자기장에 따른 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상 연구

Stick-slip Characteristics of Magnetorheological Elastomer under Magnetic Fields

Abstract

This paper investigates the stick-slip characteristic of magnetorheological elastomer (MRE) between an aluminum plate and the surface of the MRE. MRE is a smart material and it can change its mechanical behavior with the interior iron particles under the influence of an applied magnetic field. Stick-slip is a movement of two surfaces relative to each other that proceeds as a series of jerks caused by alternate sticking from friction and sliding when the friction is overcome by an applied force. This special tribology phenomenon can lead to unnecessary wear, vibration, noise, and reduced service life of work piece. The stick-slip phenomenon is avoided as far as possible in the field of mechanical engineering. As this phenomenon is a function of material property, applied load, and velocity, it can be controlled using the characteristics of MRE. MRE as a soft smart material, whose mechanical properties such as modulus and stiffness can be changed via the strength of an external magnetic field, has been widely studied as a prospective replacement for general rubber in the mechanical domain. In this study, friction force is measured under different loads, speed, and magnetic field strength. From the test results, it is confirmed that the stick-slip phenomenon can be minimized under optimum conditions and can be applied in various mechanical components.

1. 서 론

미끄럼 마찰이 일어날 때 속도에 따라 마찰 특성이 정마찰(static friction)에서 동마찰(kinetic friction) 로 바뀌는 현상이 발생한다. 스틱 슬립이란 정마찰과 동마찰이 번갈아 일어나는 현상이다. 스틱 슬립은 진동과 소음을 발생시키기 때문에 부품을 제작하는 산업 현장에서 부품의 정밀도를 떨어뜨리는 등 문제를 야기한다. 따라서 기계분야에서 스틱 슬립 현상을 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

자기유변탄성체는 천연고무나 실리콘 고무와 같은 폴리머 재료 안에 자기장에 의해 극성을 이룰 수 있는 입자들을 첨가한 탄성체이다. 외부 자기력에 의해 전단응력, 강성 등 기계적 성질이 변화할 수 있는 특성을 가지고 있다. 따라서 자기유변탄성체의 이러한 특성을 다양한 기계시스템 분야에 적용 및 응용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-11]. 또한 자기장에 따른 자기유변탄성체의 트라이볼로지 특성에 대한 연구도 지속적으로 진행되고 있으며[12], 자기유변탄성체의 마찰제어 적용 연구[13], 향상된 폴리우레탄 기반 자기유변탄성체의 마찰 마모 특성 연구[14] 등의 연구들이 진행되고 있다. 재료의 강성이 변화하게 되면 스틱 슬립 현상에도 영향을 줄 수 있으므로 자기유변탄성체의 스틱 슬립 특성에 대한 연구가 필요하다. 2011년도 한국윤활학회 추계학술대회에서 자기장의 유무에 따른 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상의 변화에 대해 발표한 바와도 같이, 스틱 슬립 현상은 재료의 특성, 하중, 속도 조건과 밀접한 관계를 가지므로 본 연구를 통해 부하 하중, 속도와 자기장 조건을 변화시킴으로써 스틱 슬립 현상을 제어할 수 있는 것을 볼 수 있다.

본 연구에서는 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상을 확인하기 위하여 각기 다른 속도, 하중과 자기장 세기 등의 조건하에서의 마찰력을 측정하였다. 시간에 따라 측정된 마찰력의 변화를 통해 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상을 확인하였다.

 

2. 자기유변탄성체의 제작

자기유변탄성체는 자기유변재료 중 하나로써, 천연 고무나 실리콘 고무와 같은 폴리머 재료 안에 외부 자기장에 의해 극성을 이룰 수 있는 입자들을 첨가한 탄성체이며, 자기장을 인가하면 내부 철입자가 자기장 방향으로 압축하여 자기유변탄성체 전체를 이끌어서 자기장 방향으로 압축하여 강성을 변화시킨다.

본 연구에서 사용된 자기유변탄성체는 실리콘 기반으로 제작하였고, 사용된 철 입자의 크기는 10 μm 이며 투입비율은 79.8±2.0% 이다. 제작 시 140℃의 온도로 60분 동안 경화하고 80℃의 온도로 냉각시켰다. 지름이 60 mm, 두께가 15 mm의 자기유변탄성체(Fig. 1)를 사용하였다.

