3次元フェムト秒レーザープロセスによる超トライボロジー複合膜の開発研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14350392
• Research Institution: Fukui National College of Technology
• Principal Investigator: 安丸 尚樹 福井工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (90158006)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 寛敬 福井工業高等専門学校, 機械工学科, 助教授 (30311020) ; 宮崎 健創 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (50293957)
• Keywords: フェムト秒レーザー / アブレーション / セラミックス膜 / DLC / 固体潤滑膜 / 複合膜 / トライボロジー

Research Abstract

(1)硬質膜・固体潤滑膜の成膜条件の確立と薄膜の評価(安丸、加藤)
ステンレス鋼基板に対し、アークイオンプレーティング装置を用いてTiN及びCr-Ni-N系硬質膜を成膜した。また、非平衡マグネトロンスパッタリング装置を用いて、バイアス電位と雰囲気ガスを調整し、低硬度(Hv1600)〜高硬度(Hv3000)のDLC膜を成膜した。さらに、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、摩擦係数の極めて小さいMoS_2膜や超軟質DLC膜(Hv700)をできるだけ高い付着力で成膜する条件を検討した。
ボール・オン・ディスク型摩擦摩耗試験機により摩擦摩耗特性の評価を行った。摩擦係数(超硬ボール)に関しては、DLC系膜は0.1前後と非常に優れた値を示した。セラミックス膜はNiを少量含有したCr-Ni-N系膜が優れていたが、DLCよりはかなり大きな値を示した。MoS_2膜はDLC膜より摩擦係数がさらに小さいが、移動しやすく耐久性が劣ることが判明した。
(2)フェムト秒レーザーによる硬質膜の高精度加工技術の開発(宮崎、安丸)
チタンサファイアレーザーをチャープパルス増幅させた高密度フェムト秒レーザーパルスの強度と偏光を調整した後、TiNおよびDLC薄膜表面に凸レンズを用いて垂直に集光させた。具体的な照射条件……波長;赤外800nm、パルス幅40fs、偏光;直線偏光(横p,縦s)と円偏光、集光スポット径;約200μm、周波数;10Hz、パルスエネルギー;40〜1100μJ、フルーエンス;0.1〜3.0J/cm^2、照射パルス数;1〜300パルス、試料;固定、雰囲気;大気中.
照射後のTiNおよびDLC薄膜をFE-SEMで観察すると、アブレーション閾値近傍の低フルーエンスで照射することにより、薄膜表面にレーザー波長の1/10〜1/5と非常に小さい周期的微細構造が形成されることを見出した。さらに、この超微細構造は、レーザーの偏光を制御することにより直線状(直線偏光)からドット状(円偏光)の構造までパターンを変化させることが可能で、そのサイズはレーザー波長に比例して変化し増減可能であることが判明した。

Research Products

• [Publications] Naoki Yasumaru: "Femtosecond-Laser-Induced Nanostructures Formed on Hard Coatings of TiN and DLC"Proceedings of SPIE. Vol.4830. 521-525 (2003)
• [Publications] Naoki Yasumaru: "Femtosecond-laser-induced nanostructure formed on hard thin films of TiN and DLC"Applied Physics A. (in press). (2003)
• [Publications] Naoki Yasumaru: "Periodic Nanostructures Formed on Hard Thin Films by Femtosecond Laser Pulses"レーザー研究. (印刷中). (2003)
• [Publications] Naoki Yasumaru: "Periodic Nanostructures Formed on Tribological Coatings of TiN and DLC by Femtosecond Laser Pulses"Abstracts of International Workshop on Tribology. 189-190 (2002)
• [Publications] 安丸尚樹: "フェムト秒レーザーにより誘起された硬質薄膜表面のナノ構造"レーザー学会学術講演会第23回年次大会講演予稿集. 105-105 (2003)
• [Publications] 安丸尚樹: "フェムト秒レーザーによる硬質薄膜表面の周期的ナノ構造形成"2003年(平成15年)春季第50回応用物理学関係連合講演会予稿集. (印刷中). (2003)