研究課題/領域番号 |
25249011
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研究種目 |
基盤研究(A)
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研究機関 | 東京農工大学 |
研究代表者 |
安藤 泰久 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00344169)
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研究分担者 |
福田 めぐみ 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00589765)
三宅 晃司 独立行政法人産業技術総合研究所, 先進製造プロセス研究部門, 研究グループ長 (30302392)
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研究期間 (年度) |
2013-10-21 – 2018-03-31
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キーワード | ナノストライプ / 研磨 / 多層膜 / トライボロジー / ナノパターン / 自己再生 |
研究概要 |
ナノパターン形状による流体圧力の発生と摩擦特性への影響を明らかにするため、3種類の実験装置を用いて実験を行った。 (1)回転型摩擦試験機を用いた測定では、ディスクにナノパターンを形成したプレートを一定荷重で押しつけ、ディスクを回転させて摩擦力を測定するとともに、ナノパターンの形状変化をレーザー顕微鏡及びAFMを用いて観察した。その結果、銅&ルテニウムからなるナノストライプ構造に関して、ナノ溝と平行に摩擦したときに、ナノ溝が再生または維持されやすいことが明らかになった。また動圧発生に効果があると考えられるヘリングボーン形状のパターンを作製するために、異方性エッチングにより屈曲部を有するマイクロスケールの傾斜構造を作製し、それを利用してナノストライプパターンを形成した、摩擦試験に供したところ、「く」の字の縦方向に摩擦した時の方が、横方向よりも摩擦係数が低いという結果が得られた。 (2)AFMを用いた測定では、セラミック球やガラスレンズを摺動子として用い、ナノ溝とマイクロ溝が混在するパターン上での摩擦力を測定した。摩擦力分布を測定することで、ナノ溝とマイクロ溝が混在するパターンにおいて、ナノ溝が摩擦力低減に効果があることが確認できた。この実験では、銅&銀からなるナノストライプ構造を用いた。軟質金属からなるナノパターンを用いることで、硬度が低い摺動子を用いることが可能になり、安定した測定を行うことが可能になった。 (3)起動時及び超低速摺動時の摩擦特性を明らかにするために、PZTアクチュエータを駆動機構に利用した摩擦試験機を新たに開発した。同装置を用いて摩擦力を測定したところ、ナノパターンによって摩擦係数が2割から6割程度低くなること、直交方向に摩擦した時と比較して平行に摩擦したときの方が、摩擦係数がより低くなることなどを明らかにした。
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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
当初の計画では、研磨条件の検討によってナノ溝深さを制御する予定であった。しかし、軟質金属同士の組合せによるナノストライプ構造では、研磨により軟質金属が他方の金属を覆い、ナノ溝が消失してしまうという問題が生じた。そこで、そのようなパターンに対して、ナノ溝を再生させる方法を中心に検討を行った。具体的には、イオンミリング、スパッタ、ウェットエッチングについて検討を行った。そのうち、イオンミリングなど真空中のイオン衝撃を利用した処理方法では、再デポによってナノストライプ表面に粒子状の堆積物が生成されてしまうという問題が生じた。それに対して、ウェットエッチングによれば、確実にナノ溝が再生出来ることが確認できた。したがって、採用した方法は計画通りでは無いものの、結果的には目標を達成している。摩擦試験については、摩擦試験中の流体膜厚の測定には至らなかったが、2年度目以降に予定していた低速摺動の摩擦試験に前倒しで取り組み、その点では予定以上の進捗状況となった。全体としては、概ね計画通り研究は進展している。
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今後の研究の推進方策 |
回転型摩擦試験機を用いた摩擦測定では、マイクロ傾斜構造の2次元パターンを制御して作製したナノストライプを用いて、動圧発生による潤滑効果を明らかにする。そのために、動圧によって発生した流体膜厚の測定に取り組むとともに、摩擦中のナノ溝の再生あるいは維持条件について引き続き検討を行う。滑り出し及び超低速摺動時の摩擦の測定については、凹部に保持された潤滑液が、ナノ溝にから接触面に供給されることによる効果を明らかにする。荷重、速度、滑りだす前の静止時間、潤滑液体の粘度を変化させて、滑り出し時のnmオーダーの移動距離と摩擦力の関係を明らかにする。ナノパターンの形状については、ナノ溝同士の間隔(頂上部の幅)、頂上部の表面粗さ、ナノ溝の幅と深さ、摩擦方向に対するナノ溝の角度を検討対象とする。AFMを用いた実験では、プローブの曲率半径、表面粗さをパラメータに取って摩擦特性を行うとともに、ナノパターン表面に単分子膜を被覆したときの影響についても検討を行う。
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