(57)【要約】【課題】垂直方向の付着力と横方向のせん断強度がともに高く、小さな押し付け力で動力伝達又は摩擦制動が可能な摺動部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】基材の表面にナノファイバーが１×１０12本／ｍ2〜１×１０17本／ｍ2の面密度で設けられた摺動部を有し、該摺動部の横方向せん断強度が５ｋＰａ以上であることを特徴とする摺動部材。好ましくは、前記ナノファイバーが、カーボンナノチューブであり、前記基材の表面の垂直方向に対する傾斜角が±３０°の範囲内となるように設けられている。また、前記摺動部の摩擦係数（μ）が０．２以上であることが好ましい。【選択図】図１
2009120771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面にナノファイバーが１×１０12本／ｍ2〜１×１０17本／ｍ2の面密度で設けられた摺動部を有し、該摺動部の横方向せん断強度が５ｋＰａ以上であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記ナノファイバーが、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記ナノファイバーが、前記基材の表面の垂直方向に対する傾斜角が±３０°の範囲内となるように設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
表面粗さが０．０２μｍ以下の平滑な基材上にナノファイバーを成長させた後、該ナノファイバーを摺動部材用基材の表面に転写させたことによって該基材表面に前記ナノファイバーを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項５】
前記摺動部の摩擦係数（μ）が、０．２以上であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の摺動部材。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の摺動部材を製造する方法であって、
表面粗さが０．０２μｍ以下の平滑な基材上にナノファイバーを成長させる工程と、
該ナノファイバーを摺動部材用基材の表面に転写させることによって該基材表面に前記ナノファイバーを設ける工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摺動部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の摺動部、具体例としては、変速機のクラッチ摺動面、ベルト式無段変速機のベルトとプーリとの接触面、ブレーキパッドとディスク面との摺動面など、摩擦によって動力伝達もしくは制動力を生じさせるユニットでは、摺動部の摩擦係数が高いことが要求される。例えば動力伝達の場合、摩擦係数が高い摺動部材を用いれば、小さな押付け力で動力を伝達することや、より大きな動力を伝達することが可能となる。同様に、摩擦制動の場合には、摩擦係数が高い摺動部材を用いることにより小さな押付け力で大きな制動力を確保することが可能となる。
【０００３】
大きな付着力を生ずる材料においては、押付け荷重が少なくても、実質的な垂直荷重が増大し、大きな摩擦力を生じることが考えられる。大きな付着力を生じる材料として、例えば支持基板の表面に先端部が広がった微小な突出部を設けて表面のファンデルワールス力を利用したマイクロ構造体（特許文献１参照）や、表面にナノファイバーを設けたナノファイバー構造体（特許文献２参照）が提案されている。
また、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素を２重量％以内で配合した繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸させ、これを加熱硬化した摩擦材が提案されている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特表２００６−５０５４１４号公報
【特許文献２】特表２００６−５２６０５９号公報
【特許文献３】特開２００６−１９９７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１及び２に開示されている構造体は、接着性の向上を目的として垂直方向の力に対する検討はなされているが、摺動部材として必要な横方向の摩擦力に耐えるためのせん断強度についての検討がなされていない。従って、これらの構造体を摩擦材料として用いても、材料自身が発生し得る大きな摩擦力に耐え得るせん断強度が確保されず、摺動部では材料のせん断強度以上の摩擦力が得られないことや、耐摩耗性が不足することが問題となる。
また、特許文献３に開示されている摩擦材では、マトリックス基材に混合された少量の繊維状炭素はその配向性などが確保されず、垂直方向の付着力が十分でなく、例えば０．２以上の摩擦係数（μ）を得ることはできない。
【０００５】
本発明は、垂直方向の付着力と横方向のせん断強度がともに高く、小さな押し付け力で動力伝達又は摩擦制動が可能な摺動部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、以下の発明が提供される。
＜１＞  基材の表面にナノファイバーが１×１０12本／ｍ2〜１×１０17本／ｍ2の面密度で設けられた摺動部を有し、該摺動部の横方向せん断強度が５ｋＰａ以上であることを特徴とする摺動部材。
