| 研究課題/領域番号 |
18K03565
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
山口 哲生 九州大学, 工学研究院, 准教授 (20466783)
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| 研究分担者 |
波多野 恭弘 東京大学, 地震研究所, 准教授 (20360414)
宮元 展義 福岡工業大学, 工学部, 准教授 (80391267)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 摩擦 / 摩耗 / 焼き付き / 可視化 / 巨大過渡応答 / 数理モデル / ソフトマター |
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| 研究実績の概要 |
摩耗は，固体同士の摩擦によって固体がすり減っていく界面現象である．摩擦発熱によって誘起される物性変化や化学反応によって，複雑な現象を示すことや，ある条件では焼き付きのような系の破局に至る巨大過渡応答を示すことなどが知られており，機械工学をはじめとした工学分野で数多くの実験研究が行われてきた．しかしながら，現象の理解や数理モデルを用いた記述，動力学の制御には程遠い状況にある．
本研究では，可視光を用いたその場可視化を行い，かつシンプルな実験を行うため，透明樹脂であるアクリル円筒をアクリルブロックに一定荷重で押し付け，一定角速度で摩擦させる実験系を構築した．このような回転対称性をもつ実験系を組むことで，多くの摩擦実験において問題となる，偏当たり（非一様な接触）を回避することができた．赤外放射温度計を用いて摩擦界面温度を測定しつつ，全反射法を用いて真実接触面積を定量したところ，摩擦界面温度が焼き付きに重要な影響を及ぼしていることが示唆された．次に，摩擦と界面温度との関係を調べるため，さまざまな温度条件下で最大摩擦係数を計測してみたところ，非単調な依存性が明らかになった．
実験結果をもとに，焼き付きに至る過渡的挙動を説明する現象論の構築を試みた．摩擦係数の界面温度依存性，摩擦発熱，熱拡散過程を考慮し，数値的に時間発展を求めたところ，実験で観察される過渡的挙動をよく再現することができた．また，焼き付きに至らない条件（非平衡定常状態が破綻する条件）を解析的に求めることができ，焼き付きを回避するための指針を得ることができた．
このように，シンプルな実験系の構築と界面のモニタリング，現象論的記述によって，焼き付きをシンプルに理解するための第1段階を突破することができた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
今年度は，可視化摩耗実験装置の実装，モデル物質の選定や摩耗実験の実施，離散要素法（DEM）を用いたシミュレーション，実験結果の第一段階のまとめとしての論文執筆などを研究計画の中に記載した．現時点までに，可視化摩耗実験系の構築，モデル物質の選定，実験の実施などについては順調に進展し，次年度に計画していた現象論の構築まで進めることができたが，DEMシミュレーションについてはほとんど進展しなかった．DEMシミュレーションより現象論を先に着手した理由としては，実験結果が思いのほかシンプルであったために，現象論的記述が機能するのではと考えたことがあげられる．また，論文執筆については，現在進行中であり，まもなく投稿を行う予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は，実験，数値計算，理論の密接な連携のもと研究を進めていくため，前年度に進捗が思わしくなかった，DEMシミュレーションを積極的に推進していく．また，アクリル樹脂以外の他の物質についても検討を行い，多様な過渡的挙動が見られるかどうかを試みる．理論についても，摩擦挙動や物性変化，化学反応，物質移動などを考慮した動力学理論を構築を試み，多様な実験結果の記述やメカニズムの理解を進めていく予定である．論文についても，できるだけ早い段階で投稿を行いたい．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
アクリル樹脂を用いた実験研究がうまく進展し，計画よりも少ないサンプルで実験結果が得られたため，物品費を大幅に節約することができた．
今後は，他のモデル物質を用いて多くの実験条件を探索する必要があると想定されており，繰り越した研究費を活用する予定である．
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