2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Smart Tribosystem with Friction Induced Transformed Thin Layers
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25220902
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
梅原 徳次 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70203586)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
後藤 実 宇部工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (00435455)
月山 陽介 新潟大学, 自然科学系, 助教 (00533639)
野老山 貴行 秋田大学, 理工学研究科, 准教授 (20432247)
吉野 雅彦 東京工業大学, 工学院, 教授 (40201032)
川口 雅弘 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 開発本部開発第二部表面・化学技術グループ, 主任研究員 (40463054)
上坂 裕之 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90362318)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 工学 / 機械工学 / トライボロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は「超低摩擦発現ナノ構造変化層の摩擦時その場計測装置」と「超低摩擦摩擦面の表面エネルギーのESEM内その場評価装置」による摩擦誘導ナノ構造層による超低摩擦の安定実現の実証を行った。具体的に行った内容を以下に示す。
１．「超低摩擦発現ナノ構造変化層の摩擦時その場計測装置」による種々のスマートトライボ膜の評価 窒化炭素膜(CNx膜)にベース油中摩擦におけるナノ構造変化層の摩擦時その場計測装置を行い、構造変化層、油膜厚さと超低摩擦の関係を明らかにした。その結果、潤滑状態が境界潤滑よりは流体潤滑へ移行するだけではなく、油性に影響を及ぼすと思われるCNx表面の構造変化層の分極率と近傍の油膜の分極率が増加した，CNx膜と潤滑油間のファンデルワールス力が増加し，油分子が構造変化層極表面に吸着し，吸着分子膜を形成することで，境界潤滑部の摩擦係数が減少し，低摩擦を発現することが示唆された．
２．「超低摩擦摩擦面の表面エネルギーのESEM内その場評価装置」による種々のスマートトライボ膜の評価 表面エネルギーのESEM内その場評価装置を用いて未だ未解明であるカーボン系硬質膜の表面エネルギーと超低摩擦の関係を明らかにした。その結果、表面エネルギーが減少するに従って摩擦係数が減少し，表面エネルギーが最も低い値を示した試験片で摩擦係数μ=0.05の低摩擦を発現することが明らかになった．
３．「自己潤滑スマートトライボシステム」の超低摩擦モデルの提案と実証 「イオンビームミキシング・フィルタードアーク成膜法」による超低摩擦カーボン系硬質膜の成膜を試みた。その結果、窒素の含有率を向上させることにより、カーボン系硬質膜の破壊靭性値が増加し、摩擦により表面粗さが小さく油性に富む構造変化層の生成に有効であることが明らかになった。これは、上記のその場評価法により得られた、超低摩擦メカニズムを実証する結果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
主な研究課題において、それぞれ自己評価する。
１．「超低摩擦発現ナノ構造変化層の摩擦時その場計測装置」の試作と実証 カーボン系硬質膜の数nmの構造変化層の光学特性を誘電関数で評価することで、構造変化層の膜厚と構造及び表面粗さを非接触でその場分析が可能であり、窒化炭素膜(CNx膜)、水素含有DLC膜(a-C:H膜)及び窒化炭素膜(CNx膜）において、摩擦係数を支配するパラメータの取得に成功しており、予定通りである。
２．「超低摩擦摩擦面の表面エネルギーのESEM内その場評価装置」の試作と実証 ESEMチャンバー内での冷却ステージ上で繰り返し摩擦する「表面エネルギーのその場評価装置」の開発には成功した。窒化炭素膜に摩擦係数と表面エネルギーの関係が明らかになり、表面エネルギーが減少する雰囲気が重要であることを明らかにしている。
３。「イオンビームミキシング・フィルタードアーク成膜法による超低摩擦カーボン系硬質膜の成膜」 窒素の含有率を自在に変化させ、基板印加バイアス電圧を制御することでsp3/sp2比の制御、硬さ及び破壊靭性値の制御が可能となり、なじみやすく油性に富む構造変化層の生成が示された。上記の２種類の「摩擦時その場評価装置」により評価分析する事で摩擦誘導超低摩擦ナノ構造層によるスマートトライボシステムの材料の設計指針が完成することが期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は「超低摩擦発現ナノ構造変化層の摩擦時その場計測装置」と「超低摩擦摩擦面の表面エネルギーのESEM内その場評価装置」による摩擦誘導ナノ構造層による超低摩擦の安定実現の実証を行い、カーボン系硬質膜による自己潤滑スマートトライボシステムの材料と摩擦条件の設計指針を提案する。
具体的に行う内容を以下に示す。
１．「超低摩擦発現ナノ構造変化層の摩擦時その場計測装置」による種々のスマートトライボ膜の評価 窒化炭素膜(CNx膜)、水素含有DLC膜(a-C:H膜)に加えて、テトラゴナル窒化炭素膜(ta-CNx膜）において、ナノ構造変化層の摩擦時その場計測装置を行い、構造変化層と超低摩擦の関係を明らかにする。また、ベース油中においても摩擦時その場観察を行い、油膜厚さの影響を加えたカーボン系硬質膜の超低摩擦発現メカニズムを明らかにする。特に、高温下でのその場計測装置を完成し、温度の影響を設計指針に追加する。
２．「超低摩擦摩擦面の表面エネルギーのESEM内その場評価装置」による種々のスマートトライボ膜の評価 表面エネルギーのESEM内その場評価装置を用いて未だ未解明であるカーボン系硬質膜の表面エネルギーと超低摩擦の関係を明らかにする。これにより摩擦により表面エネルギーを減少し、摩擦力が減少する摩擦誘導「自己潤滑スマートトライボシステム」の材料の必要要件が明らかとなる。
３．「自己潤滑スマートトライボシステム」の超低摩擦モデルの提案と実証 上記の貴重なデータを総合することで、ta-CNx膜において、既に代表者が提案している超低摩擦モデルを修正し、実用的なレベルとする。
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