2017 Fiscal Year Research-status Report
Fundamental research on the tribochemical reaction of PTFE and mechanism of PTFE transfer film formation
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17K06117
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
竹市 嘉紀 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40293758)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | PTFE / フッ化 / トライボケミカル反応 / アルミニウム合金 / フッ化アルミ / 移着膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で取り扱うPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）は比較的軟質な材料であり，また，プラスチック材料の中で最も低い摩擦係数を示す材料としてトライボロジーの分野では幅広く実用されているにも関わらず，アルミニウム合金との乾燥摩擦においては，金属材料であるアルミニウム合金側を著しく摩耗させる．この現象に関与する要素として，摩擦雰囲気中の水蒸気の影響について調べるとともに，アルミニウム合金のフッ化現象について詳しく調べた．摩擦試験はアルミニウム合金球でPTFE板を擦る形態で行った．
実験の結果，乾燥空気中と比較して高湿度（相対湿度90%以上）雰囲気でPTFEと摩擦したアルミニウム合金の表面は，著しく摩耗が進行していた．また，この摩擦表面をXPS（X線光電子分光装置）により分析したところ，いずれの雰囲気で摩擦したアルミニウム合金からもフッ化アルミニウムの形成が確認され，特に湿潤雰囲気で摩擦した場合にはその量が明確に多く検出された．このことから摩擦雰囲気に水蒸気が多いことで，PTFEとの摩擦によりアルミニウム合金のフッ化反応が進行することが明らかとなった．更にFE-SEM（走査型電子顕微鏡）およびXMA（X線マイクロアナリシス）で摩耗痕を調べたところ，フッ化したアルミニウム合金が摩耗し，接触円前方に摩耗粉の堆積物を形成している様子が観察された．また，フッ化アルミニウムがある一定の厚みをもった領域があり，所々フッ化アルミニウムが剥離し，その剥離して露出した下地はフッ化が進行していない様子も観察された．
以上の結果から，PTFEとの摩擦において，トライボケミカル反応によりアルミニウム合金のフッ化は徐々に進行し，そのフッ化金属は機械的に脆い性質を有していると推察され，このためフッ化したアルミニウム合金が比較的マイルドな摩擦条件においても徐々に表面から摩耗により除去されていくことが考えられた．
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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
アルミニウム合金のフッ化反応におよぼす雰囲気の影響の一つとして，水蒸気については有意差のある結果が得られ，このトライボケミカル反応におよぼす水蒸気の影響が大きいことが明らかにできた．また，アルミニウム合金のフッ化により，摩擦面で摩耗が進行していく様子などを，定性的ではあるものの経時変化的に把握することができ，摩耗プロセスの解明が進みつつある．形成されるフッ化金属については，XPS分析の結果より，完全なフッ化アルミニウムではなくオキシフッ化アルミニウムが大半であると考えられる．アルミニウム合金の表面には緻密な自然酸化膜が形成されていることを考慮すれば，当然ではあるが，酸化速度，フッ化速度にあわせ摩耗速度も関連する現象のため，摩耗状況によって分析結果に差異が出てしまい，この点が十分に明らかにできていない．これについては今後の研究結果が待たれる．
以上の成果については，2017年に開催された「トライボロジー会議 2017 春 東京」において学会発表を行い，活発な意見交換がなされた．また，2018年の秋に開催される国際会議「ASIATRIB 2018」においても講演予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
アルミニウム合金表面に形成される，フッ化アルミニウム（オキシフッ化アルミニウム）の機械的特性を把握する必要がある．現在，PTFEと摩擦したアルミニウム合金の摩擦面に対して，XPS分析の結果よりフッ化アルミニウムの形成が確認でき，また，SEM観察およびEPMA分析の結果より，摩耗プロセスについての推察ができているが，この前提としてフッ化アルミニウムが素地のアルミニウム合金に対して脆い材料であるとしている．これを実験的に検証する必要がある．フッ化アルミニウムは通常では試薬などで入手することが困難であるため，実験的に生成し，この機械的特性を把握することになる．生成した材料の同定はXPSやXRDなどで行うことが可能と考えられるが，粉末の硬度については計測が困難であることから，間接的に把握する手法を早急に検討しなくてはならない．
また，アルミニウム合金以外の金属（機械などのしゅう動材料として使用しうるもの）を用いた同様の実験を系統的に実施し，その表面の観察および分析を行うことで，PTFEとの摩擦によるトライボケミカル反応の差異を調べる．アルミニウム合金は金属の中でも比較的軟質な金属であるが，この著しい摩耗が単に金属の硬さによるものではなく，トライボケミカル反応であることを示していく必要がある．
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| Causes of Carryover |
今年度購入する予定であったターボ分子ポンプについては，別テーマで使用していたターボ分子ポンプに対し，接続フランジを取りつけることで流用が可能となり，一方，その別テーマの実験では当面，ターボ分子ポンプを使用する必要がなくなったため，購入を控えることとなった．一方，摩擦面のトライボケミカル反応を把握するするための分析が想定以上に実施項目が多くなったため，分析機器の使用量が増加した．
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