[논문 리뷰] Super Low Traction under EHD and Mixed Lubrication Regimes

Philippe Vergne|ArXiv.org|2007. 04. 13.

Force Microscopy Techniques and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초저마찰을 특징으로 하는 에라스토하이드로다이내믹(EHD) 및 믹스 루브리케이션 영역에서의 초저마찰 특성을 조사하며, 초마찰성(superlubricity)의 마찰 감소 잠재력이 제한되어 있음에도 불구하고 최근 기술 발전에도 불구하고 마찰 감소 효과가 미미하다는 점을 강조한다. 연구 결과, 일반적인 EHD 마찰 계수(3–6%)는 이미 매우 낮아져 있어 매크로 스케일 응용 분야에서 초마찰성의 기대 효과가 줄어들었으며, 이는 최근 이 분야에 대한 연구가 극히 적은 데 기인할 수 있다.

ABSTRACT

After the pioneered experimental works on superlubricity by Martin et al. on MoS2 [1], Hirano et al. on tungsten and silicon [2] and the further confirmation by Dienwiebel et al. on graphite [3], many groups around the word investigated the occurrence of near frictionless sliding contacts. This large mobilization of tribologists, material sciences specialists and physicists has lead to emerging solutions involving new materials and coatings, the most promising being carbon based like graphite, diamond, carbon composites or diamond-like-carbons. Some of them are currently used in practical applications. The situation is different especially in EHL: the highest friction coefficients are close to 10% when traction fluids are involved, i.e. fluids that have especially designed to transmit the highest friction, and they vary within 3-6% for the rest of lubricants. The range of variation is consequently very narrow and these typical values are really low compared to those obtained in dry contacts: as a consequence the gain expected from a super low traction regime in lubrication will be probably more limited, especially in the case of experiments conducted at the meso or macro scales. This weak perspective could be one explanation on the relatively low number of articles in recent literature dealing with lubricated superlubricity in the above conditions.

연구 동기 및 목표

• 초저마찰성(superlubricity)이 에라스토하이드로다이내믹(EHD) 및 믹스 루브리케이션 영역에서 실현 가능하고 실제 응용에 유의미한 이점이 있는지 평가하는 것.
• 실제 응용에서 기존의 저마찰 루브리케이션제보다 초저마찰 영역이 유의미한 이점을 제공하는지 평가하는 것.
• 최근 EHD 및 믹스 영역에서 윤활된 초마찰성에 대한 연구가 제한적인 이유를 분석하는 것.
• EHD 윤활 상태에서의 실험적 마찰 계수를 건조 상태 또는 베이스 컨택트 상태의 마찰 계수와 비교하는 것.
• 기초 EHD 마찰 계수가 이미 최소 수준에 이르렀을 때 초마찰성이 실질적으로 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.

제안 방법

• MoS2, tungsten, silicon, graphite 등의 연구를 포함한 초마찰성 관련 실험 문헌 검토.
• 특히 트랙션 유체 및 전통적 윤활제에 대해 EHD 및 믹스 루브리케이션 영역에서 보고된 마찰 계수 분석.
• EHD 시스템에서 관찰된 마찰 계수 범위(3–6%)를 건조 상태 또는 베이스 컨택트 상태의 마찰 계수와 비교.
• 매크로 스케일 시스템에서 초저마찰을 달성하는 데 이론적 및 실용적 함의 평가.
• 탄소 기반 코팅 등 재료 선택이 윤활 접촉에서 저마찰을 달성하는 데 미치는 영향 평가.
• 공개된 연구 데이터를 바탕으로 EHD 조건에서 초마찰성이 기대하는 성능 향상이 제한될 것임을 유추하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 윤활제 및 트랙션 유체를 사용한 EHD 및 믹스 루브리케이션 영역에서 관찰된 마찰 계수의 범위는 무엇인가?
• RQ2 EHD 시스템의 기초 마찰은 건조 상태 또는 베이스 컨택트 상태의 마찰과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 왜 EHD 및 믹스 영역에서 윤활된 초마찰성에 대한 최근 연구가 상대적으로 적은가?
• RQ4 매크로 스케일 EHD 시스템에서 초저마찰을 달성하는 데 기대되는 실질적 이점은 무엇인가?
• RQ5 EHD 시스템이 이미 매우 낮은 마찰을 보일 경우 초마찰성이 얼마나 실질적인 마찰 감소를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• EHD 윤활 영역에서의 마찰 계수는 일반적으로 3%에서 6% 사이이며, 트랙션 유체의 경우 최대 10%에 이를 수 있다.
• 이 값들은 건조 상태 또는 베이스 컨택트 상태에서 관찰된 값보다 이미 유의미하게 낮다.
• EHD 마찰 계수의 좁은 변동 범위는 초마찰성을 통해 추가로 향상시킬 여지가 적다는 것을 시사한다.
• EHD 시스템에서 초마찰성의 기대 성능 향상이 미미하기 때문에 이 분야의 최근 연구가 제한되어 있음을 설명할 수 있다.
• 건조 상태 또는 베이스 컨택트 상태 시스템에서는 유망한 결과를 보였지만, 매크로 스케일 EHD 응용에서는 초마찰성이 덜 실용적인 이점을 제공한다.
• 흑연, 다이아몬드, DLC와 같은 탄소 기반 재료는 초마찰성에 유망한 잠재력을 보이지만, 이미 낮은 기초 마찰 수준을 보이는 EHD 환경에서는 영향이 제한된다.