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

2003 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)硬質膜と固体潤滑膜の複合化条件の確立と評価(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で、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)をこれら硬質膜上に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特性を評価した。摩擦係数(超硬ボール)に関しては、DLC系膜は0.1前後の小さい値を示すが、DLC膜上にMoS_2膜を複合させると約0.03と大幅に低下することが判明した。一方、Cr-Ni-N系膜上にMoS_2膜を被覆した場合はDLC単独とほとんど同じか増加する傾向で、効果が少ないことが判明した。
(2)フェムト秒レーザーによる硬質膜の加工技術(真空中、試料移動)の開発(宮崎、安丸)
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。今回は特に、真空中での照射を試みた。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;固定及び直線状照射、雰囲気;大気及び真空中.
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、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、さらに、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)の構造まで変化可能で、そのサイズはレーザー波長とフルーエンスで制御可能であることを見出した。また、真空中でもフルーエンスは少し変化するが同様な傾向があることが判明した。

Research Products

• [Publications] 安丸尚樹: "レーザーによる硬質薄膜表面の周期的ナノ構造の形成と制御"レーザー学会第136研究会報告. RTM-03-36. 31-35 (2003)
• [Publications] Naoki Yasumaru: "Periodic Nanostructures Formed on TIN and DLC by Femtosecond Laser Pulses"Proceedings of CLEO/Pacific Rim 2003. 665-665 (2003)
• [Publications] 安丸尚樹: "3Dレーザープロセス加工技術の開発"福井県地域結集型共同研究事業第3回成果発表会. 22-27 (2003)
• [Publications] 安丸尚樹: "フェムト秒レーザーによる光ナノ加工技術の開発と機能性薄膜への応用"テクノふくい. 68. 20-22 (2003)
• [Publications] 安丸尚樹: "フェムト秒レーザー照射によるアブレーション閾値近傍での硬質薄膜表面"レーザー学会学術講演会第24回年次大会講演予稿集. 89-89 (2004)
• [Publications] 安丸尚樹: "フェムト秒レーザーによるDLC薄膜の表面改質"2004年(平成16年)春季第51回応用物理学関係連合講演会予稿集. (印刷中). (2004)