2020 Fiscal Year Research-status Report
What is the origin of friction force depending on the sliding velocity? Approach from atomic-scale behavior in real area of contact
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20K04115
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
佐久間 博 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (20400426)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片山 郁夫 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (10448235)
河合 研志 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (20432007)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 速度・状態依存摩擦則 / 直接効果 / 熱活性化過程 / 粘土鉱物 / 温度効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、断層や地滑り面の摩擦挙動を支配する物理法則の背景を、物質の性質から明らかにすることを目的とする。具体的には、すべり速度の変化に応答した摩擦力の変化（いわゆる”a”パラメータ）の起源を明らかとする。
本年度は、摩擦力の発生する真実接触面での原子挙動を再現するために、計画通り分子動力学計算プログラムの開発を実施した。せん断変形における原子の取り扱い手法の組み込み・近接相互作用の最適化・並列化効率の最適化に成功し、研究目的に向けた計算環境を計画より早く整備することができた。
この計算プログラムを用いて、白雲母のせん断に関するシミュレーションを開始した。せん断速度を5桁の範囲で変化させ、また温度を室温から600℃までの定温条件で計算を実施したところ、高速せん断の場合には温度の増加と共に”a”値が減少した。この傾向は摩擦実験で我々が予備的に得た結果と調和的であるが、実験とシミュレーションでせん断速度に大きな差があるため、今後慎重な解釈が必要である。シミュレーションで得られたこの変化は、摩擦のメカニズムがポテンシャルエネルギー障壁から熱振動に変わる条件に対応しており、”a”パラメータの物理的な意味を明らかにする重要なヒントになるかもしれない。
本年度計画にあった摩擦試験は、コロナウイルス対策のため、広島大学で実験を実施することができなかった。そのため、物質・材料研究機構で来年度の実験試料の準備および実験装置の開発を行った。開発した装置で、真実接触面を予備的な観察ができつつあり、今後実施する摩擦試験と合わせて、本研究目的の達成に向けて研究を実施する。
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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
コロナウイルス感染対策のため、広島大学での摩擦試験を実施することができなかったが、シミュレーション手法の開発と実験試料準備・装置開発が計画以上に進んでおり、全体としては、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
真実接触面の分子シミュレーションでは、長時間の計算を実施して、より低せん断速度での摩擦力の変化を明らかとする。また実験との比較のため、石英や長石の場合による摩擦力の計算を実施する。計算プログラムの最適化も引き続き行う。
摩擦試験については、白雲母や石英・長石を対象とし、室温から400℃の定温条件における摩擦力のすべり速度依存性を計測する。また開発中の実験装置を用いて、摩擦試験中の真実接触面積の変化を観察する。
これらシミュレーションと計算を比較しながら、本研究の目的達成を目指す。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染対策として、学会参加と広島大学での共同実験が延期となったため、関連する費用を繰り越して次年度に使用することととした。
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