このようなナノファイバー面密度と横方向せん断強度を有する摺動部材であれば、相手材（被接触面）と接触する際に、表面のナノファイバーが弾性変形することによって相手材との真実接触面積が大きくなり、小さな押し付け力で動力伝達又は摩擦制動を発揮することができる。
【０００７】
＜２＞  前記ナノファイバーが、カーボンナノチューブであることを特徴とする＜１＞に記載の摺動部材。
カーボンナノチューブが上記面密度で設けられていれば、高い摩擦係数を生じるための垂直方向の付着力が高くなると共に、耐摩耗性が極めて高くなり、摺動部材として特に好ましい。
【０００８】
＜３＞  前記ナノファイバーが、前記基材の表面の垂直方向に対する傾斜角が±３０°の範囲内となるように設けられていることを特徴とする＜１＞又は＜２＞に記載の摺動部材。
ナノファイバーが基材の表面に対して垂直に近い状態で設けられていれば、ナノファイバーが弾性変形することによって相手材との真実接触面積がより大きくなり易く、より高い付着力を生じ、高い摩擦係数（μ）が得られる。
【０００９】
＜４＞  表面粗さが０．０２μｍ以下の平滑な基材上にナノファイバーを成長させた後、該ナノファイバーを摺動部材用基材の表面に転写させたことによって該基材表面に前記ナノファイバーを設けたことを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の摺動部材。
摺動部材用の基材とは別の基材にナノファイバーを成長させた後、これらのナノファイバーを摺動部材用の基材に転写させることで、高さが均一で、垂直方向に配向したナノファイバーが設けられた摺動部材となる。
【００１０】
＜５＞  前記摺動部の摩擦係数（μ）が０．２以上であることを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の摺動部材。
本発明の摺動部材であれば、摺動部の摩擦係数（μ）が０．２以上を達成することが可能であり、より小さな押付け力での動力伝達や摩擦制動が可能となる。
【００１１】
＜６＞  ＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の摺動部材を製造する方法であって、
表面粗さが０．０２μｍ以下の平滑な基材上にナノファイバーを成長させる工程と、
該ナノファイバーを摺動部材用基材の表面に転写させることによって該基材表面に前記ナノファイバーを設ける工程と、を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
このような方法によれば、高さが均一で、垂直方向に配向したナノファイバーが設けられた摺動部材をより確実に製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、垂直方向の付着力と横方向のせん断強度がともに高く、小さな押し付け力で動力伝達又は摩擦制動が可能な摺動部材及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨に沿って各種改変することができる。
【００１４】
本発明者らは、摺動部材について研究を重ねたところ、基材の表面にナノファイバーが１×１０12本／ｍ2〜１×１０17本／ｍ2の面密度で設けられた摺動部を有し、該摺動部の横方向せん断強度が５ｋＰａ以上である摺動部材が得られ、この摺動部材は垂直方向の付着力と横方向のせん断強度がともに高く、小さな押し付け力で優れた動力伝達及び摩擦制動を発揮することを見出した。
摺動部におけるナノファイバー面密度が１×１０12本／ｍ2未満であると、垂直方向の付着力と横方向せん断強度が十分得られず、０．２以上のμ及び５ｋＰａ以上の横方向せん断強度を達成することができない。従って、摺動部のナノファイバー面密度を１×１０12本／ｍ2以上とするが、面密度が高くても個々のナノファイバーが細すぎると耐摩耗性が低くなることや、面密度が高過ぎると、ナノファイバーが弾性変形できる空間がなくなるため、相手材との真実接触面積を大きくすることができず、十分な付着力が生じない。また、製造上の限界もある。そのため摺動部のナノファイバー面密度は１×１０17本／ｍ2以下とする。
【００１５】
摺動部を構成するナノファイバーとしては、カーボンナノチューブ（ＣＮＴと略称する場合がある。）、その他、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー、カーボンナノウォール、及びそれらの複合体を含む炭素系ファイバー、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣなど無機系ナノファイバー、及びポリチオフェン、ポリイミド、ポリアクリルニトリル、セルロース、アラミドなどの有機ナノファイバー等が挙げられ、特に、耐摩耗性、強度、弾性、製造容易性等の観点から、ＣＮＴが好ましい。
【００１６】
摺動部に設けられた各ナノファイバーは、ｎｍオーダーの直径とμｍオーダー〜ｍｍオーダーの長さを有するものである。
摺動部におけるナノファイバーの直径（外径）は、好ましくは０．４ｎｍ〜５００ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍである。また、各ナノファイバーの好ましい長さは１μｍ以上１０ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下である。このようなサイズのナノファイバーが１×１０12本／ｍ2〜１×１０17本／ｍ2の面密度で摺動部に設けられていれば、５ｋＰａ以上の横方向せん断強度を達成し易くなるとともに、耐磨耗性が高くなり、摩耗量の少ない摺動部材とすることができる。
【００１７】
