水素含有窒化炭素膜の超低摩擦界面形成機構の解明および次世代水素潤滑技術への展開

阐明含氢氮化碳薄膜超低摩擦界面形成机制及开发新一代氢润滑技术

基本信息

批准号：
20J22117
负责人：
厨川和哉
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，水素含有窒化炭素（CNx:H）膜を用いた低摩擦システムの実現ならびに次世代水素潤滑技術への応用展開のために，継続的超低摩擦界面形成機構を解明することを最終目的とする．3年目である本年は，CNx:H膜摩擦システムの低摩擦寿命においてナノ炭素界面が形成および変質することを明らかにし，低摩擦寿命が移着プロセスの変化に起因することを示した．また，持続的低摩擦界面形成における水分子および酸素分子の役割を実験的に明らかにし，持続的低摩擦発現のための指針を得た．最後に，実際に水素ガスの影響下において超低摩発現が可能であることを示した．得られた具体的な結果は以下の通りである．1. Si3N4/CNx:H摩擦対が高真空環境下で超低摩擦を発現した際，Si3N4上には層-バルク間にSiCを化学的に形成したナノ炭素層（厚さ10-20 nm程度）が形成される．一方で，低摩擦寿命後は炭素層形成が生じなくなり，高さ数十nmオーダの炭素系凝着物が不均一に分布した界面が形成される．2. Si3N4/CNx:H摩擦対は，真空環境下での摩擦において炭素数1-4の炭化水素ガスを生成する．また，低摩擦寿命における摩擦上昇に伴い炭素数1-2の炭化水素ガスの生成量が急増する傾向を示す．3. 極低湿度・低酸素濃度（<0.05%RH, <5 ppmO2）の窒素雰囲気下において低摩擦寿命を発現したSi3N4/CNx:H摩擦対は，最適な相対湿度（0.1-1%RH）に加湿した環境で再度摩擦させることで超低摩擦界面を再形成し，摩擦係数0.05以下の低摩擦を回復する．4. 水素・窒素混合ガス吹付によって湿度制御した摩擦環境において，CNx:H膜はSi3N4およびSiCを相手材として摩擦係数0.05以下の低摩擦を発現することを実証し，水素ガス環境におけるCNx:H膜の超低摩擦界面形成が可能であることを示した．

本研究旨在阐明连续超低摩擦界面形成机制，以实现利用含氢氮化碳（CNx:H）薄膜的低摩擦系统，并开发其应用于下一代氢润滑技术的目的。今年，即第三年，我们揭示了纳米碳界面在CNx:H薄膜摩擦系统的低摩擦寿命期间形成和改变，并表明低摩擦寿命是由于传递过程的变化造成的。此外，我们通过实验阐明了水分子和氧分子在形成持续低摩擦界面中的作用，并获得了实现持续低摩擦的指导方针。最后，我们证明在氢气的影响下实际上可以实现超低摩擦。得到的具体结果如下。 1、当Si3N4/CNx:H摩擦副在高真空环境下表现出超低摩擦力时，在层与体之间会形成一层化学形成的SiC纳米碳层（厚度约为10-20 nm）。已形成。另一方面，在低摩擦寿命之后，不再发生碳层形成，并且形成高度为数十纳米量级的碳基沉积物不均匀分布的界面。 2、Si3N4/CNx:H摩擦副在真空环境下摩擦时产生含1-4个碳原子的烃类气体。另外，在低摩擦寿命期间，随着摩擦的增加，产生的具有1-2个碳原子的烃气体的量趋于快速增加。 3、Si3N4/CNx:H摩擦副，在极低湿度和低氧浓度（<0.05%RH，<5 ppmO2）的氮气气氛下表现出低摩擦寿命，具有最佳相对湿度（0.1-1%）通过在潮湿环境中再次施加摩擦，重新形成超低摩擦界面，恢复小于0.05的低摩擦。 4. 我们证明，在通过喷射氢/氮混合气体控制湿度的摩擦环境中，使用 Si3N4 和 SiC 作为配合材料，CNx:H 薄膜表现出低摩擦，摩擦系数为 0.05 或更小。可以在薄膜中形成超低摩擦界面。