Superlubricity of silicon-based ceramics realized by controlling atomic-scale interfacial phenomena and structures

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シリコン系セラミクスの真空中での超潤滑現象に関して、そのメカニズムを解明することを目的として量子化学分子動力学法を用いたコンピュータシミュレーションを実施した。セラミクス同士の摩擦では摩擦係数は低下しないというこれまでの知見に基づきアモルファスカーボンとセラミクス間の摩擦界面に着目した。アモルファスカーボンの水素含有量が小さいとき、せん断はセラミクス内部で起こる。これは、セラミクスの摩耗に引き起こす。一方、水素含有量が増えると、せん断面はアモルファスカーボン内部へと移動する。このとき、アモルファスカーボン内部における激しい塑性変形は構造変化を引き起こし、やがて低摩擦界面が自己生成することで摩擦係数が降下した。すなわち、セラミクス表面におけるアモルファスカーボンの移着膜の形成とそれに伴うアモルファスカーボン同士の摩擦状態の形成が確認された。しかし、水素含有量の過度な増加は、アモルファスカーボンとセラミクス間の化学的な相互作用を弱めることから、界面での化学結合の生成が抑制され、移着膜の形成は見られなかった。このシミュレーション結果に基づき、それぞれの材料の塑性せん断強度を評価すると、窒化ケイ素と28 at. %水素含有アモルファスカーボンが同等であることが分かった。これは、アモルファスカーボンが28 at. %以上の水素含有量を有するとき、せん断面がアモルファスカーボン内部に移動可能であることを示唆している。実際ではナノスケールで均一な水素含有量を有する膜を合成することは困難であることから、潜在的な低せん断面の存在が、移着膜形成の引き金になると考えられる。以上より、シリコン系セラミクスを用いた固体潤滑システムの開発に向けた設計指針の獲得に成功した。