硬質アモルファス炭素膜の極低摩擦現象およびその表面吸着条件

• 研究課題/領域番号: 63550105
• 研究種目: 一般研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械工作
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 井手 敞 (井出 敞) 愛媛大学, 工学部, 助教授 (20029276)
• 研究分担者: 豊田 洋通 愛媛大学, 工学部, 助手 (00217572) ; 八木 秀次 愛媛大学, 工学部, 助教授 (40036471)
• 研究期間 (年度): 1988 – 1989
• 研究課題ステータス: 完了 (1989年度)
• 配分額: 2,100千円 (直接経費: 2,100千円); 1989年度: 400千円 (直接経費: 400千円); 1988年度: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
• キーワード: アモルファス炭素膜 / 境界潤滑 / ガス分子吸着 / 極低摩擦 / ダンゲリングボンド / カ-ボンブラック / 高速衝動 / 構造暖和 / 局在準位密度 / 表面官能基 / 境界潤滑特性 / ダングリングボンド / カーボンブラック / 高速衝撃効果

研究概要

カ-ボンラっク粒弊の高速衝撃付着によって形成した硬質アモルファス炭素膜について、表面ガス吸着状態下での極低摩擦現象を理論的、実験的に究明した。まず、ガス吸着性に関係する膜構造特性について構造分析および抵抗率・熱電能の温度特性の測定から評価した。その結果、本炭素膜は、カ-ボンブラックの握ラファイト的構造とそれの衝撃物質であるアモルファス構造とから成り、多量の構造欠陥(ダングリングボンド)を含有することがわかった。また、100℃以上の加熱列理に伴って、アモルファス相は漸次グラファイト相へと構造緩和し、その過程でダングリングボンド密度はさらに増大することが明確になった。つぎに、炭素膜間で各種ガス雰囲気中での同一軌道繰り返し摩擦実験を行い、高潤滑性を維持し得る表面録着状態が究明された結果、水素、水蒸気、窒素各分子の希薄な吸着状態下で低摩擦係数が得られ、とくに水素雰囲気気では固体間摩擦としては異常に低い0.01以下となった。しかし、酸素吸着は摩擦作用下で逆に凝着促進効果を持つことがわかり、吸着ガスの種類に追じた摩擦への影響が見いだせた。また、大気中では水分子吸着の影響が大きく、それの希薄吸着状態は、摩擦条件(荷重、速度、インタ-バル)で決まる脱離速度と、膜質(グラファイト質、表面官能基の含有割合)および環境条件(温度、ガス分圧)とで決まる吸着速度との平衡によって成り立つことが明らかになった。すなわち、脱離過程が優位になると膜の凝着、摩耗が進行し、摩擦係数は上昇に転じることになる。
以上の炭素膜構造とその潤滑機構の解明より、極低摩擦現象はアモルファス構造とその表面への希薄な分子吸着の両者に関係して発生するといえる。この高い潤滑性を安定維持することは、温度100℃以下の特定ガス雰囲気中での準静的すべり摩擦といった限定された使用状況下では、後者を制御し得ることにより可能と思われる。