また、各ナノファイバーは、基材の表面の垂直方向に対する傾斜角が±３０°の範囲内となるように設けられていることが好ましい。各ナノファイバーの上記傾斜角が±３０°の範囲内であれば略起立した状態となり、各ナノファイバーが相手材（被接触面）と実際に接触する総面積（真実接触面積）が大きくなり易く、それに伴い摩擦力も大きくなり易い。なお、摺動部の全てのナノファイバーが上記傾斜角の範囲内に収まっている必要はなく、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上のナノファイバーが上記傾斜角の範囲内であれば、相手材と接触したときに大部分のナノファイバーが弾性変形を生じて大きな真実接触面積が確保され、極めて高い付着力とせん断強度を発揮することができる。
【００１８】
また、摺動部の摩擦係数（μ）が０．２以上であることが好ましい。このような極めて高い摩擦係数を有する摺動部材であれば、変速機のクラッチ摺動面、ベルト式無段変速機のベルトとプーリとの接触面、ブレーキパッドとディスク面との摺動面などの動力伝達もしくは摩擦制動の摺動部材として特に好適に用いることができる。
【００１９】
本発明に係る摺動部材を製造する方法は特に限定されないが、例えば、直接、摺動部材の基材表面にカーボンナノチューブ合成用触媒（ＣＮＴ合成用触媒）を担持させる工程と、該表面にＣＮＴを成長させる工程と、さらに必要に応じて、該ＣＮＴの表面頂部の高さを均一化する工程を含む方法、あるいは、一旦基材表面にＣＮＴ合成用触媒を担持する工程と、該表面にＣＮＴを成長させる工程と、さらに必要に応じて、基板表面に成長したＣＮＴを摺動部材の本体となる基材に転写する工程、さらに好ましくは、転写されたＣＮＴ（ＣＮＴ膜）の表面頂部高さを均一化させる工程を含む方法により好適に製造することができる。以下、具体的に説明する。
【００２０】
＜触媒担持工程＞
まず、ＣＮＴ合成用触媒（単に触媒という場合がある。）を用意する。触媒としては、具体的には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の単元系触媒、Ｆｅ／Ｃｏ、Ｎｉ／Ｃｏ、Ｍｏ／Ｃｏ、Ｎｉ／Ｆｅ、Ｆｅ／Ｍｏ、Ｆｅ／Ｔｉ、Ｆｅ／Ｖ、Ｃｏ／Ｔｉ等の二元系触媒、若しくは、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ等の三元系触媒、又はこれらの金属酸化物等が挙げられる。具体的には以下の（１）〜（６）のものが挙げられる。
（１）上述した各種金属からなり、その表面が酸化物膜で覆われている金属微粒子
（２）上述した各種金属からなる金属酸化物微粒子、若しくは、金属炭化物微粒子
（３）各種金属微粒子又はその酸化物を内包したコロイド粒子（例えば、直径の標準偏差が直径の平均値の２０％以下である金属クラスター（金属ナノ粒子）の表面が界面活性剤により被覆されたもの）
（４）各種金属微粒子又はその酸化物を内包したタンパク質分子（例えば、フェリチンなど）
（５）上述した各種金属の塩、錯塩、又は、有機金属化合物
（６）上述した各種金属からなる蒸着薄膜
いずれの触媒を用いてもＣＮＴを製造することができるが、上記（３）の触媒を用いた場合について、以下具体的に説明する。
ＣＮＴ合成用触媒としては、第１元素と第２元素とを含む微粒子と、微粒子の周囲を被覆する保護層とを備えたものを用いる。ここで「第１元素」とは、８族元素（Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ）、９族元素（Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ）、及び１０族元素（Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ）から選ばれる１以上の元素（主触媒元素）をいう。「第２元素」とは、４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）及び５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）から選ばれる１以上の元素（助触媒元素）をいう。このように第１元素と第２元素とを含む微粒子は、第１元素及び第２元素のみを含むものでも良く、あるいは、第１元素及び第２元素に加えて他の元素が含まれていても良い。他の元素としては、その他の金属・非金属元素や、出発原料に由来する元素（例えば、酸素）などがある。
【００２１】
４族元素（特に、Ｔｉ）は、他の元素に比べて、ＣＮＴの成長速度を増大させる効果が大きいので、第２元素として特に好適である。また、５族元素（特に、Ｖ）は、他の元素に比べて、合成されたＣＮＴの直径制御性に優れているので、第２元素として特に好適である。
【００２２】
触媒中に含まれる第１元素と第２元素の比率は、触媒活性度に影響を与える。第１元素は、その薄膜から熱処理やプラズマ処理で微粒子を形成した場合においては、それ自体でＣＮＴを成長させるための相対的に高い触媒活性度を有しているが、液相法で合成された場合には、その触媒活性度は極端に小さくなる。しかしながら、これに第２元素を添加すると、液相法であっても触媒活性度を劇的に向上させることができる。このような効果を得るためには、第２元素の含有量（＝第２元素の原子数×１００／（第１元素の原子数＋第２元素の原子数））は、２ａｔ％以上が好ましい。
一方、第２元素の含有量が過剰になると、触媒活性度はかえって低下する。従って、第２元素の含有量は、５０ａｔ％以下が好ましい。
【００２３】
最適な第２元素の含有量は、第１元素及び第２元素の種類に応じて異なる。
例えば、Ｆｅ−Ｔｉ二元合金又はＦｅ−Ｔｉ−Ｏ系酸化物の場合、Ｔｉ含有量は、２〜５０ａｔ％が好ましく、より好ましくは４〜４０ａｔ％、さらに好ましくは１０〜３５ａｔ％、特に好ましくは１５〜３０ａｔ％である。
