2016 Fiscal Year Annual Research Report
真実接触面の直接観察による摩擦・磨耗機構の解明および潤滑剤・接着剤の提案
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16H06065
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐藤 隆昭 東京大学, 生産技術研究所, 特任助教 (80624840)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子顕微鏡 / トライボロジー / MEMS / その場観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
・ナノスケールで尖れせたAgの探針同士を接触させ、その接触海面の観察に成功した。また接触面積の変化に伴う、摩擦力と垂直抗力の変化を計測した。さらに数値計算の結果と比較することで、ナノ摩擦のモデルを考察した。実験系を構築した結果について論文として出版し、さらに実験結果の科学的なモデルを考察した結果を論文に書き始めた。
・Ptを成膜した探針同士を擦り付け、その接点をナノスケールで観察できた。ただ、実験系の不具合のため接触部分にかかる力を計測できなかったので、Agの観察結果ほどの完成度はないものの、ある程度の論文を書き始められると考えた。また、この内容を今年の夏に国際会議(World Tribology Conference 2017 in北京)で口頭発表する。
・FeやPTFEを成膜した探針同士を擦り付け、摩擦力や垂直抗力の変化に伴う接触面積の変化を観察した。接点のせん断破壊の容易さや、摩擦係数の違いについての実験結果を得た。この内容を学会(トライボロジー会議 2016新潟)にて口頭発表した。ただ違いを実験的に計測できたが、そのメカニズムは十分に明らかになっていないので、解決すべき問題がまだ残っていることも分かった。
このようにまずAgの観察に成功し、その他の材料として硬質金属のPtやFeも観察して比較できた。さらに摩耗試験のための予備試験としてPTFEの観察した。それぞれの結果を論文や学会発表といった方法で広く発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
・ナノスケールで尖らせた単突起同士を擦り付け、その界面を観察しながら摩擦力と垂直抗力を計測した。さらに、摩擦力と接触面積との関係や、垂直抗力と接触面積との関係を得た。さらに、数値計算の結果と実験結果を比較することで、単突起の摩擦のモデル化できた。以上が今年度に計画していた研究内容であるため、目標は達成できた。
・昨年は軟質金属としてAgを観察できたので、今年以降は比較対象として硬質金属を観察したい。昨年度は候補として、7種類の材料を試しに観察した。その観察結果を見て、(1)ナノ接点の観察し易さや (2)結晶構造の観察し易さに注目して比較すると、PtかNiを本格的に観察する価値があると考えた。さらに、摩耗試験のためにPTFEやDLCを表面に成膜した材料を試しに観察した。ただ、これらの材料は思ったほど摩耗粉がでなかったため、今年以降は他の材料を試して摩耗粉の観察を試みる。以上のように、今年以降にやる予定だった内容を昨年度に前倒しで行った。
・ナノスケールよりさらに小さな原子スケールで試料を観察するための装置として透過型電子顕微鏡の特殊試料ホルダーの設計を開始した。特殊ホルダーを作成するための寸法の調査や必要な部品を購入できた。昨年度中には完成しなかったが今年度には完成させる。これが完成すれば、原子レベルで試料を観察できるので、研究計画に記載した以上の成果が見込める。
以上のように、研究計画で予定していた内容を完了できただけでなく、今年以降にやる予定だったことにも着手できた。さらに、研究計画書で予定していたより高い精度で観察できそうなことも分かったので、予想を超える進捗があったと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
・昨年度に硬質金属を比較した結果、PtやNiをもう一度本格的に観察する価値があると考えた。Agを観察した手順と同様の方法で探針にPtかNiを成膜し、これらを観察する。Agの観察結果と比較することで、材料の硬さと摩擦係数との関係について今年度に考察する。
・ナノスケールの接点を観察できる実験系はすでに構築されているが、従来の実験系は試料を透過型電子顕微鏡の内部で傾斜できないので、試料の結晶軸を合わせることができない。つまり、試料の原子構造を観察できない問題があった。そこで昨年度は試料を透過型電子顕微鏡の内部で傾斜できる特殊な試料ホルダーの開発を始めた。基本的な設計は終了し、重要部分の部品は完成した。今年度はこれらを組み合わせることで、試料の原子構造を観察できる特殊試料ホルダーを完成させる。
・昨年度の予備試験よりPTFEやDLCでは摩耗粉があまり出ないことが分かったので、フッ素コーティングやポリシリコンなどもっと摩耗粉がでやすそうな材料を探す。ただ成膜はPTFEやDLCで行った方法と同じであるため、昨年度のノウハウが活かせるので、比較的容易に進行すると予想できる。
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