In this thesis, a hybrid composite journal bearing (HCJB) composed of carbon/phenolic laminated composite bush and steel housing was designed to reduce the possibility of the seizure problem between the journal and bearing.
To estimate the wear resistance of carbon/phenolic composite, wear tests were performed with respect to pressure and velocity. The thermal residual stresses in the composite were calculated to evaluate the reliability of the composite journal bearing with the assumption that the interface of two components of bearing was perfectly bonded. The two components of bearing were assembled by interference fit joining method and a series of durability tests were conducted with the laboratory bench using the lubricants of SAE 30 oil, water, and sea water. The HCJB was also assembled by adhesive joining method. The thermal deformation of composite liner after fabrication was analyzed with respect to stacking sequences using FEM and compared with the experimental results. The effect of thermal residual stress on the adhesive strength of the hybrid composite journal bearing was investigated by performing Chalmers test. In order to improve the tribological behavior of carbon epoxy composites, many small surface grooves of 100㎛ width was created on the surface of the composite, and its characteristics were experimentally investigated with respect to the sliding direction against groove orientation, surface pressure and velocity. The wear mechanism of the composites was observed using a scanning electron microscopic (SEM), from which the relationship between the wear volume and friction coefficient was derived. The tribological behavior of carbon epoxy composites with many small surface grooves were also compared with respect to coating materials such as epoxy and polyethylene mixed with self-lubricating $MoS_2$ and PTFE powders under dry sliding and water lubricating conditions.
대형 선박의 주축을 지지하는 선박용 저널베어링 (Journal bearing) 은 일반적인 저널베어링보다 높은 압력 하에서 낮은 속도로 운행되기 때문에 낮은 Sommerfeld 수를 가지며, Thick film 윤활 상태를 유지하기 어려운 점이 있다. 특히 출발할 때와 정지할 때, 낮은 회전 속도로 인해 충분한 유막 발생이 어려우며 이로 인해 저널 (Journal)과 베어링 사이는 경계 윤활 상태가 된다.
현재 선박용 저널베어링은 주철 하우징에 화이트 메탈(White metal)을 라이닝(Lining) 한 것을 주로 사용하고 있다. 하지만 화이트 메탈의 경우 132~149℃에서 크립(Creep)이 발생하기 때문에 저널과 베어링 사이에 접촉(Contact)이 발생할 경우 마찰열에 의해 융착 (Seizure)이 발생할 수 있다. 실제로 화이트 메탈을 저널베어링에 적용한 대형 선박의 경우 대양을 횡단하는 도중 베어링에 융착이 발생하여, 자가 운항이 불가능한 사례가 발생하고 있으며 이를 견인하는데 막대한 비용이 소요되고 있다.
이러한 화이트 메탈의 융착 문제를 해결하기 위해 일부 대형 선박에는 섬유 강화 복합재료 베어링이 사용되고 있으나, 억지끼워맞춤 (Interference fit)에 의한 장착 시에 발생하는 과도한 압축 응력, 선박 운행 중에 발생하는 흡습열에 의한 압축 응력 등에 의해 파손이 발생하고 있다.
본 연구에서는 이러한 기존 저널베어링 재료의 문제점을 해결하기 위해 탄소/페놀 복합재료 라이너 (Carbon/phenolic composite liner)와 금속 보강재 (Back-up metal)로 구성된 하이브리드 복합재료 저널베어링 (Hybrid composite journal bearing)을 개발하였다.
제 2장에서는 재료의 기계적 물성 실험 결과, 탄소 페놀 복합재료가 기존 베어링 재료인 석면 페놀 복합재료보다 약 2.6 배의 압축강도, 17%의 열팽창계수, 50%의 Swelling을 가짐을 확인하였다. 마모 시험 결과, 탄소 페놀 복합재료의 마모 부피는 기존 재료의 1/10~1/5 정도임을 알 수 있었다. 이러한 재료의 물성 시험 결과로부터 베어링 설계 인자들을 결정하였으며 실측 크기 베어링의 정적 응력 해석 결과, 최대 발생 응력이 재료 강도의 19% 정도임을 확인하였다.
