撥水表面上の水滴を利用した微小軸受の開発

利用防水表面上的水滴开发微型轴承

基本信息

批准号：
15760088
负责人：
鈴木健司
金额：
$ 2.37万
依托单位：
Kogakuin University (2004)The University of Tokyo (2003)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

マイクロマシンの可動部では、スケール効果により表面力が体積力に比べて支配的になるため、表面力に起因する摩擦や摩耗の増大が問題となっている。本研究では、表面力の一種である撥水表面上の水の表面張力を利用して、新しい潤滑原理に基づくすべり軸受を開発した。この軸受は、相対運動を行う2平面上に撥水処理を施し、水滴を挟んですべらせる構造になっており、水滴に発生する正のラプラス圧力により荷重を支え、撥水面上での水滴の移動しやすさを利用して潤滑を行うものである。撥水材料としてパラフィンおよびPTFEを用い、撥水面の表面粗さと、水滴の負荷容量、摩擦力の関係を調べた。その結果、表面粗さの増加により負荷容量は増加するが、摩擦力はそれほど変化せず、水滴と固体表面の間に空気がトラップされる場合にのみ摩擦力が急激に減少することが確認された。また、摩擦速度が小さい場合には、摩擦力は速度にはよらず、水滴の外周の長さに比例することが確認された。この結果より、水滴の前縁、後縁に働く表面張力の差が摩擦力の原因となることを仮定して摩擦力の理論式を導き、実験結果と比較したところ、両者がよく一致することが確認され、理論の妥当性が示された。また、摩擦速度が速い場合には、速度の増加とともに摩擦力が増加し、その増分は、水滴が表面上を滑らずに転がっていると仮定したときの粘性力の理論値とよく一致した。このことから、水滴は撥水表面上を転がっており、速度が増加すると水滴内部の流動による粘性抵抗が摩擦力に影響を及ぼすことが確認された。

在微型机械的可移动部件中，由于尺度效应，表面力变得比体力更占主导地位，导致表面力引起的摩擦和磨损增加。在这项研究中，我们利用防水表面上的水的表面张力（一种表面力）开发了一种基于新润滑原理的滑动轴承。该轴承对相对移动的两个平面进行了防水处理，并具有允许水滴在它们之间滑动的结构。该轴承利用水滴中产生的正拉普拉斯压力来支撑负载，并且防止水滴落在防水表面上，它利用其易于移动的特性提供润滑。采用石蜡和聚四氟乙烯作为拒水材料，研究了拒水表面的表面粗糙度、水滴的承载能力和摩擦力之间的关系。结果证实，尽管负载能力随着表面粗糙度的增加而增加，但摩擦力并没有明显变化，并且只有当空气被截留在水滴和固体表面之间时，摩擦力Ta才急剧减小。还证实，当摩擦速度较低时，摩擦力不取决于速度而是与水滴外周的长度成正比。根据这一结果，我们推导出摩擦力的理论公式，假设作用在水滴前缘和后缘上的表面张力差异是摩擦力的原因，当我们将其与实验结果进行比较时，我们发现：两者的一致性得到了证实，证明了该理论的有效性。此外，当摩擦速度较高时，摩擦力随着速度的增加而增加，并且该增加与假设水滴在表面上滚动而不滑移时的粘性力的理论值非常吻合。这证实了水滴在防水表面上滚动，并且随着速度增加，水滴内部流动产生的粘性阻力影响摩擦力。