ORNL 팀, 탄소 개발

Dec 21, 2023

에너지부 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 과학자들은 슬라이딩 부품에 초윤활성을 부여하는 탄소 나노튜브로 구성된 코팅을 개발했습니다. 이는 강철과 강철의 마찰을 최소 100배 이상 줄여줍니다. 코팅에 관한 논문은 Materials Today Nano 저널에 게재되었습니다.

초윤활성은 미끄러짐에 대한 저항이 거의 없는 특성입니다. 그 특징은 0.01 미만의 마찰 계수입니다. 이에 비해 건조한 금속이 서로 미끄러질 때 마찰계수는 약 0.5입니다. 오일 윤활제를 사용하면 마찰 계수가 약 0.1로 떨어집니다. 그러나 ORNL 코팅은 마찰계수를 초윤활성 기준보다 훨씬 낮은 0.001까지 줄였습니다.

연구를 위해 연구자들은 강철판에 탄소 나노튜브를 성장시킨 다음 트라이보미터(tribometer)라는 기계를 사용하여 판을 서로 마찰시켜 탄소 나노튜브 부스러기를 생성했습니다.

다중벽 탄소 나노튜브는 강철을 코팅하고 부식성 습기를 차단하며 윤활유 저장고 역할을 합니다. 처음 증착되면 수직으로 정렬된 탄소나노튜브가 풀잎처럼 표면에 서 있습니다. 강철 부품이 서로 지나갈 때 본질적으로 "잔디를 자르는 것"입니다. 각 블레이드는 속이 비어 있지만 치킨 와이어처럼 인접한 육각형으로 배열된 원자적으로 얇은 탄소 시트인 여러 층의 롤링된 그래핀으로 구성됩니다. 면도로 인해 파손된 탄소 나노튜브 파편이 접촉 표면에 재침착되어 마찰을 거의 0으로 줄이는 그래핀이 풍부한 마찰막을 형성합니다.

Kumaraet al.

새로운 나노튜브는 손상될 때까지 초윤활성을 제공하지 않습니다.

탄소나노튜브는 마찰로 인해 파괴되지만 새로운 것이 됩니다. 중요한 부분은 부서진 탄소나노튜브가 그래핀 조각이라는 점입니다. 이러한 그래핀 조각은 번지고 접촉 영역에 연결되어 공정 중에 형성된 코팅인 트리보필름(tribofilm)이 됩니다. 그런 다음 두 접촉 표면 모두 그래핀이 풍부한 코팅으로 덮여 있습니다. 이제 서로 비비면 그래핀 위의 그래핀이 됩니다.

초윤활성을 달성하려면 오일 한 방울이라도 존재하는 것이 중요합니다.

우리는 기름 없이 사용해 보았습니다. 작동하지 않았습니다. 그 이유는 오일이 없으면 마찰로 인해 탄소나노튜브가 너무 공격적으로 제거되기 때문입니다. 그러면 트리보필름은 제대로 형성되지 않거나 오래 살아남을 수 없습니다. 마치 기름이 없는 엔진과 같습니다. 몇 분 안에 담배를 피우는 반면, 기름이 있는 담배는 몇 년 동안 쉽게 담배를 피울 수 있습니다.

ORNL 코팅의 뛰어난 미끄러움으로 지속력이 뛰어납니다. 500,000회 이상의 마찰 주기 테스트에서도 초윤활성이 지속되었습니다.

연구진은 새로운 초윤활성 코팅에 대한 특허를 신청했습니다.

ORNL의 실험실 감독 연구 및 개발 종자 프로그램은 개념 증명 작업에 대한 초기 지원을 제공했습니다. 그런 다음 DOE의 EERE에 있는 태양 에너지 기술 사무소와 차량 기술 사무소가 후속 연구를 지원했습니다.

자원

Chanaka Kumara, Michael J. Lance, Jun Qu(2023) "희생 탄소 나노튜브 코팅에 의한 거대 규모의 초윤활성", Materials Today Nano doi: 10.1016/j.mtnano.2022.100297.

2023년 6월 8일에 게시됨: 마찰, 그래핀, 시장 배경, 나노기술 | 고유링크 | 댓글(2)