宇宙用駆動機器への炭素系硬質被膜の適用に関する研究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06955
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 松本 康司 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主幹研究開発員 (10470072)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高田 仁志 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主幹研究開発員 (30358569)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: ダイヤモンド被膜 / CVD / 中間層 / 熱膨張率 / 宇宙環境 / トライボロジー

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，月面など真空粉塵環境下で駆動する機器のしゅう動面の信頼性を確保するための耐摩耗性被膜を見いだすことを目的としている．月惑星探査では，真空粉塵環境下で使用できる駆動機器を開発する必要があり，そのしゅう動部には，対粉塵用の耐摩耗性の優れた硬質被膜が必要となる．これまでの研究でCVD ダイヤモンド被膜が優れた潤滑性・耐摩耗特性を示すことが分かっているが，CVD ダイヤモンド被膜は熱膨張率の違いから一般的に宇宙用に使われる金属材料の表面に成膜するのが難しく，宇宙用としては実用にいたっていない．この問題を解決するため，成膜条件の最適化と，適切な中間層の材料及びその成膜方法を見つけ出すことが重要となる．
今年度は，中間層として最適な材料および成膜方法の調査検討と，それらを成膜可能な機関・企業の調査，およびその結果をもとにした実際の中間層成膜試料の製作を中心に実施した．各有力材料の熱膨張率や基板材との密着性を確保できる成膜方法の有無の観点から，宇宙用として一般的に使われる４種類の金属基板材料に対して，５種類の中間層材料を抽出し成膜を行った．中間層の材料としては，金属基板とダイヤモンド被膜の中間もしくはダイヤモンドに近い熱膨張率を有するもの，成膜方法としては，スパッタリング等のPVDや溶射による方法を抽出した．
金属基板材料と中間層間の密着性を確かめるための摩擦試験に着手するとともに，トップコートであるダイヤモンド被膜の成膜に向けた調査を引き続き実施している．中間層を施した金属基板材料に対する異なる装置を用いたCVDダイヤモンド被膜の成膜と，得られた試料に対する摩擦試験による耐摩耗性，密着性評価と表面分析による摩擦摩耗メカニズムの把握に向けた活動を行っている．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ステンレス，チタン合金，アルミ合金などの一般的に宇宙用として使用される金属材料に対し，熱膨張率が大きく異なるCVDダイヤモンド被膜を成膜するため，熱膨張率が中間もしくはダイヤモンド被膜に近い中間層候補材料の選定を行った．選定した中間層候補材料において金属材料との密着性が確保しやすい成膜方法の検討を行い，スパッタリング等のPVDと溶射による方法を抽出した．それらの選定された材料，成膜方法にて成膜できる機関・メーカーの調査と協議を行い，成膜メーカーを抽出した．成膜条件等に関する詳細検討と調整のうえ，４種類の宇宙用金属材料に対し計５種類の中間層被膜の成膜を実施し，評価用中間層試料の準備を完了した．中間層自体の金属基板材料に対する密着性を確認するための摩擦試験に着手するとともに、トップコートであるCVDダイヤモンド被膜についても，成膜できる機関・メーカーの探索と抽出した複数のメーカーや大学と成膜条件に関する検討・調整を実施した．

Strategy for Future Research Activity

これまでに準備した金属基板材料と中間層の組み合わせに対し，異なる装置にてCVDダイヤモンド被膜の成膜を行う．それらのダイヤモンド被膜試料に対し摩擦試験や硬さ等の評価試験を行い，CVDダイヤモンド被膜の真空中でのトライボロジー特性や機械特性を評価するとともに、被膜の剥離もしくは摩耗にいたるメカニズムを把握する．それにより中間層の有用性を確かめるとともに，成膜装置による特性の違いを把握する．合わせて，現時点で抽出した基板材料，中間層の中から最適な組み合わせを見つけ出す．
また，それらの実験結果をもとに，さらなる耐摩耗性・潤滑性の改善を目指し，これまでに選出した被膜の成膜条件の最適化や新たな中間層材料の抽出を行う．
真空中で優れた摩擦摩耗特性が見られた中間層を施した多層型のダイヤモンド被膜に対し，月面を模擬した粉塵環境や温度を変えた環境下での試験を実施し，より過酷な極限宇宙環境での当該被膜の利用可能性を判断するとともに，摩擦試験後の摩耗痕の観察やXPSをはじめとする各種表面分析を通して，摩擦摩耗のメカニズムを解明する．

Causes of Carryover

CVDダイヤモンド被膜成膜の施行に数ヶ月の期間を要するため年度内に完了するのが難しい状況であったこと，次年度の直接経費ではダイヤモンド被膜成膜とその他物品の購入には十分でない可能性が判明したため，CVDダイヤモンド被膜の成膜費用として翌年度分へ繰越を行った．次年度は，CVDダイヤモンド被膜の成膜と摩擦試験の実施に必要な物品の購入，学会発表や調査に必要な旅費として使用する予定である．