エネルギー問題等で注目される摩擦材料の高効率開発手法を創出

2014.06.18

独立行政法人物質・材料研究機構

NIMS、国際ナノアーキテクトニクス研究拠点ナノエレクトロニクス材料ユニットの後藤 真宏MANA研究者、ならびに先進高温材料ユニットの佐々木 道子NIMSポスドク研究員、土佐 正弘グループリーダーらは、狙った大きさの摩擦を有する「摩擦材料」の開発において、従来にない高効率な方法を創出しました。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田 資勝) 、国際ナノアーキテクトニクス研究拠点ナノエレクトロニクス材料ユニット (ユニット長 : 知京 豊裕) の後藤 真宏MANA研究者、ならびに先進高温材料ユニット (ユニット長 : 黒田 聖治) の佐々木 道子NIMSポスドク研究員、土佐 正弘グループリーダーらは、狙った大きさの摩擦を有する「摩擦材料」の開発において、従来にない高効率な方法を創出しました。エネルギーのロスを削減する低摩擦材料や、高性能ブレーキに必要な高摩擦材料など、目的に応じた摩擦係数を持つ材料の開発を大幅に加速できます。
  2. 材料の持つ摩擦の大きさを自在にコントロールする技術は、新素材開発において非常に重要な要素です。例えば、地球環境・エネルギー問題が深刻化するなか、発電機やモーターの摩擦を低下させることは省エネに直結します。こうした中、既存の構造材料にコーティングを施すことで摩擦力を制御する技術が注目されています。しかしコーティングは、その結晶配向の違いにより摩擦特性が大きく変化するため、必要とする摩擦特性を有した材料を得るには組成や結晶構造・配向などの諸条件を変えた膨大な数の実験が必要なために、開発が長期化していました。今回、コンビナトリアルテクノロジーという手法を結晶配向性制御による摩擦材料開発分野に初めて取り入れ、多くの回数に及ぶ試行を1回で済ませられる、従来にない高い効率での材料開発が可能となる全く新しい手法を創出しました。
  3. 例えば、一般的な金属酸化物である酸化亜鉛 (ZnO) は、その結晶配向性を最適化すると低摩擦現象が発現します。しかしながら、その低摩擦特性を有するための最適な結晶配向・構造を知るためには、コーティング条件を変化させ、結晶配向を様々に変化させた大量のサンプルを作製し、その結晶配向ならびに摩擦特性評価を行う必要があり、多大な研究開発期間を必要としていました。
  4. 今回、後藤らは、コーティング膜の条件 (荷重、圧子材料種や摺動回数など) を変化させて摺動した摺動痕を微小領域毎に結晶構造解析し、それらの条件変化により結晶配向を変えられることを突き止めました。また、その結晶配向に対応する場所の摩擦係数も合わせて測定することにより、摩擦係数と結晶配向との相関を一回の実験のみで明らかにすることを可能としました。
    また、本手法は、摺動条件を変化させることにより、摩擦プロセスだけで材料の結晶配向を制御することも可能となりました。これは、摩擦材料開発に大きな可能性を広げる成果です。
  5. 今回、提唱されたコンビナトリアルトライボロジー手法は、必要とする摩擦係数を有する結晶構造・配向の情報を短時間で取得することができるとともに、材料表層部の結晶配向を単なる摩擦だけで特定の結晶配向に変化させることができる方法であり、今後の摩擦材料研究の有力な手法となることが期待されます。
  6. 当該研究成果は、2014年6月18日、Tribology Letters誌に掲載予定です。また、本成果は、科学研究費補助金 (基盤研究A : 21246030) の助成、ならびに、文部科学省大学発グリーンイノベーション創出事業「グリーン・ネットワーク・オブ・エクセレンス」 (GRENE) 事業先進環境材料分野の「グリーントライボ・イノベーション・ネットワーク」プロジェクトにより得られました。
「      プレス資料中の図3 : ZnOコーティング膜の摺動に伴う結晶配向変化のモデル                                (色の違いは結晶面の違いをイメージ化したものである)」の画像

      プレス資料中の図3 : ZnOコーティング膜の摺動に伴う結晶配向変化のモデル
                                (色の違いは結晶面の違いをイメージ化したものである)