Fig. 1.Dimension of MR elastomer.

 

3. 실험 장비 및 조건

자기유변탄성체의 스틱 슬립 실험을 수행하기 위하여 자기유변탄성체 스틱 슬립 시험기를 설계하여 제작하였다. Fig. 2는 제작된 스틱 슬립 시험기이다. 시험기는 전자석, 자기유변탄성체, 슬라이더, 푸쉬풀 게이지, 파워 서플라이로 구성된다. 전자석 밑에 자기유변탄성체를 놓고, 전자석(80 mT) 위에 하중이 작용하며, 전자석과 자기유변탄성체를 고정하는 플라스틱 케이스와 푸쉬풀 게이지를 연결한다. 푸쉬풀 게이지는 슬라이더와 연결해서 슬라이딩 시 마찰력을 측정한다. 자기유변탄성체 실험에서 철 금속을 사용할 경우 자기장에 영향을 받아 실험 데이터에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 시험기는 자기장의 영향을 받지 않는 알루미늄이나 플라스틱으로 제작하였다.

Fig. 2.Schematic diagram of stick-slip tester.

스틱 슬립 현상은 속도와 하중의 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 외부 자기장을 변화하면서 다양한 슬라이딩 속도, 부하 하중을 적용하여 스틱 슬립 현상을 연구하였다. 본 연구의 실험 조건은 Table 1과 같다. 실리콘 기반의 자기유변탄성체는 부드러운 성질을 가지고 있으므로 보통 저 하중 조건에만 적용 가능하기 때문에 이번 실험에서는 1.0, 1.2, 1.5, 2.0 kgf의 하중을 고려하여 진행하였으며 속도 조건은 20, 10, 1mm/s로 진행하였다.

Table 1.Conditions of stick-slip test

 

3. 결과 및 분석

본 연구에서는 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상을 알아보기 위하여 다양한 속도와 하중조건에 따른 스틱 슬립 실험을 실시하였다. 실험 진행하기 직전에 경도 측정기(Mitutoyo HH-300 shore durometer)로 자기장을 인가할 때와 인가하지 않을 때의 경도(강성)을 측정하였으며 결과는 Table 2에서 확인할 수 있다. 자기장을 인가할 때에 자기유변탄성체의 강성이 증가하는 것을 확인하였다. Fig. 3과 Fig. 4는 다양한 속도, 하중조건 하의 자기유변탄성체를 이용한 스틱 슬립 실험의 측정 결과 그래프를 보여준다. Fig. 3(a)-(f)와 Fig. 4(g)-(l)는 각 Test (a)-(l)의 실험 결과이다.

Table 2.Hardness change of MR elastomer under magnetic field

Fig. 3.Results of friction force each tests under the condition of load 1.0 kgf and velocity 20, 10, 1 mm/s, respectively. (a)/(c)/(e) - without a magnetic field, (b)/(d)/(f) - with a magnetic field.

Fig. 4.Results of friction force each tests under the condition of velocity 1 mm/s and load 1.2, 1.5, 2.0 kgf, respectively. (g)/(i)/(k) – without a magnetic field, (h)/(j)/(l) – with a magnetic field.

