(57)【要約】【課題】少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材と、第２部材とが摩擦するにあたり、第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力を小さく抑える。【解決手段】少なくとも一部がグラフェン２ｂで構成された第１部材２と、第２部材３とが摩擦する摩擦構造体１であって、第２部材３において、第１部材２のグラフェン２ｂとの間で摩擦が行われる部分はＳｉ−ＤＬＣにより構成されている摩擦構造体１。摩擦構造体１は、第１部材２と第２部材３とを収容する摩擦室と、第２部材３を構成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率に応じて摩擦室内の湿度を制御する湿度制御部とをさらに備えることができる。さらに、摩擦室内の湿度は８０％以上であってもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材と、第２部材とが摩擦する摩擦構造体であって、
前記第２部材において、前記第１部材のグラフェンとの間で摩擦が行われる部分はＳｉ−ＤＬＣにより構成されていることを特徴とする摩擦構造体。
【請求項２】
前記摩擦構造体は、
前記第１部材と前記第２部材とを収容する摩擦室と、
前記第２部材を構成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率に応じて前記摩擦室内の湿度を制御する湿度制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の摩擦構造体。
【請求項３】
前記摩擦室内の湿度は、８０％以上であることを特徴とする請求項２に記載の摩擦構造体。
【請求項４】
少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材を第２部材と摩擦させる方法であって、
前記第２部材において、前記第１部材のグラフェンとの間で摩擦が行われる部分はＳｉ−ＤＬＣにより構成されていることを特徴とする摩擦方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材と、第２部材とが摩擦する摩擦構造体及びこれを用いた摩擦方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、摩擦構造体として、少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材と、第２部材とが摩擦するものが使用される。グラフェンは、薄膜でありながら炭素系材料の中で最も機械的強度が高い材料である。このため、このような摩擦構造体は、第１部材の一部を薄膜のグラフェンで構成することによる摩擦構造体の大型化を回避でき、しかも、第１部材と第２部材との摩擦による第１部材の摩耗に対する耐久性を高めることができる。なお、グラフェンとは、ｓｐ２結合がなされた炭素原子で構成された二次元シート構造を有する化合物である。
【０００３】
例えば、特許文献１では、第１電極（第１部材）の上面に形成されたエネルギー発生層であるグラフェンと、第２電極（第２部材）とが摩擦して電気エネルギーを発生させる摩擦発電機（摩擦構造体）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２０８８１６号公報
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載の摩擦発電機（摩擦構造体）では、グラフェンとの間で摩擦が行われる第２部材の材料によっては、第１部材のグラフェンが摩耗したり第２部材の表面が剥離したりするおそれがある。例えば、第２部材を鋼で構成すると第１部材のグラフェンが摩耗するおそれがあり、第２部材の表面を非晶質硬質炭素膜で構成すると非晶質硬質炭素膜が第２部材の残りの部分から剥離するおそれがある。