また、例えば、Ｆｅ−Ｖ二元合金又はＦｅ−Ｖ−Ｏ系酸化物の場合、Ｖ含有量は、２〜５０ａｔ％が好ましく、より好ましくは４〜３５ａｔ％、さらに好ましくは５〜３０ａｔ％である。
また、例えば、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｖ三元合金又はＦｅ−Ｔｉ−Ｖ−Ｏ系酸化物（Ｔｉ／Ｖの原子比＝１）の場合、（Ｔｉ＋Ｖ）の含有量は、２〜５０ａｔ％が好ましく、さらに好ましくは５〜４５ａｔ％、より好ましくは７〜３５ａｔ％、さらに好ましくは１１〜２７ａｔ％である。
【００２４】
触媒微粒子の直径及び標準偏差は、合成されるＣＮＴの外径及び標準偏差に影響を与える。一般に、触媒微粒子の直径が小さくなるほど、外径の小さなＣＮＴが得られる。また、触媒微粒子の直径の標準偏差が小さくなるほど、外径の標準偏差の小さなＣＮＴが得られる。さらに、ＣＮＴの合成中における触媒微粒子の凝集が起きにくくなるほど、触媒微粒子の直径とほぼ同等の外径を有するＣＮＴを成長させることができる。従って、触媒微粒子の粒径と濃度（密度）によって、基材上に成長させるＣＮＴの径及び面密度を制御することが可能となる。
例えば、後述する合成方法を用いると、直径が１〜１５ｎｍである触媒微粒子を合成することができる。また、製造条件を最適化すると、直径が３〜５ｎｍである触媒微粒子を合成することができる。さらに、後述する方法を用いると、分級することなく、直径の標準偏差が１ｎｍ以下である触媒微粒子を合成することができる。さらに、条件を最適化すると、直径の標準偏差が０．５ｎｍ以下である触媒微粒子を合成することができ、また、分散溶媒の極性調整による分別沈殿で、粒子をさらに精密分級することもできる。
【００２５】
一方、保護層は、主として、微粒子を合成する際に微粒子の凝集を抑制し、粒子径を均一にする作用、及び、後述する分散液中に分散させる際に微粒子の凝集を抑制する作用を有する。保護層は、有機酸及び有機アミンから選ばれる１以上の有機物からなる。これらの有機物は、一分子内に疎水基と親水基を持つ界面活性剤の一種であり、前記微粒子表面をこれらで被覆することにより、合成時や分散時での微粒子の凝集を抑制することができる。
有機酸としては、具体的には、ＲＣＯＯＨ、ＲＳＯＨ、ＲＰＯＨなどがある。また有機アミンとしては、具体的には、ＲＮＨ2、Ｒ2ＮＨ、Ｒ3Ｎなどがある。なお、Ｒは、アルキル鎖（ＣnＨ2n+1−、ｎは自然数）を表す。
保護層は、１種類の有機物からなるものでも良く、あるいは、２種以上の有機物からなるものでも良い。特に、２種以上の有機物を保護層として用いると、微粒子の粒子径が安定化し、均一化し易いという利点がある。
【００２６】
次に、触媒分散液について説明する。
触媒分散液は、上述したカーボンナノチューブ合成用触媒を分散溶媒中に分散させたものである。
分散溶媒は、触媒微粒子を均一に分散させることが可能なものであればよい。このような分散溶媒としては、ヘキサン、トルエン、クロロホルムなどの極性の低い有機溶媒が挙げられる。
触媒分散液中の触媒微粒子濃度は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、触媒微粒子の濃度が低くなるほど、微粒子を均一に分散させるのが容易化するが、触媒微粒子の濃度が低くなりすぎると、基材表面に触媒微粒子が密に配置され難くなり、１×１０12本／ｍ2以上のナノファイバー面密度を達成できないおそれがあるため、触媒微粒子の濃度は０．００１ｗｔ％以上が好ましい。一方、触媒微粒子の濃度が高くなりすぎると、基材表面に粒子の単分子膜が形成され難くなるため、触媒微粒子の濃度は１．０ｗｔ％以下が好ましい。
最適な触媒微粒子の濃度は、基材の引き上げ速度など、他の製造条件にも依存するので、これらを考慮して最適な濃度を選択するのが好ましい。
【００２７】
上記のようなカーボンナノチューブ合成用触媒は、溶解・混合工程と、加熱工程とを含む方法により得ることができる。
溶解・混合工程は、第１原料と、第２原料と、アルコールと、有機物とを有機溶媒中で溶解・混合する工程である。
「第１原料」とは、８族元素、９族元素及び１０族元素のいずれか１以上の第１元素を含む化合物であって、有機溶媒に可溶なものをいう。第１原料には、このような条件を満たす１種類の化合物を用いても良く、あるいは、２種以上の化合物を組み合わせて用いても良い。
第１原料としては、具体的には、第１元素のイオンに有機物が配位した有機錯体、第１元素の有機酸塩などがある。
第１元素を含む有機錯体としては、具体的には、Ｆｅ（ＩＩＩ）アセチルアセトナート、Ｆｅ（ＩＩ）アセチルアセトナート、Ｃｏ（ＩＩ）アセチルアセトナート、Ｃｏ（ＩＩＩ）アセチルアセトナート、Ｎｉ（ＩＩ）アセチルアセトナート、白金（ＩＩ）アセチルアセトナートなどがある。
また、第１元素を含む有機酸塩としては、具体的には、酢酸鉄（ＩＩ）、シュウ酸鉄（ＩＩ）、シュウ酸鉄（ＩＩＩ）、酢酸コバルト（ＩＩ）、酢酸コバルト（ＩＩＩ）、酢酸ニッケル（ＩＩ）、酢酸パラジウム（ＩＩ）、硝酸パラジウム水和物（ＩＩ）、硝酸パラジウム（ＩＩ）などがある。
【００２８】
また、「第２原料」とは、４族元素及び５族元素のいずれか１以上の第２元素を含む化合物であって、有機溶媒に可溶なものをいう。第２原料には、このような条件を満たす１種類の化合物を用いても良く、あるいは、２種以上の化合物を組み合わせて用いても良い。
第２原料としては、具体的には、第２元素（Ｍ）のイオン又はＭＯイオンに有機基が配位した有機錯体、第２元素の有機酸塩などがある。
