In this study, the hydrophobicity properties for riblet surfaces that replicate shark skin are simulated. Riblet surfaces with surface roughness on riblets are generated numerically based on the measured data of real shark skin. We assumed that a rib on a scale is hemi-elliptical surface. The surface used in the simulation for the calculation of contact angle is composed of 9 scales like checkerboard type with a roughness. The contact angle of a water droplet can be calculated using the Wenzel equation and Cassie-Baxter equation for the generated riblet surfaces. The variation of contact angles with a fractional depth of penetration for the generated shark skin surfaces without and with coatings is demonstrated in the condition of solid-air-water. The results show that the contact angle for the surface without coating decreases with an increase of the fractional depth of penetration more drastically than that for the surface with coating. We compared the experimental and simulated results. It is shown that the measured contact angles of the shark skin template and the shark skin replica are within the simulated results. Therefore the contact angle of water droplet for rough surfaces can be estimated by the developed numerical method in this study.
O-ring seal is an essential component in various mechanical apparatuses for a sealing of oil container and pressure vessels. This paper presents the sealing pressure and compressive contact behaviors of hi-polymer O-rings, which is made by an outer shell of FFKM material and an inner solid ring of FKM one. The contact normal pressure and its ratios are measured by experimental method with an automatic control system of the working temperature and analyzed numerically by using the non-linear Marc FEM program. The results show reasonably good agreements between the computed FEM results and measured ones when the operating temperature is kom normal temperature of $18^{\circ}C$ and a high temperature of $300^{\circ}C$ But the compared values between the computed and tested results show a little difference because of the increased temperature, which is related to the non-linear parameter of the O-ring material. Bi-polymer 0-ring shows a good contact normal stress and compression behavior for a given operation temperature and compression ratio.
The surfaces of machine components in sliding contact such as bearing, gears and pistons etc. frequently operate under the condition of mixed lubrication due to high load, high speed and slip. These machine components often undergo the inception of scuffing in practical application. The scuffing failure is a critical problem in modern machine components, especially for the requirement of high efficiency and small size. However, it is difficult to find a universal mechanism to explain all scuffing phenomena because there are so many factors affecting the onset of scuffing. In this study, scuffing experiments are conducted using Acoustic Emission(AE) measurement by an indirect sensing approach to detect scuffing failure. Acoustic Emission(AE) signal has been widely utilized to monitor the interaction at the friction interface. Using AE signals we can get an indication about the state of the friction processes, about the quality of solid and liquid layers on the contacting surfaces in real time. The FFT(Fast Fourier Transform) analyses of the AE signal are sued to understand the interfacial interaction and the relationship between the AE signal and the state of contact is presented.
Graphene, the building block of graphite, is one of the most promising materials due to their fascinating electronic transport properties. The pseudo-two-dimensional sp2 bonding in graphene layers yields one of the most effective solid lubricants. In this poster, we present the correlation between electrical and nanomechanical properties of graphene layer grown on Cu/Ni substrate with CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The electrical (current and conductance) and nanomechanical (adhesion and friction) properties have been investigated by the combined apparatus of friction force microscopy/conductive probe atomic force microscopy (AFM). The experiment was carried out in a RHK AFM operating in ultrahigh vacuum using cantilevers with a conductive TiN coating. The current was measured as a function of the applied load between the AFM tip and the graphene layer. The contact area has been obtained with the continuum mechanical models. We will discuss the influence of mechanical deformation on the electrical transport mechanism on graphene layers.
This study presents the development of an integrated oil purification system consisting of moisture removal, oil flushing, and oil filtering devices. In this system, the oil flushing device is combined with a micro-bubble generator. Oil purification is necessary for ensuring the high performance of the lubricant through the efficient removal of contaminants and thus enables good maintenance of mechanical systems. The developed purification system removes moisture, varnish, and solid particles. Moreover, during oil purification, the oil flushing device separates foreign materials and contaminants remaining in the lubricating oil piping or mechanical systems. The microbubble generator, which is combined with the oil flushing device, can separate harmful contaminants, such as sludge, wear particles, and rust, from piping or lubrication systems through the cavitation effect. Moisture is removed using a double high-vacuum chamber, while sludge and varnish are removed via electro-absorption using a high-voltage generator. Additionally, the total maintenance cost of the system is reduced through the use of domestically fabricated cartridge filters composed of glass fiber and cellulose. The heater, which maintains the temperature of the lubricant at 60℃, can process 41,000 L of lubricant simultaneously. Multiple tests confirmed that the proposed integrated purification system exhibits good performance in oil flushing and removal of water and varnish.
Pin-to-disc wear testing experiments were conducted to investigate the wear characteristics of commercial oil (5W-40) with nano-diamond particles. The upper specimen was a SUJ-2 high-carbon chromium steel ball with a diameter of 4 mm, and the lower specimen was made of the Al-6061 alloy. The applied load was 5 N, and the sliding speed was 0.25 m/s. The wear tests were conducted at a sliding distance of 500 m. The friction coefficients and wear rates of the Al-6061 specimens were tested using commercial oil with different nano-diamond concentrations ranging from 0 to 0.02 wt.%. The addition of nano-diamond particles to commercial oil reduced both the wear rate and coefficient of friction of the Al-6061 alloy. The use of nano-diamond particles as a solid additive in oil lubricants was found to improve the tribological behavior of the Al-6061 alloy. For the Al-6061 alloy, the optimal concentration was found to be 0.005 wt.% in view of the friction coefficient and wear rate. Further investigation is needed to determine the optimal concentration of nano-diamond particles for various loadings, sliding speeds, oil temperatures, and sliding distances.