このため、第１部材のグラフェンを第２部材と摩擦する場合には、第１部材と第２部材との両方を保護するために、第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力を小さく抑える必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材と、第２部材とが摩擦するにあたり、第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力を小さく抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材と、第２部材とが摩擦する摩擦構造体であって、前記第２部材において、前記第１部材のグラフェンとの間で摩擦が行われる部分はＳｉ−ＤＬＣにより構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、第２部材において第１部材のグラフェンとの間で摩擦が行われる部分がＳｉ−ＤＬＣにより構成されていることにより、当該摩擦によりグラフェンとＳｉ−ＤＬＣとが共に大気中の水分と水素結合を生じ、この水分が第１部材と第２部材との間に水分子層として形成されるため、この水分子層により第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力を小さく抑えることができる。
【０００９】
また、前記摩擦構造体は、前記第１部材と前記第２部材とを収容する摩擦室と、前記第２部材を構成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率に応じて前記摩擦室内の湿度を制御する湿度制御部とをさらに備えることができる。これにより、第１部材と第２部材とが収容される室内における湿度を制御することができ、第２部材を構成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率に応じて第１部材と第２部材との間に効果的に水分子層を形成することができる。このため、第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力を効果的に小さく抑えることができる。
【００１０】
さらに、前記摩擦室内の湿度は８０％以上であってもよい。これにより、第１部材と第２部材との摩擦により、第１部材のグラフェンを非晶質硬質炭素膜に構造変化させると共に、この非晶質硬質炭素膜の分子中にＣ−ＯＨを形成することができる。これにより、第１部材と第２部材との摩擦により第２部材のＳｉ−ＤＬＣ分子中に形成されたＳｉ−ＯＨと共に、大気中の水分子と水素結合を生じさせることができ、第１部材と第２部材との間に水分子層をより効果的に形成することができる。このため、第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力をさらに小さく抑えることができる。
【００１１】
また、本発明は、少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材を第２部材と摩擦させる方法であって、前記第２部材において、前記第１部材のグラフェンとの間で摩擦が行われる部分はＳｉ−ＤＬＣにより構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、第２部材において第１部材のグラフェンとの間で摩擦が行われる部分がＳｉ−ＤＬＣにより構成されていることにより、当該摩擦によりグラフェンとＳｉ−ＤＬＣとが共に大気中の水分と水素結合を生じ、この水分が第１部材と第２部材との間に水分子層として形成されるため、この水分子層により第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力を小さく抑えることができる。  
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材と、第２部材とが摩擦するにあたり、第１部材と第２部材との間で生じる摩擦力を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る摩擦構造体の一実施形態を示す概略図である。
【図２】図１に示す摩擦構造体の試験例における試験条件を説明するための図及び表である。
【図３】図１に示す摩擦構造体の試験例における結果を示すグラフである。
【図４】図１に示す摩擦構造体の試験例における結果を示すグラフである。
【図５】図１に示す摩擦構造体の試験例における結果を示す光学顕微鏡画像及びグラフである。
【図６】図１に示す摩擦構造体の試験例における摩擦メカニズムを分析するための図である。
【図７】図１に示す摩擦構造体の試験例における結果を示すグラフである。
【図８】図１に示す摩擦構造体の試験例における結果を示す光学顕微鏡画像及びグラフである。
【図９】図１に示す摩擦構造体の試験例における結果を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る摩擦構造体の第１摩擦メカニズムを説明するための図である。
