DLC膜及びCNx膜の低摩擦機構解明とタンタル含有DLC膜の摩擦特性

摘要

ダイヤモンドは光り輝く宝石として人類を魅了する物質である.人類が入手可能な最も硬い材料として認識されており,近年ではCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic,炭素蛾維強化プラスチック）の穴あけ加工のためのドリル表面へのコーティングとして使用されている.一方,表面を保護する材料として使用される場合,様々な条件下でダイヤモンドの摩擦係数が0.1以下であることから低摩擦材料として期待されている.特に近年ではナノメートルサイズに結晶化させたダイヤモンドコーティングの実現により低摩擦を発現させる試みが行われている.上述のように炭素原子を骨格として,その結晶構造がsp~3混成軌道のみであればダイヤモンド結晶となり,sp~2混成軌道を含めばダイヤモンドライクカーボン（DLC,Diamond-Like Carbon)と呼ばれ,その含有比率によって硬さや摩擦係数が変化する.自動車用部品表面の保護膜としてこのような炭素系材料を用いる場合,例えば鉄鋼系材料であれば成膜は最終工程である.ある任意の温度を成膜時に超えてしまうと,母材には軟化や変形が生じてしまうため,成膜時の基板温度には制限が設けられることが多い.一般的にダイヤモンドの合成は高温になることが知られているため,例えば200℃以下の低温での処理が可能なDLC膜が産業応用上有利なのではないかと思われる.また,DLC膜の一般的な利点として表面粗さがナノメートルサイズの小ささで母材の形状に沿って成膜される,sp~2/sp~3比により硬さを変えることができるため,成膜条件の調節によって任意の硬さを得ることができる.上述したように被成膜物の温度を低く保つことができる（成膜時間や投入するエネルギにより異なるため一概には言えないが）,などの利点がある.近年の環境問題への関心の高さや脱石油という社会的要求もあいまって,潤滑油の使用量制限は今後も強く推進されていくものと予想される,そこで本稿ではDLC膜の研究を牽引してきたA.Erdemir(アルゴンヌ国立研究所,米国）とJ.Fontaine(リヨン工科大学,仏国）及び梅原（名古屋大学,日本）の論文を中心に研究の推進と彼らの興味の方向性についてまとめ,今後の研究動向について考えてみたいと思う.%It is generally taught that low friction and high wear proof of mechanical parts and surfaces are always required. From the common-sense in the world, people already know that we should concern about environmental problems, especially for minimizing the amount of oil use. The carbonaceous thin coating such as Diamond-Like Carbon (DLC) is one of the capable candidates to reduce friction and wear. In this review, we would like to summarize the mechanism of low friction of DLC and CNx, especially for Ali Erdemir, Julian Fontaine and Noritsugu Umehara as strategy of research work. Firstly, the summary of hydrogenated DLC which showed superlow friction by repulsive force is reported. Secondly, the role of hydrogen gas onto low friction of hydrogenated DLC is written. Finally, the superlow friction by CNx and the structural change are summarized.