窒素ガス吸着により発現する窒化炭素薄膜の超低摩擦機構の解明

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450062
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 加藤 康司 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50005443)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山口 健 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50332515) ; 足立 幸志 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (10222621)
• Keywords: 窒化炭素 / 窒化ケイ素 / 窒素ガス / 低摩擦 / なじみ / 局所接触圧力 / 基板 / 薄膜

Research Abstract

申請者らは、窒素雰囲気環境下での窒化炭素膜と窒化ケイ素セラミックスとの摩擦において、無潤滑の接触にもかかわらず0.01程度の低摩擦係数が発現することを発見している。
本研究では、この低摩擦を与え得るトライボエレメントの工業的応用を最終目的としている。
1年目の本年は、窒化炭素膜と窒化ケイ素セラミックスの摩擦に及ぼす窒化炭素膜の成膜条件、基板材料、接触圧力、窒素ガス雰囲気圧力の影響を実験的に明らかにし、安定して0.03以下の摩擦係数を発現するための必要条件を明らかにした。
研究で明らかにされた0.03以下の低摩擦を実現するための必要条件を以下に示す。
(1)0.03以下の低摩擦係数を得るための窒化ケイ素球と窒化炭素膜の材料特性、表面粗さ、接触荷重により決定される局所接触圧力と窒素ガス圧力の関係に最適値が存在する。
(2)窒素ガス圧力が5x10^2Pa以下の場合、局所接触圧力を4Gpa以上にすることにより0.03以下の低摩擦係数を実現できる。これは表面粗さを制御することにより、わずかな窒素ガス圧力でも低摩擦を実現できることを意味している。
(3)窒素ガス圧力が5x10^2Pa以上の場合、局所接触圧力を2-3Gpaにすることにより0.03以下の低摩擦係数を実現できる。
(4)窒化炭素膜の硬さが窒化ケイ素球より硬い場合、安定した0.03以下の低摩擦係数を実現できる。この場合、窒化炭素膜はほとんど摩耗せず、窒化ケイ素球が摩耗することにより表面がなじみ低摩擦が実現されることに起因する。
(5)窒化炭素膜の硬さ、表面粗さは、基板材料、その粗さ、成膜方法に存在する。本実験においてこれらを制御するための指針を得た。