【図１１】本発明に係る摩擦構造体の第２摩擦メカニズムを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明に係る摩擦構造体の構成について説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る摩擦構造体の一実施形態を示す概略図である。同図に示すように、摩擦構造体１は、少なくとも一部がグラフェンで構成された第１部材２と、第１部材２との間で摩擦が行われる第２部材３とを備えている。第１部材２は、基板２ａと、基板２ａに形成されたグラフェン２ｂとを備えている。ここで、基板２ａは、ＳｉＯ２／Ｓｉ基板である。また、第２部材３は、第１部材２のグラフェン２ｂとの間で摩擦が行われる部分がＳｉ−ＤＬＣで構成されている。
【００１７】
ここで、Ｓｉ−ＤＬＣとは、分子中にＳｉ（ケイ素）原子が含まれるダイヤモンドライクカーボンである。また、ダイヤモンドライクカーボンとは、非晶質硬質炭素膜のうち、黒鉛よりもダイヤモンドに近い特性を有するものである。さらに、非晶質硬質炭素膜とは、分子中にダイヤモンド結晶構造と黒鉛構造との両方を含む膜である。ダイヤモンド結晶構造とは、ｓｐ３混成軌道を有する炭素原子（ｓｐ３結合がなされた炭素原子）を含み正四面体に形成された分子構造である。また、黒鉛構造とは、ｓｐ２混成軌道を有する炭素原子（ｓｐ２結合がなされた炭素原子）により正六角形状の平面層に形成された分子構造である。非晶質硬質炭素膜は、低摩擦性、耐摩耗性、高硬度性、離型性、耐腐食性を有している。
【００１８】
また、摩擦構造体１は、第１部材２と第２部材３とを収容する摩擦室（図示せず）と、この摩擦室内の湿度を制御する湿度制御部（図示せず）とをさらに備えている。ここで、湿度制御部は、第２部材３を構成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率に応じて摩擦室内の湿度を制御する。
【００１９】
次に、本発明に係る摩擦構造体の摩擦試験例における試験条件について説明する。
【００２０】
図２は、図１に示す摩擦構造体の摩擦試験例を説明するための図及び表であり、（ａ）は摩擦試験装置の概略図を示し、（ｂ）は摩擦試験条件を示す表であり、（ｃ）はＳｉ−ＤＬＣの成膜条件を示す表である。
【００２１】
同図（ａ）に示すように、摩擦試験装置１１は、摩擦室１２と、摩擦室１２の内部に設けられた載置台１３と、載置台１３の上面で回転する基板１４（図１に示す第１部材２に相当）と、基板１４に押しつけられるボール１５（図１に示す第２部材３に相当）とを備えている。ここで、基板１４は複層グラフェンであり、ボール１５は、ＳＵＪ２鋼球である球体１５ａと、球体１５ａの表面に形成されたＳｉ−ＤＬＣ又はＨ−ＤＬＣで構成される保護膜１５ｂとを有する。
【００２２】
ここで、同図（ｂ）に示すように、摩擦試験装置１１はボールオンディスク型回転摩擦を行うものとし、ボール１５の荷重は１００ｇ（０．９８Ｎ）とした。また、基板１４の回転半径を１．０〜３．５ｍｍとした。さらに、基板１４の回転速度は２０ｍｍ／ｓ（５５〜１９１ｒｐｍ）とした。また、摩擦室１２の内部は大気で満たすと共に、この大気における相対湿度（ＲＨ）を１０、４０、７０及び８０％にそれぞれ制御した。さらに、摩擦室１２の内部温度は２２±１℃とした。
【００２３】
また、同図（ｃ）に示すように、バイポーラＰＢII＆Ｄ法によりボール１５を製造した（ＳＵＪ２鋼球の表面にＳｉ−ＤＬＣを形成した）。この製造方法は、次のように行った。まず、チャンバの内部に電極及びＳＵＪ２鋼球を収容した。次に、ガス供給装置からＳＵＪ２鋼球に成膜するための成膜ガスをチャンバの内部に供給した。さらに、電圧印加装置により正電圧及び負電圧（パルス電圧）を交互に電極に印加した。これにより、チャンバの内部にプラズマ空間を形成し、このプラズマ空間に成膜ガスを通過させることでイオンを発生させ、このイオンによりＳＵＪ２鋼球の表面にＳｉ−ＤＬＣを形成した。
【００２４】
ここで、この製造条件（成膜条件）は、パルス電圧の周波数を４０００Ｈｚとし、チャンバ内のガス圧力を０．４Ｐａとした。さらに、パルス電圧は、正電圧を＋１．５ｋＶとすると共に負電圧を−５．０ｋＶとした。また、成膜時間は２ｈとした。そして、成膜ガスを１０sccmの流量でチャンバ内に供給した。また、成膜ガスには、ＴＭＳとトルエンとを含むものを使用した。ここで、ＴＭＳとはテトラメチルシランを意味している。なお、比較例としてＳｉ−ＤＬＣに代えてＨ−ＤＬＣを成膜する場合には、成膜ガスにはトルエンのみを含むものを使用した。
【００２５】
