자동차 냉각기 호스용 EPDM 고무의 가속수명 평가 및 고장메커니즘 = Accelerated-life evaluation and failure mechanisms of EPDM rubber for automotive radiator hoses

국문 초록 (Abstract)

자동차용 냉각기 고무호스는 엔진과 라디에이터를 연결하여 엔진 및 엔진오일을 냉각시켜주는 냉각수의 이송경로로서 내열성 및 내구성이 향상된 EPDM(ethylene propylene diene monomer)고무를 사용하고 있다.
실제 자동차용 냉각기 고무호스의 바깥쪽 표피부위는 엔진의 높은 열에 의한 열가속 및 산소노화를 받게 되며 주행 중 엔진의 진동에 의한 굽힘 변형도 받는다. 또한 내면부위는 냉각수의 온도에 의한 열적 스트레스와 압력에 의한 기계적 스트레스를 받으며 동시에 전기화학적 스트레스를 받게 된다. 따라서 냉각기 고무호스 부품의 신뢰성을 확보하기 위해서는 표피부와 내면부를 달리하여 각종 복합적 스트레스에 의한 노화시험을 통해 정확한 노화도를 평가하고 잔여강도와 노화메커니즘 및 가속수명 관계식을 구할 필요가 있다.
본 연구에서는 자동차용 냉각기 고무호스에 사용되는 EPDM 고무를 대상으로 열가속 및 산소 스트레스와 전기화학적 스트레스를 가하여 각각의 고장메커니즘을 규명하였다.
이를 위해 냉각기 고무호스에 사용되는 EPDM 고무소재 시험편과 냉각기 고무호스 부품자체를 대상으로 열가속 및 산소노화시험과 전기화학적 노화시험을 실시하여 기계적 물성, 화학구조, 가교밀도 변화를 측정하였다. 또한 고무시험편의 표피부를 결함 없이 절취하여 노화층의 미크로경도 분포를 측정하고 광학현미경 및 ATR-IR 관찰을 통해 노화표피층의 두께와 상태를 분석하여 미소 변질층의 고장메커니즘을 규명하였다.
냉각기 고무호스의 전기화학적 노화시험으로 보통 이용하는 U-tube type 시험 방법은 열과 전기적인 스트레스는 작용하지만 기계적 스트레스를 가할 수 없는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기계적 열적 부하를 동시에 가하는 방법을 고안하여 전기화학적 복합노화시험이 가능한 시험 장치를 설계/제작하였으며, 실제 자동차 냉각기 고무호스에서 발생하는 전기화학적 파괴거동을 재현하였다. 제작된 시험기로 노화시간에 따른 전류 및 저항의 변화거동을 관찰하였으며 인장변형 스트레스와 냉각수 종류, 전압, 시험온도 조건에 따른 노화거동을 분석 평가하였다. 또한 고무 시험편을 수직면으로 정밀하게 절단하여 시험편 표면 및 내부의 변화거동을 분석하여 전기화학적 노화거동과 고장메커니즘을 규명하게 되었다.
전기화학적 복합노화 시험결과를 이용하여 노화온도에 따른 가속수명 관계식을 구하고, 기계적 인장변형률을 고려한 수정된 아레니우스 수명예측 관계식을 제안하였다.

목차 (Table of Contents)

• 차 례 ⅰ
• 국문요지 ⅲ
• LIST OF FIGURES ⅴ
• LIST OF TABLES ⅶ
• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.1.1 자동차용 냉각기 고무호스의 고장모드와 내구성 분석 현황 1
• 1.1.2 고무호스의 전기화학적 노화 연구의 필요성 3
• 1.2 연구목적 및 범위 8
• 제2장 열가속 및 산소노화거동 14
• 2.1 서언 14
• 2.2 가교밀도 측정법 18
• 2.3 실험 방법 21
• 2.3.1 실험 재료 21
• 2.3.2 열가속 및 산소노화 시험 21
• 2.3.3 기본 물성 측정 22
• 2.3.4 고무 시험편의 미세절취 및 미크로 경도 측정 24
• 2.3.5 화학구조 분석(ATR-IR) 24
• 2.3.6 가교밀도 측정 26
• 2.4 실험 결과 및 고찰 28
• 2.4.1 판상형 시험편의 노화거동 28
• (1) 인장강도 및 파괴신장률 28
• (2) 표면경도 및 미크로 경도 28
• (3) 화학구조 분석 29
• 2.4.2 고무호스 부품의 노화거동 32
• (1) 탄성계수, 인장강도 및 파괴신장률 32
• (2) 표면경도 및 미크로 경도 35
• (3) 가교밀도 40
• 2.4.3 노화메커니즘 44
• 2.5 결언 47
• 제3장 전기화학적 노화거동 49
• 3.1 서언 49
• 3.2 전기화학적 노화 이론 53
• 3.3 실험 방법 56
• 3.3.1 실험 재료 56
• 3.3.2 전기화학적 분해시험(U-tube type 시험) 57
• 3.3.3 전기화학적 복합노화 시험 57
• 3.4 실험 결과 및 고찰 60
• 3.4.1 전기화학적 분해시험(U-tube type 시험)에 의한 노화거동 60
• (1) 판상형 고무 시험편의 노화거동 60
• (2) 고무호스 부품의 노화거동 66
• 3.4.2 전기화학적 복합노화 시험에 의한 노화거동 71
• (1) 시험중의 전류 및 저항의 변화거동 71
• (2) 인장변형 스트레스의 효과 73
• (3) 냉각수 종류의 효과 77
• (4) 온도 조건의 효과 80
• (5) 전압 조건의 효과 85
• 3.4.3 광학현미경 관찰 91
• (1) 시험편 표면의 노화거동 91
• (2) 시험편 내부의 노화거동 95
• 3.5 노화메커니즘 97
• 3.6 결언 99
• 제 4장 복합노화 가속수명평가 102
• 4.1 서언 102
• 4.2 아레니우스 관계식 104
• 4.3 가속수명 평가 108
• 4.3.1 Arrhenius 관계식을 이용한 수명평가 108
• 4.3.2 기계적 인장변형률을 고려한 수명평가 114
• 4.4 결언 119
• 제 5장 결 론 120
• 참고문헌 124
• ABSTRACT 132