| 研究課題/領域番号 |
20H02007
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
堤 昭人 京都大学, 理学研究科, 准教授 (90324607)
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| 研究分担者 |
三宅 亮 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10324609)
伊藤 正一 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 石英摩擦 / 高速弱化 / 断層 |
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| 研究実績の概要 |
岩石の摩擦実験において、すべりが高速になると摩擦抵抗が著しく低下することが知られている。この「高速摩擦弱化」の性質は、地震時における断層の最大すべり速度やすべり量などを予測する上で、極めて重要な情報であるが、その弱化発現機構の詳細は明らかになっていない。本研究では、（１）石英質物質を用いた摩擦実験により、幅広いすべり速度条件における摩擦強度の弱化特性を解明し、（２）摩擦面接触部のナノスケール三次元物質解析を行うことで真実接触部の変形構造と力学特性の詳細を明らかにし、（３）これらの結果を統合することで、摩擦強度弱化挙動の全貌とその発現機構を解明することを目的として研究をすすめている。
本年度は、（１）の内容に関して、人工水晶を用いた摩擦実験（垂直応力1.5 MPa, すべり速度 0.005-105 mm/s）を、試料近傍の相対湿度条件を0-80%RHの範囲で制御した条件でおこない、人工水晶試料の定常摩擦係数の値が相対湿度に大きく依存することが明らかになった。また、すべり開始直前の摩擦係数に見られる待機時間に依存した強度回復の性質（いわゆるlog t ヒーリング）が湿度条件に依存しており、乾燥条件では強度回復が生じないことも明らかになった。（２）の内容に関しては、人工水晶を用いた摩擦実験後の摩擦面上に形成された断層物質の断面をFIBで切り出し、変形構造をTEMで観察することに成功した。これにより、摩擦生成物中に、ナノスケール積層構造が発達することが明らかになった。また、いくつかの種類の水晶試料について、SIMSを用いた水の含有量測定にも着手し、極めて微量な水を含む試料であっても、定量測定可能であることを確認することができた。さらに、初年度は摩擦面微小領域の力学物性を測定するためのナノインデンター装置（ダイナミック超微小硬度計）を導入・設置し、人工水晶試料を用いた測定を開始することができた。
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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
概要に記したように、摩擦実験と摩擦面接触部のナノスケール観察・分析では、いくつか新しい結果が得られ、研究は順調に進展している。特に、石英摩擦の性質が相対湿度の絶対値に対して依存性を示すことが明らかになったことは重要である。これまでの研究で、乾燥条件での摩擦の性質が大気湿度条件下での摩擦の性質と大きく異なることは知られていた。今回得られた成果は、湿度条件化における摩擦抵抗増大の素過程において、大気中の湿度が重要な役割を担っていることを示している。さらに、摩擦面上に形成された断層物質内部に、ナノスケール積層構造の発達することが確認されたことも重要な成果である。同様の変形構造は、チャートを用いた摩擦実験ですでに報告されていた。
当初計画では、初年度において数 μm/s より低速のすべりにおける摩擦実験実施のために、既存の摩擦試験機に低容量の摩擦力測定システムを組み込むことを計画していた。しかしながら、当初計画していた測定センサーでは、必要とする測定を精度良く行えないことが明らかになった。 次年度においては、新しいセンサーを検討し、幅広いすべり速度をカバーする実験体制を整える予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度に引き続き以下の（１）、（２）の内容に取り組む。さらに次年度は、次年度はまた、下記（３）の内容についても研究を進める。
（１）岩石の摩擦特性解明のための摩擦実験（プロセス解析）：京都大学の回転式摩擦試験機（中―高速用）を用いて、様々な相対湿度条件について、数 μ/s の中速から100 mm/s の高速にいたる摩擦実験をおこない、大気中水分の吸着による強度獲得過程を明らかにする。
また、既存の摩擦試験機（低―中速用）に、低容量の摩擦力測定システムを組み込む。これにより、より低速すべり条件を含んだ幅広いすべり速度での摩擦実験を実施する。
（２）摩擦面のナノスケール構造解析（プロダクト解析）： 断層表面直下および摩耗物質について、透過型電子顕微鏡（TEM）、走査型電子顕微鏡（SEM）、二次イオン質量分析計（SIMS）などを用いた観察、解析をおこない、ナノスケールの変形構造、水和化や結晶性などについて観察，分析をすすめる。
（３）摩擦面真実接触部のナノスケール力学物性解析（プロダクト解析）：本年度導入・設置したナノインデンター（ダイナミック超微小硬度計）を用いて、摩擦実験に用いた人工水晶の摩擦面微小領域について、実験前・後の各種力学物性を推定する 。
また、微小領域変形における時間依存性（クリープ変形）について調べるために、ナノインデンターによる長時間の荷重保持条件を設定した実験を行うことを計画する。この際、変形と接触時間の関係を調べることを目的とした実験モード（圧子押し込み試験）において、最大荷重の保持時間を0から100000秒までの範囲で変化させ、石英のクリープ変形に関するデータを取得することを試みる。
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