Fig. 3(a), (c), (e)는 자기장을 인가하지 않을 때 일정한 하중(1.0 kgf) 조건에 속도가 20, 10, 1 mm/s 의 실험 결과이며 Fig. 3(b), (d), (f)는 자기장을 인가할 때 일정한 하중(1.0 kgf) 조건에 속도가 20, 10, 1 mm/s의 실험 결과이다. Fig. 3(a)와 (b)를 비교해 보면 자기장을 인가할 때 마찰력 변화 주파수가 증가하였다. 자기장을 인가하면 자기유변탄성체의 강성이 증가하여 서로 접촉되는 알루미늄 판과 강성 차이가 줄어 스틱 슬립 현상이 줄어드는 것을 볼 수 있다. Fig. 3(c)와 (d)도 같은 현상을 나타났다. 이 결과는 위 결과와 마찬가지로 자기장을 인가하면 자기유변탄성체의 강성이 증가하여 서로 접촉되는 알루미늄판과 강성 차이가 줄어 스틱 슬립 현상이 줄어든다. 실험조건 1 mm/s의 속도와 1.0 kgf의 하중의 실험 결과인 Fig. 3(e)와 (f)를 비교해보면 마찰력 변화 주파수가 큰 차이가 없는 것을 볼 수 있다. 1.0 kgf의 하중조건하에서 1 mm/s의 작은 속도에서는 자기장의 유무가 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상에 큰 영향을 끼치지 않는 것을 볼 수 있다. 이론적으로는 속도와 동 마찰력의 관계가 없지만 여러 실제 실험에서는 속도가 빠를수록 동 마찰력이 작아지는 것이 밝혀졌다. 이 때문에 속도가 느릴수록 동 마찰력이 증가하여 정 마찰력과 가까이 되는 것을 볼 수 있다. 정·동 마찰력의 차이가 줄어들어 스틱 슬립 현상도 작게 나타나게 된다. 속도가 1 mm/s까지 느려질 때, 스틱 슬립 현상이 크게 발생하지 않아 자기장을 인가해도 스틱 슬립 현상의 마찰력 변화 주파수에 영향을 주지 않을 것으로 예상한다.

하중이 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상에 미치는 영향을 확인하기 위해 다양한 하중 조건으로 실험을 진행하였다. Fig. 4(g), (i), (k) 는 자기장을 인가하지 않을 때, 일정한 속도(1 mm/s) 조건하에서 하중이 1.2, 1.5, 2.0 kgf의 실험결과이며 Fig. 4(h), (j), (l)는 자기장을 인가할 때 일정한 속도(1 mm/s) 조건하에서 하중이 1.2, 1.5, 2.0 kgf의 실험결과이다. Fig. 4(g)와 (h)를 비교해 보면 마찰력 변화 주파수의 차이가 크게 나타나지 않음을 볼 수 있다.

Fig. 4(i)와 (j)를 비교해 보면 1.2 kgf 조건하에 나타난 결과와 같이 자기장의 유무에 따라 마찰력 변화 주파수의 차이가 크게 나타나지 않았으나 90초 후에 자기장을 인가하지 않는 조건에서 마찰력의 변화폭이 크게 증가하였으며, 자기장을 인가하는 조건에서 마찰력 변화 주파수가 크게 변화하지 않는 것을 볼 수 있다. Fig. 4(k)와 (l)도 같은 현상을 보였다. 하중이 클 때 자기장을 인가하면 자기유변탄성체의 마찰력 안정성에 도움 주는 것을 알 수 있다.

Table 3는 평균 마찰력과 표준편차를 정리한 결과이다. 스틱 슬립 실험 동안 마찰력 변화 안정한 구역의 데이터를 선정하였다. 자기장을 인가할 때(Test b, d, f, h, j, l) 자기유변탄성체의 강성이 증가하여 마찰력이 자기장을 인가하지 않을 때(Test a, c, e, g, i, k) 보다 작아져야 했으나 실험 결과를 통해 자기장을 인가할 때의 마찰력이 더 크게 나타난 것을 볼 수 있다. 이러한 현상이 발생하는 이유는 실리콘 기반인 자기유변탄성체의 성질이 연한 편이기 때문이라고 추측된다. 자기장을 인가하지 않는 상태에서 슬라이딩 마찰 실험을 할 때, 운동을 야기하는 견인력에 의해 자기유변탄성체가 한 쪽 방향으로 운동하게 된다. 이는 자기유변탄성체의 연한 성질로 인해 마찰 접촉 시 실제적인 면적이 이론적인 면적보다 작기 때문이다. 실리콘 기반 자기유변탄성체는 워낙 부드러운(10.5-12.5 HA) 재질이라 자기장을 인가하지 않는 상태에서 실험을 시작할 때는 실제 접촉 면적이 이론 접촉 면적의 50% 정도만 된다. 자기장을 인가하는 상태에서 실험을 진행할 때 자기유변탄성체의 강성이 증가하여 접촉 표면이 밑 알루미늄 판에 붙어 접촉 면적이 자기장을 인가하지 않을 때 보다 클 수 있다. 이 때문에 자기장이 인가할 때 자기유변탄성체의 강성이 증가했지만 마찰력의 크기가 자기장이 인가하지 않을 때보다 클 수도 있다.

