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

2020 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, 研究領域主幹 (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, 研究領域主幹 (30358569)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ダイヤモンド被膜 / CVD / 中間層 / 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，耐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ている金属材料の表面に成膜することが難しく，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，適切な中間層材料及びその成膜方法を見つけ出すことおよびCVDダイヤモンドの成膜条件を最適化することが重要となる．
昨年度までの成果として，宇宙用としても使用実績があり，比較的高温にも耐えられるチタン合金を基板とし，CVDダイヤモンド被膜が成膜可能な数種の中間層候補の抽出に成功している．また，CVDダイヤモンドの成膜方法・条件の最適化のため，マイクロ波プラズマCVDと熱フィラメントCVDによる成膜を行い，それぞれの特性の違いについて知見を得ることができた．熱フィラメントCVDにおいては，成膜温度を通常より約250℃下げた条件下での成膜に成功し，通常温度で成膜した被膜と同等の特性を得ることができた．このことから，基板材料や中間層の選択肢を広げられる可能性が得られた．今年度は，昨年度までの成果を活かし，中間層とダイヤモンド被膜の密着性向上のため，中間層成膜方法の改善，中間層表面の表面あらさ改善などの取り組みを行い，その効果を評価した．また，摩擦係数低減のため，ダイヤモンド被膜自体の表面あらさを滑らかにし，その効果を評価した．結果として，それらの有効性が確認され，多くの知見を得ることができた．

Current Status of Research Progress

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

Reason

宇宙用駆動機器のしゅう動部の材料として使用される金属基板上に耐摩耗性の高いダイヤモンド被膜を成膜するという目標に対し，溶射などによる中間層の成膜により，実際に金属基板上にダイヤモンド被膜を成膜することに成功している．その中間層も数種の材料で成功し，多くの選択肢とさらなるトライボロジー特性向上の余地を残しており，研究として順調に進展している．また，CVDダイヤモンド被膜そのものの成膜方法や条件を変えて成膜し，それらの被膜のラマン分光分析やSEM観察，真空中のトライボロジー特性評価により，下地金属や中間層の最適化やさらなる高性能ダイヤモンド被膜の獲得に向けた知見が得られている．特に熱フィラメントCVDによる成膜では，温度を大きく下げた条件下での成膜に成功し，金属基板材料や中間層の選択肢の幅を広げられている．それらの知見をもとに，耐摩耗性や摩擦特性のさらなる向上に向けて，中間層とダイヤモンド被膜の密着性を上げるための中間層の改善，ダイヤモンド被膜そのものの表面性状の改善に取り組み，その効果を実証している．また，様々な評価・分析を通して，CVDによるダイヤモンドの生成のメカニズムに関する知見を得ており．学術的な成果も得られている．

Strategy for Future Research Activity

これまでに，金属基板上にCVDダイヤモンド被膜を成膜するための中間層の材料およびその成膜方法の抽出と，ダイヤモンド被膜そのものの成膜条件の最適化と成膜温度の低減ができている．今後は，それらの金属基板上に成膜ができたダイヤモンド被膜について，しゅう動条件・環境・相手材等を変えたトライボロジー特性評価を継続して実施し，CVDダイヤモンド被膜の実力を把握するとともに実用に向けた最適使用環境・条件を見出す．また，様々な条件でのしゅう動試験により中間層を有するダイヤモンド被膜の摩擦摩耗メカニズムの把握を目指す．さらなるトライボロジー試験と表面分析の実施により得られる知見とデータをまとめ，実用に向けた取り組みと合わせて，国内外の学会等での成果発表を実施していく．

Causes of Carryover

これまでに，最適な中間層の抽出とCVDダイヤモンドの成膜条件の最適化により，金属基板上にCVDダイヤモンド被膜を成膜することに成功している．また，CVDダイヤモンド被膜そのものの成膜性やトライボロジー特性についての数多くのデータを取得し，多くの知見が得られている．それらの成果を海外の学会で発表すべく口頭発表の機会を得ていたが，コロナ禍のため中止となった．そのため，海外を含めた成果の発表機会を翌年度に得ることとした．