第２元素を含む有機錯体としては、具体的には、ＶＯアセチルアセトナート、ＴｉＯアセチルアセトナート、Ｚｒトリフルオロアセチルアセトナート、Ｈｆトリフルオロアセチルアセトナート、Ｔｉジイソプロポオキサイドビステトラメチルヘプタンジオネートなどがある。
また、第２元素を含む有機酸塩としては、具体的には、シュウ酸チタン、硫酸チタン、酸化硫酸バナジウム、硫酸バナジウム、酢酸ジルコニウム、硫酸ハフニウムなどがある。
【００２９】
アルコールは、第１原料及び第２原料を還元し、有機溶媒中において金属イオン又はＭＯイオンを非イオンの状態にするための還元剤である。還元剤には、１種類のアルコールを用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
還元剤として使用可能なアルコールとしては、具体的には、１，２−ヘキサデカンジオール、１，２−オクタデカンジオール、１，２−テトラデカンジオールなどがある。
「有機物」とは、上述したように有機酸又は有機アミンからなる。有機物には、１種類の有機酸又は有機アミンを用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
有機酸としては、具体的には、オレイン酸、カプロン酸、ラウリン酸、酪酸、リノール酸などがある。
また、有機アミンとしては、具体的には、オレイルアミン、ヘキシルアミン、ラウリルアミンなどがある。
【００３０】
有機溶媒は、上述した第１原料、第２原料、アルコール及び有機物を溶解可能なものであればよい。また、溶液は、後述するように所定の温度に加熱されるので、沸点が２００℃以上である溶媒を用いるのが好ましい。有機溶媒としては、具体的には、オクチルエーテル、フェニルエーテルなどがある。これらの有機溶媒は、それぞれ単独で用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００３１】
第１原料及び第２原料の比率は、作製しようとする触媒微粒子の組成に応じて最適な比率を選択する。本実施形態に係る方法を用いると、仕込み組成にほぼ一致する触媒微粒子が得られる。
また、溶液中における第１原料及び第２原料の濃度は、作製しようとする触媒微粒子の直径、標準偏差等に応じて最適な濃度を選択する。一般に、希薄溶液を用いると、粒径のそろった均一な触媒微粒子が得られる。第１原料及び第２原料に加える溶媒の量は、第１原料及び第２原料の種類にもよるが、通常、第１原料及び第２原料１ｍｍｏｌに対して、１０〜５０ｍＬ程度である。
【００３２】
還元剤は、上述したように溶液中に含まれる第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンに電子を与え、非イオンの状態にするためのものである。金属イオン又はＭＯイオンが還元されると、これらが互いに集まって微粒子を形成する。還元剤の添加量は、第１原料及び第２原料並びにその他の原料の種類にもよるが、通常、溶液中に含まれる第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンのモル数の１〜２０倍程度である。
有機酸又は有機アミンは、溶液中において第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンと結合すると考えられている。この溶液中にさらに還元剤が加えられると、金属イオン又はＭＯイオンが還元されて微粒子状に凝集すると同時に、微粒子の周囲が有機酸又は有機アミンで被覆された状態となる。有機酸又は有機アミンの添加量は、第１原料及び第２原料並びにその他の原料の種類にもよるが、通常、溶液中に含まれる第１元素若しくは第２元素のイオン又はＭＯイオンのモル数の１〜１０倍程度である。
【００３３】
加熱工程は、溶解・混合工程で得られた均一な溶液を、不活性雰囲気下において１８０℃〜３００℃で加熱する工程である。加熱により溶液中に、保護層で被覆された触媒微粒子が生成する。
溶液の加熱は、溶液中で生成した微粒子の酸化を防ぐために不活性雰囲気下（例えば、窒素雰囲気下、アルゴン雰囲気下など）で行う。
加熱温度は、使用する原料の種類や目的とする直径に応じて、最適な温度を選択する。一般に、加熱温度が低すぎると、原料間の反応が不十分となる。原料間の反応を効率よく進行させるためには加熱温度は、１８０℃以上が好ましい。
一方、加熱温度が高すぎると、微粒子の凝集が進行し、粒子の直径が不均質になる。従って、加熱温度は、３００℃以下が好ましい。
反応終了後、遠心分離等の手段を用いて微粒子と溶媒とを分離し、再びこれを適当な分散溶媒中に分散させれば、ＣＮＴ合成用触媒分散液が得られる。
【００３４】
上述した触媒分散液を基材表面に塗布し、基材表面にカーボンナノチューブ合成用触媒を担持させる。
基材の材質は特に限定されるものではなく、ＣＮＴ合成用触媒の組成、後述する成長工程における成長条件等に応じて最適なものを選択する。基材の材質としては、具体的には、Ｓｉ、熱酸化膜付Ｓｉ、サファイヤ、マグネシア、種々の金属、酸化物、窒化物を堆積したＳｉ基材、メソポーラス材料などがある。
【００３５】
基材としてメソポーラス材料を用いる場合、基材表面のみがメソポーラス材料であっても良く、あるいは、基材全体がメソポーラス材料であっても良い。
例えば、表面のみがメソポーラスシリカからなる基材は、具体的には、シリコンアルコキシドに適量の水、エタノール、界面活性剤、及び酸を加えてゾル状態とし、これを適当な基材（例えば、Ｓｉ基板など）表面に塗布して重縮合させることにより、基材表面に界面活性剤を含むメソポーラスシリカ膜を形成した後、このメソポーラスシリカ膜から界面活性剤を酸化又は溶媒抽出により除去することにより得られる。
【００３６】