Table 3.Average friction force and SD of test (a)-(l) with Fig. 3 and 4

표준편차를 보면 Test a와 b를 빼고 자기장을 인가할 때의 마찰력의 표준편차가 자기장을 인가하지 않을 때 보다 작게 나타났다. 자기장을 인가하면 마찰력의 표준편차가 줄어들어 스틱 슬립 현상이 작아지는 것을 확인하였다. Test a와 b는 속도가 빨라서 실험 시스템의 불안정을 야기 할 수 있기 때문에 오차가 발생된 것으로 예상된다. 또한 마찰 속도가 클수록 마찰력의 크기가 작게 나타나는 것을 확인하였으며 하중이 클 때는 마찰력의 크기가 크게 나타나는 것을 확인하였다.

위 실험 결과를 통하여 자기장을 인가하면 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상을 특정 조건에서 개선할 수 있는 것을 확인하였고, 자기장 제어를 통한 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상의 제어가 가능한지 여부를 실험을 통하여 검증하였다. 실험 결과는 Fig. 5(a)-(d)에 나타났다. Fig. 5(a), (b)는 1 mm/s의 속도조건 하에서 1.0 kgf와 1.3 kgf의 하중을 가할 때의 실험 결과이다. 실험 시작 후 약 80초 전 까지는 자기장을 인가하지 않는 조건하의 실험 결과이며 약 80초 후부터는 자기장을 인가한 조건 하의 실험 결과이다. Fig. 5 (c), (d)는 5 mm/s 의 속도조건 하에서 1.0 kgf와 1.3 kgf의 하중을 가할 때의 실험 결과이다. Fig. 5(a), (b)와 같이 자기장을 인가하지 않는 상태에서 기존 실험거리의 절반(15 s)을 실험을 진행하고, 자기장을 인가한 상태에서 나머지 실험을 진행하였다. 1 mm/s의 속도조건에서는 자기장을 인가해도 역시 스틱 슬립 현상이 미미하기 때문에 마찰력 변화 주파수가 크게 변화되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 자기장을 인가하였을 때 5 mm/s의 속도 조건에서는 1 mm/s의 속도 조건에서 보다 마찰력 변화 주파수가 크게 나타남을 확인 할 수 있었다.

Fig. 5.Results of friction force each tests. (a)-(b), velocity 1 mm/s, load 1.0 and 1.3 kgf, respectively. (c)-(d), velocity 5 mm/s, load 1.0 and 1.3 kgf, respectively.

Table 4는 결과 데이터로 정리한 평균 마찰력과 표준편차 결과표이다. 자기장을 인가시키면 마찰력 크기가 모두 20% 가량 감소하는 것을 볼 수 있다. 자기장을 실험 중간에 인가하는 경우, 자기유변탄성체와 알루미늄 판의 접촉 면적이 그대로 유지되며 강성만 변화하는 것을 확인 하였다. 이 때문에 자기장을 인가하였을 때 마찰력의 크기가 감소할 것으로 예상한다. 자기장을 인가하였을 때 마찰력 표준편차가 자기장을 인가하지 않을 때보다 작게 나타났다. 이를 통하여 자기장을 인가하면 스틱 슬립 현상이 줄어드는 것을 확인하였다.

Table 4.Average friction force and SD of test (a)-(l) with Fig. 5

 

4. 결 론

본 논문에서는 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상을 분석하기 위한 실험을 실시하였다. 자기유변탄성체의 스틱 슬립 특성을 분석하기 위하여 자기유변탄성체 스틱 슬립 마찰 시험기를 제작하였고, 특성을 분석하기 위하여 자기장의 부하 유무와 속도, 하중 조건에 따른 실험을 실시하였다. 속도가 클 수록 자기장이 자기유변탄성체의 스틱 슬립 현상이 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 부하 하중이 클 때, 자기장을 인가하면 마찰력 변화의 안정성이 높아지는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과로 추후 여러 기계, 건축 분야의 스틱 슬립 연구에 적용될 수 있을 것이다.