미끄러운 엔지니어링 세라믹 소재는 어떻게 정제되나요?

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구조용 세라믹은 높은 경도, 강도, 강성, 저밀도, 우수한 화학적 안정성, 고온에서의 우수한 기계적 특성으로 인해 다양한 조건에서 널리 사용되고 있으며 최고의 내마모성 부품 중 하나로 자리 잡았습니다.

그러나 건식 마찰 조건에서는 세라믹 소재가 세라믹 또는 금속과 결합될 때 마찰 계수와 마모율이 더 높습니다. 연구에 따르면 마찰 계수는 일반적으로 0.7에서 0.9 사이이며 심한 마모로 인해 고장 나기 쉽습니다. 따라서 세라믹 소재의 효과적인 윤활 또는 자체 윤활을 실현하는 것은 엔지니어링 응용 분야를 확장하는 데 큰 의미가 있습니다.

전통적인 세라믹 윤활 기술 및 자체 윤활

현재 엔지니어링에 사용되는 일반적인 구조 세라믹은 주로 액체, 그리스 및 윤활제에 의해 윤활됩니다. 그러나 이러한 전통적인 윤활 방식에는 많은 단점이 있습니다. 예를 들어, 윤활제의 첨가제는 세라믹 표면과 상호 작용하지 않아 완전히 접촉 할 수있는 경계 필름을 형성하지 않으며, 기존 윤활제의 점도는 온도가 증가함에 따라 기하 급수적으로 감소하여 미세 볼록체와 직접 접촉하고, 액체 윤활제의 특성 감쇠는 고온에서 쉽게 발생하며 윤활제를 사용하면 환경에 특정 오염을 일으킬 수 있습니다.

Silicon Nitride Bearing Balls

자체 윤활 세라믹에 대한 연구는 세라믹 재료의 높은 마찰 계수와 마모율 문제를 해결하는 중요하고 효과적인 방법을 제공합니다.

세라믹 재료의 자체 윤활 기능을 실현하는 방법

현재 세라믹 자체 윤활 재료는 세 가지 방법으로 실현할 수 있습니다.

1. 단일 재료의베이스는 자체 윤활입니다.

일부 세라믹 재료 자체(자체 매칭 쌍)는 특정 조건에서 자체 윤활 현상을 일으킬 수 있습니다. 일반적으로 그 이유는 마찰 반응이 발생하거나 외부 윤활 매체의 보조 작용으로 자체 윤활 성능이 실현되기 때문입니다.

예를 들어, 알루미나 세라믹은 내마모성 재료로 널리 사용되고 있으며 고온 마찰 특성에 대한 많은 연구 결과가 발표되었습니다. 연구 결과에 따르면 1000 ℃에서 알루미나는 마찰 마모 과정에서 페어링 이후 감소하고 동적 재결정화 표면에 마찰이 발생하여 미세 입자 구조를 형성합니다. 또한 유리질 재료, 미세 결정 구조 및 유리질 재료의 형성은 마찰 접촉 계면의 거칠기를 줄이고 마찰 특성을 향상시키는 것으로 나타났습니다.

silicon nitride ceramic bearing

2. 유기 반응은 특정 조건에서 윤활 물질을 생성합니다.

일부 자체 윤활 재료는 재료의 첨가제를 사용하여 특정 조건에서 서로 반응하거나 공기 중의 산소와 반응하여 윤활 기능을 가진 물질을 형성하고 마찰 표면에서 필름을 드래그하여 윤활 목적을 달성합니다. 이 방법으로 얻은 재료는 재료의 기계적 특성에 고체 윤활제를 첨가하는 부작용을 피할 수 있습니다. 윤활 필름은 재료 표면의 고온에서 마찰 화학 반응을 통해서만 생성 될 수 있으므로이 자체 윤활 세라믹 재료는 고온 마찰 하에서 우수한 자체 윤활 능력을 가지고 있습니다.

3. 고체 윤활제가 재료 매트릭스에 직접 추가됩니다.

현재 대부분의 자체 윤활 재료의 자체 윤활 기능은 재료 매트릭스에 일정 수의 고체 윤활제를 추가하여 실현되며, 이는 현재 연구의 핫스팟이기도합니다.

* 일반적인 고체 윤활제

일반적인 고체 윤활제에는 흑연, HBN, 이황화몰리브덴 (MoS2), 불화흑연, 불화칼슘 (CaF2) 등이 있습니다. 그 중 HBN은 고온 안정성과 윤활 성능이 더 우수합니다. MoS2, 흑연 및 HBN은 층 구조가 비슷하지만 마찰의 작용으로 처음 두 결정이 깨지기 쉽고 미세 결정 입자는 주변 가스와 화학 반응을 일으키기 쉬워 열화되어 윤활 성능이 저하됩니다. HBN은 경도가 높고 마찰 과정에서 쉽게 깨지지 않는 반면, 백색 HBN 윤활재는 흑연과 유사한 오염을 일으키지 않습니다.

molybdenum disulfide

* 질화규소 세라믹의 자체 윤활 특성 연구

실리콘 질화물 세라믹은 마찰 계수가 낮고 자체 윤활 능력이 우수하며 마찰 계수는 0.02에서 0.35 사이입니다. 재료의 열팽창 계수는 실리콘 카바이드 (SiC), 지르코늄, 멀라이트와 유사하게 작습니다. 열전도율과 내진성이 좋은 질화규소 세라믹은 내열성이 좋은 세라믹입니다.

* 지르코니아 세라믹의 자체 윤활 특성 연구

지르코니아 세라믹은 고온에서 최고의 열 안정성과 단열 성능을 가지고 있으며, 고온에서 세라믹 코팅 및 내마모성 재료에 적합합니다. 하지만 마찰 계수가 너무 높아서 적용이 제한된다는 단점이 있습니다. 지르코니아 세라믹 소재에 대한 연구가 심화됨에 따라 마찰학 연구가 특히 필요합니다. 고체 윤활제를 적용한 지르코니아 세라믹 소재 연구를 통해 고온 마찰 소재로 적용이 가능해졌습니다.

CB0182 탄소(C) 나노튜브

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SC0896 실리콘 카바이드 플레이트(SiC 플레이트)

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BN0999 질화붕소 플레이트/시트(H-BN 플레이트/시트)

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SM4463 실리카 에어로겔 펠트 SAF02

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저자 소개

Chin Trento

Chin Trento는 일리노이 대학교에서 응용 화학 학사 학위를 받았습니다. 그의 교육적 배경은 다양한 주제에 접근할 수 있는 폭넓은 기반을 제공합니다. 그는 Stanford Advanced Materials(SAM)에서 4년 넘게 첨단 소재 관련 글을 쓰고 있습니다. 이 글을 쓰는 주된 목적은 독자들에게 무료이면서도 양질의 자료를 제공하는 것입니다. 그는 독자들이 발견하는 오타, 오류 또는 의견 차이에 대한 피드백을 환영합니다.

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