また、全体がメソポーラスシリカからなる基材は、具体的には、シリコンアルコキシド（例えば、テトラアルコキシシランなど）に適量の水、エタノール、界面活性剤を加え、塩基性条件下でシリカ原料を加水分解させ、溶液から粉末状の生成物を分離し、粉末に含まれる界面活性剤を酸化又は溶媒抽出により除去し、粉末を板状に成形し、焼結させることにより得られる。
シリコンアルコキシドに代えて特定の金属元素を含む金属アルコキシドを出発原料に用いると、シリカ以外の材料（例えば、チタニア、ジルコニア、アルミナなど）からなるメソポーラス材料が得られる。
【００３７】
基材表面への触媒分散液の塗布方法として、例えば以下の方法がある。
（１）  基材表面に触媒分散液をスプレー、ハケ塗り等により塗布する方法
（２）  基材表面に触媒分散液をスピンコーティングする方法
（３）  触媒分散液中に基材をディッピングし、所定の引き上げ速度で基材を引き上げる方法
本発明においてはいずれの方法を用いても良い。特に、ディッピング法は、基材表面に均一に触媒分散液を塗布することができ、また、触媒分散液中の微粒子濃度や基材の引き上げ速度等を最適化すると、基材表面に微粒子を均一かつ密に担持させることができるので、塗布方法として好適である。
【００３８】
また、用いる基材表面が親水性の場合、触媒分散液を塗布する前に基材表面をシランカップリング剤などにより疎水処理することが好ましい。予め疎水処理を施すことにより、微粒子を均一に担持できる。
基材表面に触媒分散液を塗布した後、基材を乾燥させ、触媒分散液に含まれていた分散溶媒を除去する。少なくとも上記工程後に、上記触媒微粒子は酸化され、金属酸化物微粒子となっている。なお、触媒微粒子表面を覆っている保護層は、成長工程に先立って、酸化雰囲気中での熱処理またはプラズマ処理によって除去しても良く、あるいは、保護層を除去することなく、そのままＣＮＴの合成に用いても良い。後述するように、ＣＮＴの合成時に適量の酸素含有化合物ガスを用いれば、必ずしもＣＮＴの成長に先立って保護層を除去する必要はない。
【００３９】
＜ＣＮＴ成長工程＞
基材表面にＣＮＴ合成用触媒を担持させた後、カーボンナノチューブを成長させる。
ＣＮＴの成長は、具体的には、触媒を担持させた基材表面に炭素含有化合物ガスを供給し、炭素含有化合物ガスを熱分解させる方法（化学気相成長法）により行う。基材表面において炭素含有化合物ガスを熱分解させると、基材表面に担持された触媒を種としてＣＮＴが成長する。なお、炭素含有化合物ガスを流すと同時に、酸素含有化合物ガスを供給することでＣＮＴの成長速度を速めることができる。水蒸気を系内に導入する場合は、例えば水蒸気導入装置を用いて、炭素含有化合物ガスとともに、所望の水蒸気量を系内に導入すればよい。水蒸気導入装置を用いて水蒸気量を制御する際には、微量水蒸気センサーを系内の導入部及び排気部に配置し、成長中に系内の水蒸気量がほぼ一定となるように制御することができる。
【００４０】
ＣＮＴの成長に用いる炭素含有化合物としては、メタン、アセチレン、エタン、プロパン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素；上記炭化水素のＨをヒドロキシ基（ＯＨ）で置換したメタノール、エタノール等のヒドロキシ化合物；一酸化炭素などが好適である。これらの炭素含有化合物は、いずれか１種のみを用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。
これらの中でも、炭化水素及びヒドロキシ化合物は、ＣＮＴを効率よく生成させることができ、取り扱いも容易であるので、炭素含有化合物として特に好適である。
【００４１】
酸素含有化合物ガスとしては、水蒸気、酸素、一酸化炭素、アルコールなどがある。特に、水蒸気は、酸化力が相対的に弱いので、ＣＮＴの成長に有害なアモルファスカーボンのみを選択的に除去するのが容易化する。また、水蒸気は、反応ガスへの添加量の計測制御が容易であるので、ＣＮＴの合成時に使用する酸素含有化合物ガスとして好適である。
酸素含有化合物ガスの添加量は、ＣＮＴの成長速度に影響を及ぼし、通常は、酸素含有化合物ガスを添加することでＣＮＴの成長速度が向上する。相対的に高い成長速度を得るためには、炭素含有化合物ガス（ｘ）に対する酸素含有化合物ガス（ｙ）のモル比（ｙ／ｘ）は、反応管の導入部において、０．０００２以上が好ましい。モル比（ｙ／ｘ）は、さらに好ましくは０．０００７以上、さらに好ましくは０．００２以上、さらに好ましくは０．００３以上である。
一方、酸素含有化合物ガスの添加量が過剰になると、ＣＮＴの酸化が進行するため、ＣＮＴの成長速度がかえって低下する。従って、モル比（ｙ／ｘ）は、反応管の導入部において０．０２以下が好ましい。モル比（ｙ／ｘ）は、さらに好ましくは０．０１４以下、さらに好ましくは０．０１以下、さらに好ましくは０．００８以下である。
【００４２】
また、炭素含有化合物ガス、さらに必要に応じて酸素含有化合物ガスを基材表面に供給する場合、適当なキャリアガスを使用する。キャリアガスとしては、具体的には、水素、アンモニア、窒素、アルゴン、ヘリウム等、又はこれらの混合ガスが好適である。炭素含有化合物ガス及び酸素含有化合物ガスとキャリアガスの比率、ガスの総流量等は、炭素含有化合物及び酸素含有化合物の種類、反応管の大きさ、熱分解方法等に応じて、最適なものを選択する。
【００４３】
炭素含有化合物ガスを熱分解させる方法としては、以下の方法が挙げられる。
（１）  反応容器内に基材を配置し、ヒータ、赤外線、レーザーなどを用いて基材を所定温度に加熱し、反応容器内に炭素含有化合物ガスを適当なキャリアガスとともに導入する熱化学気相成長（熱ＣＶＤ）法
