견하지 못했을 것입니다. 이러한 발견은 극한 온도에서 자체 윤활 합금을 설계하는 유망한 접근 방식을 강조합니다."


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250203163904.htm

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