さらに、本発明に係る摩擦構造体の摩擦試験例における結果について説明する。具体的には、グラフェンとの間で摩擦が行われるＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率と摩擦環境における大気中の湿度との関係、この関係から導き出した好適な摩擦条件、この摩擦条件と通常の摩擦条件との摩擦メカニズムの差異点について説明する。
【００２６】
図３は、図２に示す摩擦試験装置１１において基板１４（複層グラフェン）とボール１５との間で行われた摩擦時間（横軸）に対する基板１４の摩擦係数（縦軸）を示すグラフである。また、図３には、異なるＳｉ含有率を有するＳｉ−ＤＬＣ（ボール１５の保護膜１５ｂ）を使用した場合における摩擦試験例の結果が示されている。
【００２７】
図３（ａ）は、図２に示す摩擦試験装置１１においてボール１５の表面にＨ−ＤＬＣを形成する場合（Ｓｉ０％）及び低Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣを形成する場合（Ｓｉ９．４％、Ｓｉ７．９％、Ｓｉ３．４％）を示している。図３（ａ）に示されるように、摩擦室１２の内部湿度が４０％（低湿度）である場合、ボール１５の表面に低Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣを形成することでＨ−ＤＬＣを形成する場合に比較して基板１４の摩擦係数を小さく抑えることができた。特に、Ｓｉ含有率が７．９％以上９．４％以下のＳｉ−ＤＬＣを形成することで、Ｓｉ含有率が３．４％のＳｉ−ＤＬＣを形成する場合に見られた微小時間における基板１４の摩擦係数の急上昇を防止することができ、基板１４の摩擦係数μを０．０４２〜０．０４９で安定させることができた。
【００２８】
また、図３（ｂ）は、図２に示す摩擦試験装置１１においてボール１５の表面に高Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣを形成する場合（Ｓｉ２６．３％、Ｓｉ１８．６％、Ｓｉ１２．７％）を示している。図３（ｂ）に示されるように、摩擦室１２の内部湿度が４０％（低湿度）である場合、ボール１５の表面に高Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣを形成することでＨ−ＤＬＣを形成する場合に比較して基板１４の摩擦係数を小さく抑えることができた（摩擦時間２００ｓまでの間）。しかし、ボール１５の表面に高Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣを形成する場合、微小時間における基板１４の摩擦係数の急上昇が見られ、基板１４の摩擦係数は安定しなかった。
【００２９】
したがって、図３に示すように、低湿度大気である摩擦環境（摩擦室１２内）においては、摩擦部材（ボール１５）に形成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率が低い場合は、Ｓｉ−ＤＬＣとの間で摩擦が行われるグラフェン（基板１４）の摩擦係数を小さく抑えることに加え、グラフェンの摩擦係数が小さい状態で安定させることができる。これに対し、摩擦部材（ボール１５）に形成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率が高い場合は、Ｓｉ−ＤＬＣとの間で摩擦が行われるグラフェン（基板１４）の摩擦係数を小さく抑えることができるが、グラフェンの摩擦係数を小さい状態で安定させることはできない。
【００３０】
そこで、次に、摩擦室内の湿度を７０％（中湿度）にした場合において、ボール１５の表面に低Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣと高Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣとを形成した場合における基板１４の摩擦係数の変化について説明する。
【００３１】
図４（ａ）は、図２に示す摩擦試験装置１１においてボール１５の表面にＳｉ含有率が９．４％のＳｉ−ＤＬＣ（低Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣ）を形成する場合において、摩擦室１２の内部湿度が４０％（低湿度）及び７０％（中湿度）である場合をそれぞれ示している。図４（ａ）に示されるように、摩擦室１２の内部湿度が４０％及び７０％のいずれの場合も、基板１４の摩擦係数を小さく抑えることができるが、湿度が７０％である場合には微小時間における基板１４の摩擦係数の急上昇が見られるのに比較して、湿度が４０％である場合は基板１４の摩擦係数を安定させることができた。
【００３２】
