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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J22117/
• 关键词: 窒化炭素; 超低摩擦; 水素; 酸素分子; 水分子; 低摩擦寿命; トライボ化学反応

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．

This study aims to clarify the mechanism for the formation of ultra-low friction interfaces in water-containing carbon (CNx:H) films and to demonstrate the causes for the evolution of carbon interface in water-containing carbon (CNx:H) films. The low-friction interface between the water molecule and the acid molecule is formed, and the low-friction interface is formed. Finally, under the influence of water element, ultra-low friction appears. Get specific results below. Si3N4/CNx:H friction pairs occur under high vacuum conditions, and carbon layers (about 10-20 nm thick) are formed on Si3N4. On the one hand, the carbon layer is formed after the low friction life, and the carbon system condensate is distributed inhomogenously at the high temperature of tens of nm. Si3N4/CNx:H friction pairs, friction in vacuum environment, carbon number 1-4 and carbon water element formation. In addition, the friction increase during low friction life is accompanied by the rapid increase of carbon number 1-2 and the amount of carbonized water generated. 3. Very low humidity, low acid concentration (<0.05%RH, <5 ppmO2) and low friction life under ambient conditions Si3N4/CNx:H friction pairs, optimum humidity (0.1-1%RH) and humidified environment friction re-formation, friction coefficient below 0.05 low friction recovery. The CNx:H film has a low friction coefficient of less than 0.05 and can be formed in the moisture environment.

项目成果

大気中無潤滑下における窒化炭素膜を用いた超低摩擦発現のための臨界温度

在无润滑的大气中使用氮化碳膜实现超低摩擦的临界温度

• 发表时间: 2020
• 作者: Mayuko Mori;Akihiko Fukui;Norio Narita et al.;粂 潤哉;伊藤将，厨川和哉，神田航希，足立幸志
• 通讯作者: 伊藤将，厨川和哉，神田航希，足立幸志

Critical concentration of Oxygen and Water molecules for Continuous Low Friction of Hydrogenated Carbon Nitride Coatings

氢化碳氮化物涂层连续低摩擦所需的氧气和水分子的临界浓度

• 发表时间: 2022
• 作者: Kazuya Kuriyagawa;Koshi Adachi
• 通讯作者: Koshi Adachi

窒化炭素膜を用いた摩擦システムにおける摩擦表面温度と雰囲気湿度の制御による低摩擦の発現可能性

通过控制使用氮化碳膜的摩擦系统中的摩擦表面温度和大气湿度来实现低摩擦的可能性

• 发表时间: 2022
• 作者: Saito Kengo;Yoshino Mayuko;Mizuguchi Keichi;Horiike Toshihide;Dinh Duong Tung Anh;Shinmyo Yohei;Kawasaki Hiroshi;玉川達紀，小川諒，厨川和哉，村島基之，足立幸志
• 通讯作者: 玉川達紀，小川諒，厨川和哉，村島基之，足立幸志

窒化炭素膜を用いた大気中摩擦システムにおける超低摩擦界面形成に及ぼす加熱温度と湿度の影響

氮化碳薄膜大气摩擦系统中加热温度和湿度对超低摩擦界面形成的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: Saito Kengo;Yoshino Mayuko;Mizuguchi Keichi;Horiike Toshihide;Dinh Duong Tung Anh;Shinmyo Yohei;Kawasaki Hiroshi;山口遼・大伴潔・橋本創一・和知真由・堂山亞希・田口禎子・田中里実・霜田浩信;黒沢祐人;小川諒，厨川和哉，片桐薫，神田航希，足立幸志
• 通讯作者: 小川諒，厨川和哉，片桐薫，神田航希，足立幸志

窒化炭素膜を用いた摩擦システムにおける低摩擦継続性に及ぼす酸素の影響

氧对使用氮化碳薄膜的摩擦系统中低摩擦连续性的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 中嶋 大輔;西山 義剛;横島 聡;厨川和哉，足立幸志
• 通讯作者: 厨川和哉，足立幸志