カーボンオニオン－ＤＬＣ複合膜の開発と超潤滑システムへの応用

碳洋葱-DLC复合膜的研制及其在超级润滑系统中的应用

基本信息

批准号：
13J08340
负责人：
澤井周
金额：
$ 1.09万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

当該年度においては、昨年度において確立された集積ＣＮＰ（カーボンナノ粒子）薄膜の合成手法に基づき、基板上に合成された集積ＣＮＰ薄膜のトライボロジー特性について明らかにした。具体的には、シリコン基板上に合成された集積ＣＮＰ薄膜について、ＳＵＪ２球を相手材とする摩擦試験が、各種雰囲気において実施された。特に水素雰囲気におけるマクロスケール摩擦試験において、集積ＣＮＰ薄膜の膜厚が数十ナノメートル程度であるにも拘わらず、摩擦係数が０．０１程度という超低摩擦が観察された。数百回の摺動試験が実施されたが、摺動痕の変化は目視では確認されなかった。摺動痕および相手材の移着膜の構造解析を行った結果、以下の特徴が得られた。基板上の摺動痕のＣＮＰの構造は変化していなかったが、摺動痕の最表面構造は、水素を多く含んだグラファイト層であることが明らかとなった。また、相手材の移着膜は、水素を多量に含んだＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）構造であることが明らかとなった。以上の構造解析結果より、以下のような考察を行った。水素雰囲気下においては、集積ＣＮＰ薄膜は従来のＤＬＣ膜よりも多孔質的な性質を持つため、薄膜が押圧される際に構造が破壊され、水素が吸着可能なサイトがＣＮＰの表面に多量に生じたことが考えられる。その結果、水素を多量に含むＤＬＣもしくはグラファイト構造が生じたものと考えられる。この場合、移着膜および摺動痕の最表面層に、潤滑性の非常に高いアモルファス層が構成され、低摩擦が発現したと考えられる。本研究の摩擦低減メカニズムは、従来のＤＬＣ膜の水素雰囲気下における低摩擦メカニズムとは異なる。つまり、従来の薄膜による超潤滑とは異なる、ナノ粒子の特殊雰囲気下における超潤滑応用への基礎的な知見が得られたものと考える。

在本财年，我们以去年建立的集成CNP（碳纳米颗粒）薄膜的合成方法为基础，阐明了在基材上合成的集成CNP（碳纳米颗粒）薄膜的摩擦学特性。具体而言，使用SUJ2球作为对应材料，在各种气氛下对在硅基板上合成的集成CNP薄膜进行摩擦测试。特别是，在氢气气氛中的宏观摩擦测试中，尽管集成的CNP薄膜的厚度约为几十纳米，但仍观察到摩擦系数约为0.01的超低摩擦。尽管进行了数百次滑动测试，但目视确认滑动痕迹没有变化。对配合材料的滑动痕迹和转印膜进行结构分析的结果，获得了以下特性。虽然基板上滑动痕迹中的CNP结构没有改变，但可以清楚地看出，滑动痕迹的最外表面结构是含有大量氢的石墨层。另外，可知配套材料的转印膜具有含有大量氢的DLC(类金刚石碳)结构。基于上述结构分析结果，做出以下考虑。在氢气气氛中，集成的CNP薄膜比传统的DLC薄膜具有更多的多孔性，因此当薄膜受压时，结构被破坏，在CNP上产生大量可以吸附氢的位点表面上有可能发生这种情况。认为其结果是生成了含有大量氢的DLC或石墨结构。在这种情况下，认为在转印膜的最外层和滑动痕迹上形成了具有非常高的润滑性的非晶层，并且表现出低摩擦。本研究的减摩机制与氢气氛下传统DLC薄膜的减摩机制不同。换句话说，我们相信我们已经获得了在特殊气氛下应用纳米粒子进行超级润滑的基础知识，这与传统使用薄膜的超级润滑不同。

项目成果

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Synthesis and characterization of carbon nanoparticle films prepared by plasma-based ion implantation

等离子体离子注入制备碳纳米粒子薄膜的合成与表征

DOI：
10.1002/sia.5457
发表时间：
2014
期刊：
Surface and Interface Analysis
影响因子：
1.7
作者：
Shu Sawai;Yuya Nakahara;Naohiro Matsumoto;Junho Choi;Takahisa Kato;Masahiro Kawaguchi
通讯作者：
Masahiro Kawaguchi

Synthesis and Characterization of High-Density Nano Carbon Particle Film by Plasma-Based Ion Implantation Method

等离子体离子注入法合成高密度纳米碳粒子薄膜并表征