一方、図４（ｂ）は、図２に示す摩擦試験装置１１においてボール１５の表面にＳｉ含有率が１８．６％のＳｉ−ＤＬＣ（高Ｓｉ含有率のＳｉ−ＤＬＣ）を形成する場合において、摩擦室１２の内部湿度が４０％（低湿度）、７０％（中湿度）及び８０％（高湿度）である場合をそれぞれ示している。図４（ｂ）に示されるように、摩擦室１２の内部湿度が４０％、７０％及び８０％のいずれの場合であっても、基板１４（複層グラフェン）の摩擦係数を小さく抑えることができるが（低湿度の場合は摩擦時間２００ｓまでの間）、湿度が４０％である場合には微小時間における基板１４の摩擦係数の急上昇が見られるのに対し、湿度が７０％である場合には基板１４の摩擦係数を安定させることができた。
【００３３】
つまり、図４に示すように、グラフェンとＳｉ−ＤＬＣとを摩擦するにあたっては、Ｓｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率及び摩擦環境の大気中の湿度にかかわらず、グラフェンの摩擦係数を小さく抑えることができる。しかし、グラフェンの摩擦係数を小さい状態で安定させるためには、低湿度環境においてＳｉ含有率が小さいＳｉ−ＤＬＣを使用するか、又は、中湿度環境においてＳｉ含有率が大きいＳｉ−ＤＬＣを使用する必要がある。
【００３４】
ところで、図４（ｂ）に示すように、摩擦室内の湿度が８０％である場合は、摩擦室内の湿度が４０％及び７０％である場合に比較して、基板１４の摩擦係数をより小さく抑えることができると共に（摩擦係数μ＝０．０３５）、基板１４の摩擦係数が微小時間に急上昇することなく安定している。このため、摩擦室内の湿度が８０％未満である場合と８０％以上である場合とで、摩擦メカニズムが共通するのか否かを以下において分析した。
【００３５】
まず、摩擦環境（摩擦室内）の湿度が８０％未満である場合における摩擦メカニズムの分析結果について説明する。
【００３６】
図５は、図２に示す摩擦試験装置１１における摩擦後の基板１４の状態を示す光学顕微鏡画像及びラマンスペクトルを示している。図５（ａ）は、ボール１５の表面に形成されるＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率が９．４％であり、摩擦室１２の内部湿度が４０％である場合における光学顕微鏡画像及びラマンスペクトルを示している。さらに、図５（ｂ）は、ボール１５の表面に形成されるＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率が１８．６％であり、摩擦室１２の内部湿度が７０％である場合における光学顕微鏡画像及びラマンスペクトルを示している。さらに、図５（ｃ）は、ボール１５の表面にＨ−ＤＬＣを形成すると共に、摩擦室１２の内部湿度を４０％とした場合における光学顕微鏡画像及びラマンスペクトルを示している。ここで、図５（ａ）〜（ｃ）それぞれにおいて、右側に示されるラマンスペクトルに付された符号１〜３は、左側に示される光学顕微鏡画像に付された符号１〜３の箇所で試料を採取したことを示している。
【００３７】
図５（ａ）〜（ｃ）における「２」で示されるラマンスペクトルにおいて、図５（ａ）（ｂ）で検出されたピーク（符号Ｘ、Ｙが付された部分のピーク）に相当するピークが図５（ｃ）では検出されなかった。つまり、図５は、基板１４と摩擦を行うボール１５の表面にＳｉ−ＤＬＣを形成することで、ボール１５の表面にＨ−ＤＬＣを形成する場合では検出されない物質が基板１４の摩擦痕で検出されたことを示している。
【００３８】
図６は、図５（ａ）（ｂ）において符号Ｘ、Ｙによって示されるピークを詳細に解析するためのグラフを示している。図６は、ラマンシフト（横軸）に対するピーク強度（縦軸）を示すグラフである。図６（ａ）において、図５（ａ）の「２」で示されたラマンスペクトルが上側に位置しており、Ｓｉ−ＤＬＣのラマンスペクトルが下側に位置している。ここで、図６（ａ）における上側のラマンスペクトルから下側のラマンスペクトルを差し引くと、図６（ｂ）に示すようになる。また、図６（ｂ）は、グラフェンのラマンスペクトルであることが知られている。このことから、図５（ａ）において符号Ｘで示されるピークは、基板１４とボール１５との摩擦によりボール１５から基板１４へ移着したＳｉ−ＤＬＣに由来するものであることが示された。なお、図５（ｂ）において符号Ｙで示されるピークも、同様にＳｉ−ＤＬＣのピークであると考えられる。
【００３９】