제 3장에서는 하이브리드 복합재료 저널베어링의 접합법에 관한 연구를 수행하였다. 유한요소법을 사용하여 복합재료 라이너와 금속 보강재가 억지끼워맞춤에 의해 접할 될 때 응력 분포를 구하였으며 실험을 통해 이를 검증하였다. 공차 해석으로부터 억지끼워맞춤양을 10㎛, 20㎛로 결정하였으며, 온도에 따른 베어링의 응력 상태를 유한요소법을 사용하여 구한 결과 온도가 -30℃로 하강했을 경우에는 두 가지 억지끼워맞춤 양의 경우 모두 파손에 대해 안전함을 확인하였다. 그러나 억지끼워맞춤 양이 10㎛일 경우 온도가 50℃ 상승했을 때 접촉면에서 미끄럼이 발생함을 알 수 있었다. 따라서 억지끼워맞춤 양이 20㎛ 일 때가 응력에 관한 설계 조건을 모두 만족함을 확인하였다. 500 시간 동안의 내구성 시험 결과 베어링 내면과 축의 외면 어떠한 균열이나 파손이 발생하지 않았음을 확인하였다.
열팽창계수의 차이로 인한 잔류 열응력이 하이브리드 복합재료 저널베어링 (HCJB)의 접착 강도에 미치는 영향을 유한요소 해석 및 실험을 통해 규명하였다. 접착층에서의 성형 잔류 열응력을 줄이기 위해서는 마찰 특성 및 강도가 뛰어난 탄소/페놀 복합재료 라이너의 외면에 유리/에폭시 복합재료를 동시 경화법으로 접합해야 함을 확인하였다. 이 때 최적의 접합 강도를 가지는 조합을 찾기 위해 여러 가지 적층 각도에 따른 Chalmers test를 수행한 결과, 유리/에폭시 복합재료의 비율이 탄소/페놀 복합재료의 비율보다 높은 $[0_{3\_c/p}/90_{16\_g/e}]$ 의 경우가 가장 높은 초기 접합 강도를 보임을 확인하였다.
제 4장에서는 복합재료 저널베어링의 표면을 개선하기 위해 표면 요철을 가지는 탄소 섬유/에폭시 복합재료의 마찰 및 마모 특성에 대해 실험하였다. PV 값이 0.8 MPa.m/s일 경우, 미끌림 방향이 요철 방향에 대하여 수직일 때는 상대적으로 높은 하중과 미끄럼 속도로 인해 요철의 수명이 급격히 감소하여 요철이 없는 시편에 비해 마모 부피 및 마찰 계수가 각각 12%, 14%만큼 증가하였다. 그러나 미끄럼 방향이 요철 방향과 나란할 경우에는 실험이 종료된 후에도 요철이 남아 있음을 확인하였으며, 마모 부피 및 마찰 계수는 요철이 없는 경우에 대해 각각 510%, 10%만큼 감소하였다. PV 값이 절반으로 줄어든 경우에는 미끄럼 방향에 관계없이 모든 경우에 대하여 실험 종료 후 요철이 존재하였으며, 마모 부피 및 마찰 계수 또한 미끄럼 방향에 관계없이 PV 값이 0.8 MPa.m/s일 경우에 비해 훨씬 감소했음을 확인하였다.
수윤활 상태에서 복합재료의 마찰 및 마모 특성을 향상시키기 위해 고분자 재료를 표면 요철을 가지는 복합재료에 코팅하는 방법을 개발하였다. 건마찰 상태에서의 마모 시험 결과 PE와 $MoS_2$ 의 혼합물을 필름 형태로 제작하여 코팅한 시편의 경우가 마모 입자의 제거에 가장 큰 효과를 보임을 확인하였다. 수윤활 상태에서는 PE 코팅 및 PE와 $MoS_2$ 의 혼합물로 코팅된 시편이 재료의 물성 저하를 방지함으로써 코팅 처리되지 않은 시편의 경우보다 월등한 마모 특성을 보임을 알 수 있었다.