（２）  反応容器内に基材を配置し、例えば、マイクロ波発振器等を用いて反応容器内にプラズマを発生させることにより基材を所定温度に加熱し、反応容器内に炭素含有化合物ガスを適当なキャリアガスとともに導入するプラズマ気相成長（プラズマＣＶＤ）法
（３）  反応容器内に基材を配置し、基材表面近傍に配置したホットフィラメントを用いて基材を所定温度に加熱し、反応容器内に炭素含有化合物ガスを適当なキャリアガスとともに導入するホットフィラメント気相成長（ホットフィラメント熱ＣＶＤ）法
（４）  上述した各種方法の組み合わせ
本発明においては、いずれの方法を用いても良い。
【００４４】
ＣＮＴの合成は、まず、基材を反応容器に入れて所定の圧力（例えば、１０-5Ｔｏｒｒ（１．３×１０-3Ｐａ）以下）まで減圧する。次いで、加熱装置を用いて、基材を合成温度まで昇温させる。基材が合成温度に達したところで、反応ガス供給装置を用いて数分〜数時間、キャリアガスと炭素含有化合物ガス及び酸素含有化合物ガスとを所定の流量比で圧力を調整しながら流す。これにより、基材表面にＣＮＴが成長する。
ＣＮＴの合成温度は、少なくとも、炭素含有化合物ガスを熱分解させることが可能な温度以上であれば良い。ＣＮＴの合成温度は、通常、５００〜１０００℃である。
また、炭素含有化合物ガス、酸素含有化合物ガス、及びキャリアガスの流量比、流量等は、炭素含有化合物ガスや酸素含有化合物ガスの種類、加熱方法等に応じて、最適な条件を選択する。
上記のような方法により、基材上の触媒微粒子を種として触媒微粒子径とほぼ同等の直径を有するＣＮＴを高い面密度で成長させることができる。
【００４５】
＜転写工程＞
基材上に成長したＣＮＴは、通常、長さや方向性にばらつきがあり、ＣＮＴ膜の表面粗さが大きくなり易い。そのため、ＣＮＴを成長させる基材に表面粗さが０．０２μｍＲａ以下の平滑な板を用いて処理した後、摺動部材の本体となる基材（摺動用基材）に移し取って表面形状が整った摺動部材とすることが好ましい。例えば、ＣＮＴを成長させる基材に０．０１μｍＲａ以下のＳｉウエハを用いて成膜した後、摺動用基材に接着剤、両面粘着テープなどの接着層を設け、ＣＮＴ膜を押し付ける。これによりＣＮＴ膜を摺動用基材に転写させることができる。あるいは、摺動部材の基材となる樹脂材料、半田等を液状にしてＣＮＴ膜に付与した後、硬化させる。硬化後、基材を成長用基材から引き離すことでＣＮＴ膜が転写され、これを摺動部材として用いることができる。摺動部材の基材は、摺動部材の用途等に応じて選択すればよい。
【００４６】
このように、成長用基材上にＣＮＴ膜を成長させた後、摺動用基材にＣＮＴ膜を転写させることで、表面粗さが小さいＣＮＴ膜を有する摺動部材を得ることができる。このような方法によれば、摺動用基材の表面にＣＮＴが１×１０12本／ｍ2〜１×１０17本／ｍ2の面密度で設けられた摺動部を有し、該摺動部の横方向せん断強度が５ｋＰａ以上となる摺動部材を得ることができる。
なお、基材上に成長させたＣＮＴ膜（アズデポ）の表面状態が比較的良好で、その用途の点から特に問題がなければ、転写工程を行わずにＣＮＴを成長させた基材をそのまま摺動部材として用いることもできる。
【００４７】
以上のようなナノファイバー面密度と横方向剪断強度を有する摺動部材は、相手材（被接触面）と接触する際に、表面のナノファイバーが弾性変形することによって相手材との真実接触面積が大きくなり、それによって分子間力もしくは吸着水メニスカス力による表面付着力が増加することで摩擦が増大することになる。
本発明の摺動部材は、例えば変速機のクラッチ摺動面、ベルト式無段変速機のベルトとプーリとの接触面、ブレーキパッドとディスク面との摺動面など、摩擦によって動力伝達もしくは制動力を生じさせるユニットの摺動部に好適であり、動力を伝達する場合には、押付け力の低減化や、より大きな動力を伝達することが可能となる。同様に、摩擦制動の場合には小さな押付け力で大きな制動力を確保することができる。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例及び比較例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００４９】
＜実施例１＞
以下の方法により、アルミ基板表面にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を垂直方向に配向して設けた摺動部材を製造した。
Ｆｅアセチルアセトナート、ＴｉＯアセチルアセトナート、１，２−ヘキサデカンチオール、オレイン酸、オレイルアミン、およびオクチルエーテルを不活性ガス（アルゴン）雰囲気下において所定の比率で混合し、これを２５０℃で３０分間反応させた。オクチルエーテルは、２０ｍｌとし、各原料の添加量は、Ｆｅアセチルアセトナート：ＴｉＯアセチルアセトナート：１，２−ヘキサデカンチオール：オレイン酸：オレイルアミン＝０．８ｍｍｏｌ：０．２ｍｍｏｌ：７ｍｍｏｌ：３ｍｍｏｌ：３ｍｍｏｌとした。
反応終了後、室温まで冷却し、遠心分離器を用いて不純物を除去し、保護層で被覆された微粒子を得た。これをヘキサン中に適切な濃度（吸光度：０．５）で再分散させ、ナノチューブ用触媒分散液を得た。
【００５０】
表面粗さ０．０２μｍＲａのＳｉウエハ基板に、厚さ約５０ｎｍのメソポーラスシリカを形成した後、さらに、疎水化処理（シリル化処理）を施し、上記ナノチューブ用触媒分散液に浸漬し、一定速度（０．５ｍｍ／ｓｅｃ）で大気中に引き上げることによって、上記微粒子の単分子膜を基板上に自己組織化的に形成した。その後、上記触媒が表面に付与された基板をカーボンナノチューブ成長装置（アルバック社製）内に配置し、成長炉内を１×１０-4Ｐａ以下まで減圧した。