Large drill bits may face high hardness ore and high working pressure when working. To optimize the use effect of large drill bits and prolong the use time, it is necessary to add a layer of pressure-resistant, wear-resistant, and low-friction coating on the surface of the drill bit. In this study, CoCrNiAlTi high-entropy alloy coatings and CoCrNiAlTi (70 wt%)-TiC (30 wt%) composite coatings are successfully prepared on Q235 steel by plasma spraying. The CoCrNiAlTi (70 wt%)-TiC (30 wt%) coating consists of FCC solid solution and a small amount of TiC phase. The effect of TiC on the composition phase, microhardness, and elastic modulus of HEA coating is studied by X-ray diffractometer (XRD) and microhardness tester. The effect of TiC on the friction and wear properties of HEA coatings is investigated using a wear tester. By improving the process parameters, the metallurgical bonding between the coating and the substrate is well combined, and a coating without pores and cracks is obtained. The experimental results confirm that the microhardness, elastic modulus, and wear resistance of CoCrNiAlTi-TiC composite coating are better, and the friction coefficient is lower.
This paper presents a molecular dynamics simulation-based numerical investigation of the influence of surface energy on water lubrication. Models composed of a crystalline substrate, half cylindrical tip, and cluster of water molecules are prepared for a tribological-characteristic evaluation. To determine the effect of surface energy on lubrication, the surface energy between the substrate and water molecules as well as that between the tip and water molecules are controlled by changing the interatomic potential parameters. Simulations are conducted to investigate the indentation and sliding processes. Three different normal forces are applied to the system by controlling the indentation depth to examine the influence of normal force on the lubrication of the system. The simulation results reveal that the solid surface's surface energy and normal force significantly affect the behavior of the water molecules and lubrication characteristics. The lubrication characteristics of the water molecules deteriorate with the increasing magnitude of the normal force. At a low surface energy, the water molecules are readily squeezed out of the interface under a load, thus increasing the frictional force. Contrarily, a moderate surface energy prevents expulsion of the water molecules due to squeezing, resulting in a low frictional force. At a high surface energy, although squeezing of the water molecules is restricted, similar to the case of moderate surface energy, dragging occurs at the soil surface-water molecule interface, and the frictional force increases.
본 연구에서는 고체윤활제 중 가장 널리 사용되는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말의 종류와 투입량에 따른 우레아 그리스의 윤활 및 유변학 특성 변화를 연구하여 최적의 윤활시스템을 구축하고자 하였다. 4,4'-메틸렌 다이페닐 다이아이소사이아네이트(MDI), 올레일아민과 시클로헥실아민을 사용하여 우레아 그리스를 합성하고, 분산법 혹은 현탁법으로 중합된 PTFE 분말을 함량별로 투입하여 그리스를 제조하였다. 제조된 그리스의 기본물성, 유변학적 및 트라이볼로지 특성을 비교하였다. 그 결과, PTFE의 첨가량에 따라 우레아 그리스의 주도값은 감소하지만 변화폭은 분산형 PTFE가 상대적으로 더 큰 것으로 확인되었다. 내열성과 동판부식 영향성에서는 두 가지 PTFE 분말 모두 큰 변화가 없는 것을 확인하였다. PTFE 분말의 함량 증가에 따라 전단점도는 상승하였으며, 분산형 PTFE가 점도 상승에 더 효과가 있음을 확인하였다. 손실계수의 값이 1인 점에서 전단응력은 PTFE 분말이 첨가되지 않은 그리스 보다 첨가된 그리스가 더 높았고, 분산형 PTFE가 현탁형 PTFE보다 더 큰 것을 확인하였다. 두 가지 PTFE 분말 모두 우레아 그리스의 마모 감소 효과에 대한 성능 향상은 낮았지만, 내 하중 성능은 분산형 PTFE는 최대 2.5배, 현탁형 PTFE는 최대 5배의 증대 효과가 있는 것을 확인하였다.
In this paper, we present an experimental investigation of the friction coefficient and wear area change of carbon/epoxy and E-glass/epoxy composites depending on the fiber direction (0°/90°). We compared the results of the case where the sliding direction is parallel to the fiber direction (0°) with that of the case where it is perpendicular to the fiber direction (90°). The ball-on-plate wear test equipment was used to cause wear in both directions. Two types of specimens were prepared with thicknesses of 3 mm-one made of carbon fiber reinforced plastic composite (CFRP) and the other of glass fiber reinforced plastic composite (GFRP). A normal force of 20 N was applied to the specimen and the sliding speed was 10 mm/s and the sliding distance was set to 20 m to perform the wear test. The CFRP demonstrates superior tribological characteristics compared to the GFRP. This outcome is attributed to graphitization of carbon, which serves as solid lubricating particles. In addition, both CFRP and GFRP are worn more in the 90° direction than in the 0° direction. This is due to the greater occurrence of fiber breakage and separation in the 90° direction than in the 0° direction. This study is expected to be utilized as basic data for understanding the friction and wear characteristics of CFRP and GFRP composites along the fiber direction and to apply the appropriate material.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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