2021 Fiscal Year Annual Research Report
水素含有窒化炭素膜の超低摩擦界面形成機構の解明および次世代水素潤滑技術への展開
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20J22117
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
厨川 和哉 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 窒化炭素 / 超低摩擦 / 水素 / 酸素分子 / 水分子 / 低摩擦寿命 / トライボ化学反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素含有窒化炭素膜（CNx:H）膜を用いた低摩擦システムの実現ならびに次世代水素潤滑技術への応用展開のために継続的超低摩擦界面形成メカニズムを解明することを目的とする本研究において，2年目である本年は，環境因子（酸素分子および水分子）と摩擦相手材料が継続的低摩擦挙動に及ぼす影響を実験的に明らかにするとともに，トライボ化学反応を分析した．主要な結果を以下に示す．
1.真空環境および窒素雰囲気環境（1～5000ppmO2, 0.01～10%RH）において，CNx:HはSi3N4, SiC, Al2O3, ZrO2を相手材としたいずれの場合も，相手材上にCNx:H初期構造から変化した構造を有する炭素層を形成し，摩擦係数0.05以下の低摩擦を発現する．
2.真空環境および相対的に低酸素濃度・低湿度域の窒素雰囲気環境（最低1ppmO2, 0.01%RH）では，CNx:Hは摩擦係数0.05以下の低摩擦を発現した後に摩擦が増加する「低摩擦寿命」を示す一方で，相手材ごとに上回ると低摩擦を50000サイクル以上持続する酸素濃度および相対湿度の臨界値が存在する．
3.窒素雰囲気環境において，Si3N4およびSiCを相手材とした場合よりAl2O3およびZrO2を相手材とした場合に，相対的に低い酸素濃度および相対湿度域で低摩擦を持続する傾向がある．
4.窒素雰囲気環境においてSi3N4/CNx:2Hが継続的低摩擦を発現する際，CNx:2H摩擦面では含有2Hの脱離および環境水分子由来のHの化学的結合が継続的に生じ，Si3N4摩擦面ではC層と共にSiC, SiO2等のトライボ化学反応層が形成される．
5.真空環境においてCNx/CNx:Hが継続的低摩擦を発現する際，炭素数1~4 (CH4, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, C4H10) の炭化水素ガスが定常的に発生する．
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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
CNx:H膜を用いた摩擦システムの継続的低摩擦界面形成現象におけるトライボ化学反応の解明を目的とする本年度において，継続的低摩擦界面形成が環境因子（酸素分子および水分子），CNx:H摩擦面，相手材料摩擦面が複合的に関与したトライボ化学反応によるものであることを実験的に明示し，In-situガス分析システムによってトライボ化学反応生成物（炭化水素ガス）の分析を実施した．したがって，本研究はおおむね順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
CNx:H摩擦最表面の化学的変化に着目し，実験的手法とIn-situガス分析システムを併用してトライボ化学反応の更なる解明を行う．これまでに得たトライボ化学反応による継続的低摩擦界面形成の知見を踏まえ，水素ガス吹付下における継続的低摩擦挙動の実現を目指す．
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