2015 Fiscal Year Research-status Report
表面性状制御したボロン添加水素含有DLC膜の超低摩擦現象の発現に関する研究
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15K17964
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute |
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Principal Investigator |
徳田 祐樹 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 事業化支援本部地域技術支援部城東支所, 副主任研究員 (30633515)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 非晶質炭素膜 / ダイヤモンド・ライク・カーボン膜 / トライボロジー / 表面改質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
一年次の研究では、水素含有DLC膜にボロンを添加することで導電性を付与し、摺動界面で生じるトライボプラズマの制御を試みた。トライボプラズマを制御することで、摺動により発生する摩耗粉（自己潤滑性粒子）の生成条件を検討した。「ボロン添加水素含有DLC膜」を試作した結果、膜内部へのボロンの添加により導電性の制御が可能という知見を得た。しかし、一般的な水素含有DLC膜と比較して摩擦・摩耗特性に劣り、摺動用薄膜として適切な機能を有していないことが判明した。
この研究成果を背景とし、「ボロン添加水素含有DLC膜」に代わる新規的DLC膜として、膜内部に塩素を添加した「塩素含有DLC膜」の開発に着目した。一般的に、塩素系の潤滑油添加剤を摩擦面に適用すると、摩擦熱により塩素系反応膜（トライボフィルム）が摺動界面に形成され、摩擦係数が低減する。DLC膜内部に塩素を添加することで、無潤滑環境下においても、塩素系添加剤の適用時と同様に塩素系トライボフィルムが形成され、低摩擦化が実現可能と考えられる。「塩素含有DLC膜」を試作した結果、無潤滑環境下において、一般的な水素含有DLC膜と比較して50%低い摩擦係数を示すことを確認した。同時に、塩素含有DLC膜自身の摩耗量が20%低減し、かつ相手材の摩耗量も30%低減することを確認した。以上より、DLC膜内部に塩素を添加することで、低摩擦化および、耐摩耗性・低相手攻撃性の向上が可能と考えられる。また、摺動痕での飛行時間型二次イオン質量分析の結果より、摺動界面に塩素系の化合物が多種存在していることを確認し、塩素系トライボフィルムの形成を示唆する結果を得た。以上より、無潤滑環境でも優れた摺動特性を示す新たなトライボシステムの確立への可能性を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
一年次の研究成果として、「ボロン添加水素含有DLC膜」は一般的な水素含有DLC膜と比較して摩擦・摩耗特性に劣り、摺動用薄膜としての適用が困難であることが判明した。このことから、「ボロン添加水素含有DLC膜」に代わる新たな固体潤滑炭素膜のコンセプトとして、膜内部に塩素を含む「塩素含有DLC膜」の開発に取り組んだ。
「塩素含有DLC膜」の成膜にはプラズマイオン注入成膜装置を使用し、テトラクロロエチレン等を原料ガスとした。DLC膜は作成時の成膜条件（印加電圧値・チャンバー内ガス圧・入射電力・原料ガス種など）に依存して様々な構造および特性を付与することが可能である。本研究では、様々な成膜条件にて塩素含有DLC膜を成膜し、それぞれの膜内部構造および膜特性を比較した。その結果、DLC膜の作成時の成膜条件に依存して、膜内部に含まれる塩素含有量の制御が可能であると判明した。また、膜内塩素含有量と摩擦特性に相関性を確認した。塩素含有量が5～15[atm%]の範囲内では、塩素量の増加に比例して摩擦係数が低下し、特に塩素含有量が12～15[atm%]の膜では40～50[%]の摩擦係数の低減を確認した。同時に、膜自身の摩耗量が10～20[%]低減し、相手材の摩耗量が20~30[%]低減した。一方で、塩素含有量が25[atm%]以上の膜では摩擦挙動が安定化せず、摺動用薄膜として適していないと判明した。以上の結果より、「塩素含有DLC膜」の塩素含有量を適切に制御することで、摩擦係数の低減および、耐摩耗性・低相手攻撃性の向上が可能と判明した。
以上の研究成果より、当初の計画とは異なる手法の採用となったが、研究目的である「無潤滑環境でのDLC膜の超低摩擦化現象の実現」については、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
一年次の研究成果として、「塩素含有DLC膜」を用いた超低摩擦化現象の実現への可能性を見出した。一方で、塩素含有DLC膜の表面粗さと摩擦特性の関係性を調査した結果、平滑な表面状態を形成したサンプルでは、塩素系トライボフィルムによる低摩擦化効果が抑制される傾向を確認した。この結果は、摺動界面での表面凹凸の減少に伴い摩擦熱の温度が低下し、摺動界面でのトライボフィルムの形成が阻害された結果と考えられる。この課題を背景として、二年次以降の研究では、膜表面へのテクスチャリング付与による塩素系トライボフィルムの高効率生成技術に取り組む。膜表面に微細な凹凸形状を付与することで、摺動界面で生じる摩擦熱を制御する。これにより、塩素系トライボフィルムの生成による低摩擦化効果を促進する。塩素含有DLC膜の表面凹凸制御には、マイクロスラリージェットエロージョン加工機および、フェムト秒レーザー加工機を用いたナノ微細加工を採用し、表面凹凸の規模の異なる様々な塩素含有DLC膜を作成する。これにより，塩素含有DLC膜を適用する際に最適な表面凹凸形状をデザインする。
以上のコンセプトを基に、「塩素含有DLC膜」と「表面性状制御」のシナジー効果により、固体潤滑環境にて超低摩擦化現象を発揮する新規的トライボシステムの確立を目指す。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた「ボロン添加水素含有DLC膜」は摺動界面への適用が困難であることが判明した。このため、今後は新たな固体潤滑薄膜の開発として、「塩素含有DLC膜」を用いた表面テクスチャリング技術について研究を推進する。研究方針の変更に伴い、研究費用の使用計画の見直しが必要となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今後研究を推進する「塩素含有DLC膜」の開発に費用を充てる。特に、塩素含有DLC膜への表面微細凹凸の付与による低摩擦化は、トライ＆エラーによる実証試験が不可欠である。このため、多種多様なサンプルを作成するとともに、塩素含有DLC膜の最適な成膜条件を検討する必要がある。同時に、本研究で得られた知見を世界的に発信するため、国内外の学会への参加費に充てる。
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