自己修復するトライボ膜の制御に向けた反応分子動力学法の開発と低摩擦界面の学理構築

反应分子动力学方法的发展和控制自修复摩擦膜的低摩擦界面理论的建立

基本信息

批准号：
22KJ0268
负责人：
川浦正之
金额：
$ 1.09万
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：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

これまでに開発してきた化学反応を扱う摺動シミュレーションの手法を活用し、炭化ケイ素の摩擦界面における自己修復メカニズムの解析を行った。炭化ケイ素は水環境中において潤滑油なしで摩擦係数0.01以下の超低摩擦状態を継続的に発現することから、潤滑油フリーの摺動材料として注目されている。摩擦時に水分子と炭化ケイ素が化学反応を起こすことによって生じるトライボ膜が低摩擦をもたらす要因であると考えられているが、実験によって摩擦中の界面を原子レベルで観測することは困難であった。そこで本研究では、化学反応を扱う分子動力学シミュレータを用いて、炭化ケイ素の水環境中の摩擦によって生じる化学反応のシミュレーションを行った。その結果、摩擦界面において継続的にケイ素由来の潤滑膜が生成されるのと同時に、炭素由来の硬質膜が摩擦界面に生成されるメカニズムを明らかにした。これは潤滑油フリーの摺動部材の開発に向けた重要な知見となると考えられる。また、従来の摺動シミュレーションを発展させ、金属材料による摩擦をターゲットとした研究を実施した。レーザーテクスチャリングによる表面加工がなされたアルミニウム基板は摺動中に表面の結晶構造が変化し、潤滑油中の添加剤との化学反応を促進することで低摩擦化・長寿命化につながると考えられている。この結晶構造変化のメカニズムの解明のため本研究では、約100万原子を扱った大規模な摺動シミュレーションを実施した。その結果、表面のテクスチャにはアルミニウム基板中の転位密度を増加させることによって、基板の硬度を上昇させる作用があることがわかった。また、局所圧力の上昇をもたらすことによって結晶粒成長を促進することが明らかとなった。今後この成果は、自動車等の摺動部材の開発に活かされることが期待される。

利用迄今为止发展起来的处理化学反应的滑动模拟方法，我们分析了碳化硅摩擦界面的自修复机制。碳化硅作为无润滑剂滑动材料而受到关注，因为它在水性环境中无需润滑油即可持续呈现摩擦系数为0.01以下的超低摩擦状态。人们认为，摩擦过程中水分子与碳化硅之间发生化学反应而产生的摩擦膜是低摩擦的原因，但通过实验很难在原子水平上观察摩擦过程中的界面。因此，在本研究中，我们使用处理化学反应的分子动力学模拟器来模拟碳化硅在水性环境中因摩擦而发生的化学反应。结果，我们阐明了在摩擦界面连续生成源自硅的润滑膜、同时在摩擦界面生成源自碳的硬质膜的机理。这被认为是开发无润滑剂滑动构件的重要知识。此外，我们还开发了传统的滑动模拟，并针对金属材料引起的摩擦进行了研究。据认为，经过激光纹理处理的铝基板表面的晶体结构在滑动过程中发生变化，促进与润滑油中的添加剂发生化学反应，从而降低摩擦并延长使用寿命。为了阐明这种晶体结构变化的机制，在这项研究中我们进行了涉及约100万个原子的大规模滑动模拟。结果发现，表面织构具有通过增加铝基材中的位错密度来增加铝基材的硬度的效果。还揭示了通过增加局部压力促进晶粒生长。预计该成果将用于汽车和其他设备滑动部件的开发。