2018 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, 協力研究員 (80624840)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | トライボロジー / TEM / MEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロマシンをTEMに組み込む独自の実験系を開発し, 摩擦力と垂直抗力をリアルタイムで同時に計測しながら, 接触面をナノスケールで観察できる実験系を構築できた. さらに実験系を用いて, 数nmの直径のAgやDLCの面同士の接触面をナノスケールで観察できた.
(1) Agの摩擦試験(TEMによるその場観察): 接合にはせん断応力と引張応力が同時にかかっていた. このため, 従来の単純な材料破壊試験の実験結果と直ちに比較できなかった. そこで, von MIses応力を計算することで, 過去の事件結果と比較できるようにした. すると接合には6GPa程度もの応力がかかっていることが分かった. 数nmのスケールでは接点同士を近づけると簡単に接合ができるのにも関わらず, それを引き剥がそうとすると6GPaもの応力が必要になることが分かった. ナノスケールの世界では摩擦の効果が支配的になり, ナノスケールで動く機械を作成するには, こうしたナノ摩擦を考慮する必要があることを実証できた.
(2) DLCの摩擦試験(TEMによるその場観察): DLC同士を擦り付けると接触界面で摩耗粉ができ, その摩耗粉が僅かに滑ったり, 摩耗粉が回転していることが分かった. 接触点の応力を計算するとGPaオーダーの応力がかかっていて, 表面は簡単に破壊される様子を観察できた. ナノスケールの摩擦を理解する上で, 接触面を観察する重要性を実証できた.
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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
今年度は研究の最終年度である. 研究実施機関の間に, マイクロマシンをTEMに組み込む独自の実験系を開発し, 摩擦力と垂直抗力をリアルタイムで同時に計測しながら, 接触面をナノスケールで観察できる実験系を構築できた. この実験系を用いて, 数nmの直径のAgの接点の観察に成功し, このときの力の計測にも成功した. また, DLCの面同士の接触面をナノスケールで観察でき, これを論文にできた. このように目標とした実験は遂行できた. あとはこれを理論モデル特に合わせて論文にする作業が残っている.
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は特に以下の3点に取り組む.
(1) ペンシルベニア大学のロバート・カーピック教授と共同で実験結果をモデル化し論文を作成する. Agのナノ接点にかかる応力を計測すると, Agの破断応力の理論値よりわずかに小さい値になることが分かった. 過去のTEM観察の結果と比較し, 常温接合が起こっていて接点を破断させるのに大きな応力が必要になったと考えている. このように, 実験結果とうまく合う理論モデルを構築がほぼ完成したので, これを論文にする.
(2) 構築した実験系を用いてAgやDLCの観察に成功した. この実験系を応用して, MoS2やBNやgrapheneなど近年注目が集まっている二次元構造の材料を観察してみる. 摩擦力や垂直抗力を計測し, さらに試料の変形を原子レベルで観察することで, 摩擦や摩耗の発生について微視的なアプローチから機構解明を試みる.
(3) 申請書作成時では, "ナノ"スケールの観察が予定だったが, TEMホルダー設計の工夫によって"原子"スケールの観察が可能になりつつある. ナノスケールの形状変化と力の変化の関係を明らかにするだけでなく, 原子の動きと力の変化を観察できるように実験系を改善する.
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