そこで、ボール１５から基板１４へ移着したＳｉ−ＤＬＣの具体的な化学構造について分析した。図７は、基板１４に移着したＳｉ−ＤＬＣをＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）で解析したものであり、結合エネルギー（横軸）に対するピーク強度（縦軸）の関係を示している。図７（ａ）はＳｉ２ｐピークを示しており、図７（ｂ）はＯ１ｓピークを示している。図７（ａ）に示すように、ボール１５の表面に形成されたＳｉ含有率が９．４％のＳｉ−ＤＬＣ（Ｓｉ９．４％ ball）においてはＳｉ−Ｃが検出されているのに対し、基板１４に移着したＳｉ−ＤＬＣで構成される移着物(weartrack)においてはＳｉ−Ｏが検出されている。また、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）に示されるＳｉ−Ｏは、Ｏ２−Ｓｉ由来のものではなくＳｉ−ＯＨ（Ｏ−Ｓｉ−Ｃ）由来のものである。つまり、図７は、基板１４とボール１５との摩擦により基板１４に移着したＳｉ−ＤＬＣが、その分子中にＳｉ−ＯＨを含むことを示している。
【００４０】
次に、摩擦環境（摩擦室内）の湿度が８０％以上である場合における摩擦メカニズムの分析結果について説明する。
【００４１】
図８は、図２に示す摩擦試験装置１１における摩擦後の基板１４の状態を示す光学顕微鏡画像及びラマンスペクトルを示している。図８は、ボール１５の表面に形成されるＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率が１８．６％であり、摩擦室１２の内部湿度が８０％である場合における図であり、（ａ）は摩擦後における基板１４の光学顕微鏡画像、（ｂ）は（ａ）において丸印が付された箇所で採取した試料のラマンスペクトルを示すグラフである。また、図８（ｂ）は、ラマンシフト（横軸）に対するピーク強度（縦軸）の関係を示している。
【００４２】
Ｓｉ含有率が１８．６％のＳｉ−ＤＬＣを摩擦に使用するにあたっては、図５（ｂ）に示すように、摩擦室１２の内部湿度が７０％である場合には基板１４にグラフェン由来の摩擦痕が残されているのに対し、図８（ａ）に示すように、摩擦室１２の内部湿度が８０％である場合には基板１４にグラフェン由来の摩擦痕が残されていない。また、図８（ｂ）に示されるように、ラマンスペクトルからはＳｉ−ＤＬＣが検出されなかった。よって、湿度が８０％である場合には湿度が７０％である場合とは異なる摩擦メカニズムで摩擦が行われると考えられる。そこで、この場合における摩擦メカニズムの分析を行った。
【００４３】
図９は、図２に示す摩擦試験装置１１における摩擦後の基板１４をＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ）で解析したものである。図９（ａ）は結合エネルギー（横軸）に対するＯ１ｓピークの強度（縦軸）の関係を示しており、図９（ｂ）は結合エネルギー（横軸）に対するＣ１ｓピークの強度（縦軸）の関係を示している。図９（ａ）に示すように、Ｓｉ含有率が１８．６％のＳｉ−ＤＬＣを使用する場合、摩擦室１２の内部湿度が７０％である場合はＯ１ｓピークとしてＯ−Ｓｉ−Ｃが検出されたのに対し、摩擦室１２の内部湿度が８０％である場合はＯ１ｓピークとしてＯ２−Ｓｉが検出された。さらに、図９（ｂ）に示すように、摩擦室１２の内部湿度が７０％及び８０％である場合、共にＣ１ｓピークとして主にＣ−ＣおよびＣ−Ｈが検出されている。これに対し、摩擦室１２の内部湿度が８０％である場合には、７０％である場合に比較してＣ１ｓピーク中のＣ−Ｏのピーク強度が大きくなっている。つまり、図９は、湿度が８０％である場合は湿度が７０％である場合とは異なるメカニズムで摩擦が行われたことを示している。
【００４４】
最後に、本発明に係る摩擦構造体の摩擦メカニズムについて説明する。図１０は、図１に示す摩擦構造体の第１摩擦メカニズムについて説明するための図である。また、図１０は、図１に示す摩擦構造体において湿度８０％未満の大気で摩擦を行う場合における摩擦メカニズムに相当する。
【００４５】
図１０に示すように、図１に示す摩擦構造体の第１摩擦メカニズムは次の通りである。まず、第１部材２と第２部材３とで摩擦を行う。これにより、第２部材３に形成されたＳｉ−ＤＬＣの一部が移着物Ｔとして第１部材２のグラフェン２ｂに移着する。ここで、Ｓｉ−ＤＬＣは、大気中の水分を解離吸着することで、その分子中のＳｉ−ＯをＳｉ−ＯＨに変化させる性質を有している。これにより、第１部材２に移着したＳｉ−ＤＬＣと第２部材３に含まれるＳｉ−ＤＬＣとは、これらの分子中のＳｉ−Ｏが大気中の水分を解離吸着してＳｉ−ＯＨとなる。さらに、これらＳｉ−ＯＨと大気中の水分子とが水素結合を行うため、第１部材２と第２部材３との間に水分子層Ｌが形成される。これにより、第１部材２と第２部材３とが水分子層Ｌを介して摩擦を行うことができ、第１部材２と第２部材３との間で生じる摩擦の摩擦力を小さく抑えることができる。
