| Project/Area Number |
20J22117
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 18040:Machine elements and tribology-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
厨川 和哉 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 窒化炭素 / 超低摩擦 / 水素 / 酸素分子 / 水分子 / 低摩擦寿命 / トライボ化学反応 |
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| Outline of Research at the Start |
硬質炭素コーティングであるCNx:H膜は一定の制御条件下において、摩擦係数0.01以下の超低摩擦を継続的に発現するため、摩擦システムへの適用により油潤滑の代替や機械の飛躍的な高効率、長寿命化が期待される。また、この優れた摩擦挙動は水素が関与するトライボ化学反応に起因すると考えられ、水素を活用して摩擦を低減する新たな潤滑技術への応用展開が見込める。本研究ではトライボ化学反応に着目してCNx:H膜の超低摩擦界面形成メカニズムを解明する。その知見を基に、水素を活用して摩擦を低減する新たな水素潤滑技術の開発を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，水素含有窒化炭素（CNx:H）膜を用いた低摩擦システムの実現ならびに次世代水素潤滑技術への応用展開のために，継続的超低摩擦界面形成機構を解明することを最終目的とする．3年目である本年は，CNx:H膜摩擦システムの低摩擦寿命においてナノ炭素界面が形成および変質することを明らかにし，低摩擦寿命が移着プロセスの変化に起因することを示した．また，持続的低摩擦界面形成における水分子および酸素分子の役割を実験的に明らかにし，持続的低摩擦発現のための指針を得た．最後に，実際に水素ガスの影響下において超低摩発現が可能であることを示した．得られた具体的な結果は以下の通りである．
1. Si3N4/CNx:H摩擦対が高真空環境下で超低摩擦を発現した際，Si3N4上には層-バルク間にSiCを化学的に形成したナノ炭素層（厚さ10-20 nm程度）が形成される．一方で，低摩擦寿命後は炭素層形成が生じなくなり，高さ数十nmオーダの炭素系凝着物が不均一に分布した界面が形成される．
2. Si3N4/CNx:H摩擦対は，真空環境下での摩擦において炭素数1-4の炭化水素ガスを生成する．また，低摩擦寿命における摩擦上昇に伴い炭素数1-2の炭化水素ガスの生成量が急増する傾向を示す．
3. 極低湿度・低酸素濃度（<0.05%RH, <5 ppmO2）の窒素雰囲気下において低摩擦寿命を発現したSi3N4/CNx:H摩擦対は，最適な相対湿度（0.1-1%RH）に加湿した環境で再度摩擦させることで超低摩擦界面を再形成し，摩擦係数0.05以下の低摩擦を回復する．
4. 水素・窒素混合ガス吹付によって湿度制御した摩擦環境において，CNx:H膜はSi3N4およびSiCを相手材として摩擦係数0.05以下の低摩擦を発現することを実証し，水素ガス環境におけるCNx:H膜の超低摩擦界面形成が可能であることを示した．
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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