가혹한 조건 하에서의 폴리이미드 마찰 특성 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-18

폴리이미드(Polyimide) 및 복합물은 양호한 기계 성능, 화학 물리 성능 등을 보유하고 있기 때문에 공정 분야에서 폭넓게 응용되고 있다. 하지만 복잡한 환경 속에서 외부의 가혹한 조건(Harsh conditions)의 영향을 받게 되면 성능 면에서 변화가 발생하여 기계 부품의 수명과 안정성이 영향을 받게 되며 기계 고장을 발생시키게 된다. 중국과학원 란저우(蘭州) 화학물리 연구소 산하 `폴리머 자체 윤활 복합 재료 연구팀`은 최근 관련 연구를 통해 가혹한 조건(Harsh conditions) 하에서의 폴리이미드(Polyimide) 성능 변화에 대한 연구를 실행하여 혁신적인 성과를 취득하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 다양한 상이한 수 평균 분자량(Different number average molecular weight)(Mn)의 열경화성 폴리이미드 올리고머(Thermosetting polyimide oligomer)를 합성하였을 뿐만 아니라 해당 가교(corresponding crosslinking) 후의 열경화성 폴리이미드(TPI)를 개발하였으며 고온 하에서의 TPI 마찰 성능의 변화 및 Mn이 마찰 성능에 끼치는 영향을 분석하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 실온과 높은 회전 속도 하에서 열 가소성 폴리이미드에 비해 TPI의 마모율이 비교적 높다는 점을 입증하였다. 동시에 온도가 300℃에 달할 때 TPI 샘플은 양호한 마찰 성능을 나타내며 이런 마찰 성능은 열 가소성 폴리이미드를 대폭 초월한다는 점을 입증하였다. 마모 메커니즘을 보면 열 가소성 폴리이미드는 주로 접착 마모에 속하는 것으로 나타났다. 하지만 온도가 향상됨에 따라 TPI 샘플의 마모 메커니즘은 피로 마모에서 접착 마모로 전환하게 된다. 실온 하에서 Mn의 증가에 따라 TPI 마모 메커니즘은 미약한 접착 마모에서 강한 접착 마모로 전환하게 된다. 고온 하에서는 TPI-5(Mn: 5000), TPI-7(Mn: 7000)과 상동 열가소성(Homologous thermoplastic) 폴리이미드에 비해 TPI-3(Mn: 3000)은 더욱 이상적인 마찰 성능을 나타내고 있다. 이런 상황에 근거하여 연구팀은 폴리이미드의 올리고머(oligomers) 속 Mn은 유리화 전이 온도, 기계 및 마찰학 성능에 대해 영향을 끼치는 중요한 요소에 속한다는 연구 결론을 도출하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 Tribology International 학술지에 발표되었다(l78(2014)47–59). 폴리이미드가 진공 속에서 양호한 마찰 마모 성능을 나타내고 있다. 하지만 현재까지 관련 양성자 조사 깊이(Proton irradiation depth)와 마모 메커니즘 진화 관계에 대해 발표한 연구 결과는 매우 적은 상황이다. 중국과학원 란저우(蘭州) 화학물리 연구소 연구팀은 지상 시뮬레이션 설비를 사용하여 25keV 양성자 조사(플루엔스(Fluence)는 2.25×1017 ion/cm2 수준에 달함)가 폴리이미드 구조와 마찰 성능에 끼치는 영향을 분석하였다. 이번 분석을 통해 연구팀은 양성자 조사(조사 깊이는 514nm 수준에 달함)는 본드 파열(Bond rupture)을 발생시켜 폴리이미드로 하여금 표면에 풍부한 탄소 구조를 형성하여 폴리이미드의 표면 경도와 표면 에너지를 강화하고 폴리이미드로 하여금 단단하지만 부서지기 쉽게 한다는 점이 입증되었다. 연구팀은 조사를 통한 폴리이미드 마찰에 대한 테스트를 통해 마찰 계수의 변화와 재료 표면은 밀접히 관련되어 있다는 점을 발견하였다. 마찰 실험 과정에서 조사가 형성한 탄소화 층은 마찰 테스트 과정에서 마찰로 인해 관통되기 때문에 마찰 과정은 시작 단계와 안정 단계로 분류된다. 시작 단계에서 조사로 인해 형성된 탄소화 층과 철강 구(球)의 마찰은 마찰 계수가 비교적 높고 마모 메커니즘은 접착 마모인 것으로 나타났다. 동시에 안정적인 상태 하에서 마모되어 버린 탄소층이 마모 조각으로 변화되어 표면에 흡착되는 것으로 나타났다. 비교적 높은 경도와 비교적 작은 사이즈 때문에 3체 연마제 마모를 형성한다. 3체 연마제 마모와 낮은 표면 에너지는 안정 단계의 마모율과 마찰계수를 감소시키는 것으로 나타났다. 연구팀의 관련 연구 결과는 Wear 학술지에 발표되었다(316(2014)30–36). 이번 연구는 폴리이미드가 가혹한 환경 속에서의 응용을 위해 중요한 과학적 근거를 제공해 주고 있다. 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘걸출(杰出) 청년 과학자 연구 기금’ 지원을 받아 실행되었다. 그림 1. 양성자 조사 폴리이미드 마모 메커니즘 진화 과정 표시도임. 20141215.1.jpg http://www.cas.cn/syky/201412/t20141208_4271514.shtml