【００４６】
図１１は、図１に示す摩擦構造体の第２摩擦メカニズムについて説明するための図である。また、図１１は、図１に示す摩擦構造体において湿度８０％以上の大気で摩擦を行う場合における摩擦メカニズムに相当する。
【００４７】
図１１に示すように、図１に示す摩擦構造体の第２摩擦メカニズムは次の通りである。まず、第１部材２と第２部材３とで摩擦を行うことで、第１部材２に形成されたグラフェン２ｂの摩擦部分が非晶質硬質炭素膜に構造変化すると共に、この非晶質硬質炭素膜が大気中の水分を解離吸着することで非晶質硬質炭素膜の分子中にＣ−ＯＨが形成される。その一方で、第２部材３に形成されたＳｉ−ＤＬＣが大気中の水分を解離吸着することで、このＳｉ−ＤＬＣの分子中のＳｉ−ＯがＳｉ−ＯＨとなる。さらに、第１部材２に形成されたＣ−ＯＨと第２部材３に形成されたＳｉ−ＯＨとが大気中の水分と水素結合を生じることで、第１部材２と第２部材３との間に水分子層Ｌが形成される。これにより、第１部材２と第２部材３とが水分子層Ｌを介して摩擦を行うことができ、第１部材２と第２部材３との間で生じる摩擦の摩擦力を小さく抑えることができる。
【００４８】
ここで、第１摩擦メカニズム及び第２摩擦メカニズムにおいて、第１部材２と第２部材３との間に形成される水分子層Ｌの層数は４以上８以下であることが好ましい。これにより、水分子層Ｌの水分子構造が、固体のような構造（ice-like構造）から液体構造に変化する直前の水分子構造と同様の構造となる。このため、第２部材３を構成するＳｉ−ＤＬＣが水分子層Ｌから適量の水分子を吸着することで、第１部材２と第２部材３との間で生じる摩擦力を水分子層Ｌにより効果的に低減することができる。
【００４９】
以上のように、上記実施の形態によれば、第２部材３において、第１部材２のグラフェン２ｂとの間で摩擦が行われる部分がＳｉ−ＤＬＣにより構成されていることにより、当該摩擦によりグラフェン２ｂとＳｉ−ＤＬＣとが共に大気中の水分と水素結合を生じ、この水分が第１部材２と第２部材３との間に水分子層Ｌとして形成されるため、この水分子層Ｌにより第１部材２と第２部材３との間で生じる摩擦力を小さく抑えることができる。
【００５０】
また、上記実施の形態において、摩擦構造体１は、第１部材２と第２部材３とを収容する摩擦室と、第２部材３を構成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率に応じて摩擦室内の湿度を制御する湿度制御部とをさらに備えることができる。これにより、第１部材２と第２部材３とが収容される室内における湿度を制御することができ、第２部材３を構成するＳｉ−ＤＬＣのＳｉ含有率に応じて第１部材２と第２部材３との間に効果的に水分子層Ｌを形成することができる。このため、第１部材２と第２部材３との間で生じる摩擦力を効果的に小さく抑えることができる。
【００５１】
さらに、上記実施の形態において、摩擦室１２内の湿度は８０％以上であってもよい。これにより、第１部材２と第２部材３との摩擦により、第１部材２のグラフェン２ｂを非晶質硬質炭素膜に構造変化させると共に、この非晶質硬質炭素膜の分子中にＣ−ＯＨを形成することができる。これにより、第１部材２と第２部材３との摩擦により第２部材３のＳｉ−ＤＬＣの分子中に形成されたＳｉ−ＯＨと共に、大気中の水分子と水素結合を生じさせることができ、第１部材２と第２部材３との間により効果的に水分子層Ｌを形成することができる。このため、第１部材２と第２部材３との間で生じる摩擦力をさらに小さく抑えることができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態において、摩擦構造体１は、例えば、マイクロ金型、ＭＥＭＳ、磁気ディスクの保護膜に適用することができる。さらに、摩擦構造体１は、摩擦発電を行う摩擦発電機にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  摩擦構造体
２  第１部材
２ａ  基板
２ｂ  グラフェン
３  第２部材
１１  摩擦試験装置
１２  摩擦室
１３  載置台
１４  基板
１５  ボール
１５ａ  球体
１５ｂ  保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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