引き続き、水素：アルゴン：アセチレンの流量比を１６ｓｃｃｍ：２４ｓｃｃｍ：１０ｓｃｃｍに固定し、成長温度：７００℃、雰囲気圧：２６７Ｐａ、成長時間：１０ｍｉｎで上記基板上にカーボンナノチューブ膜の形成を行った。
【００５１】
上記のような手法で基板上に形成したＣＮＴ膜を、表面に両面テープを貼り付けたアルミ基板に押付けて、アルミ基板上にＣＮＴ膜を転着させた。これによって、アルミ基板上に表面形状が整ったＣＮＴ膜が設けられた摺動部材を得た。
図１は、得られた摺動部材のＣＮＴ膜（摺動部）の電界放射走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）像であり、図２は、さらに拡大したＦＥ−ＳＥＭ像である。図１及び図２に見られるように、数本のＣＮＴが束なって１つの柱状構造を形成し、複数のＣＮＴ柱が剣山状に配向した表面構造を有している。ＣＮＴが束なったＣＮＴ柱の径は数十〜数百ｎｍで、長さは約２００μｍであった。また、ＣＮＴの面密度は約１×１０14本／ｍ2であった。
【００５２】
＜比較例１＞
比較材として、ビッカース硬さＨＶ８５０のＳＡＣＭ６４５ガス窒化鋼材（以下、鋼材と略記）を用意した。鋼材の表面は粗さ０．１μｍＲｚｊｉｓの鏡面に仕上げている。
【００５３】
‐付着力の測定‐
実施例１及び比較例１で作製した試料（摺動部材）をそれぞれ用い、直径１０μｍ（局率半径Ｒ：５μｍ）の真球状ＳｉＯ2粒子をプローブとしたＮＯＶＡＳＣＡＮ社のカンチレバー（ＡＦＭ  Ｐｒｏｂｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）を用いた走査プローブ顕微鏡（島津製作所：ＳＰＭ９５００−Ｊ３、以後、ＳＰＭと略記）によって、フォースカーブを測定した。
このフォースカーブ測定によって、プローブ先端と評価材の表面との表面相互作用力を計測した。フォースカーブ測定の概略を図３及び図４に示す。図３及び図４に示すように試料１０をカンチレバー１２の先端部のプローブ１４に対して垂直方向に動かして押し付けてから引き離されるまで（Ｉ〜ＶＩ）のカンチレバー１２のたわみ量から、表面相互作用力の一つである付着力として、試料表面をカンチレバー先端部のプローブ１４から引き剥がす際に要する力（付着力）を測定した。
付着力に関しては、各試料について３部位での測定を行い、その平均値をその試料の付着力とした。このようなＳＰＭにおいて測定される付着力には、表面のファンデルワールス力が大きく関与していると考えられる。
【００５４】
‐せん断強度の測定‐
前記ＳＰＭ装置の摩擦力顕微鏡（以後、ＦＦＭと略記、水平力顕微鏡とも称される）モードによって、走査時の摩擦力を測定し、試料表面の摩擦特性を評価した。カンチレバー１２のプローブ１４を試料表面に押し付けて、横方向に走査した際に生じるカンチレバー１２のねじれ量によって摩擦力を測定し（エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社  「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｂｒｉｅｆ」、ＳＰＩ  Ｎｏ．３７、２００１．８参照）、この摩擦力を、試料１０とプローブ１４との間に付与した垂直荷重で除して次式に基づき摩擦係数（μ）を算出した。μは摩擦係数、Ｆは摩擦力、Ｗは垂直荷重である。
μ＝Ｆ／Ｗ
【００５５】
両測定の環境条件は、室温：２４〜２５℃、湿度：４４〜４５％のＲＨの大気雰囲気とした。ＦＦＭモードでの摩擦力測定は、付与垂直荷重：１．２μＮ、Ｘ軸方向（水平方向）の走査距離：１μｍ、Ｘ軸方向の走査速度：２０μｍ／ｓ（１Ｈｚ）、Ｘ軸方向の走査ライン本数２５６（１ライン測定毎にＹ軸方向に３．９ｎｍ移動）とした。
【００５６】
‐評価結果‐
実施例１のＣＮＴ膜を備えた摺動部材を用いた場合と、比較例１の鋼材を備えた摺動部材を用いた場合のフォースカーブの実測例をそれぞれ図５および図６に示す。また、フォースカーブ測定によって得られた付着力の平均値を図７にまとめて示す。実施例１の摺動部材（ＣＮＴ膜）では比較例１の摺動部材（鋼材）に比べて３倍以上の大きな付着力が得られている。
実施例１のＣＮＴ膜を有する試料で高い付着力が得られた要因としては、ＣＮＴ膜は適度なサイズのＣＮＴおよびＣＮＴ間の空間（面密度）を有することによって弾性変形を生じ易くなっており、かつ、均一な長さのＣＮＴが垂直方向に配向していることから、図８に示すようにＣＮＴ膜１６と接触相手であるプローブ１４の先端との真実接触面積が大きくなっていることが考えられる。
一方、鋼材については、図９に示すように鋼材２０の鏡面加工面においても０．１μｍ程度の表面粗さが存在し、ＣＮＴ膜に比べて弾性変形しにくいため、真実接触面積は本接触条件におけるヘルツ接触面の計算値φ８０ｎｍよりもさらに小さいと考えられる。
【００５７】
実施例１のＣＮＴ膜を備えた摺動部材を用いた場合と、比較例１の鋼材を備えた摺動部材を用いた場合の平均摩擦力および算出した摩擦係数（μ）をそれぞれ図１０および図１１に示す。ＣＮＴ膜では窒化鋼材に比べて大きな摩擦力が生じており（図１０）、付与した垂直荷重によって算出した摩擦係数（μ）は１．２以上と著しく高い（図１１）。このように実施例１の摺動部材で大きな摩擦力が得られた要因としては、付与した見掛けの垂直荷重は比較例１の窒化鋼材と同じであるものの、前述したように、ＣＮＴでは表面付着力が大きく、実質的な垂直荷重が増大していることが考えられる。また、最大でもプローブ径が１０μｍとなる微小面積において、図１０に示したように１．４４μＮ以上の摩擦力が加わっており、実施例１の摺動部材（ＣＮＴ膜）はこれに耐え得る１８ｋＰａ以上のせん断強度を有すると判断される。
【００５８】
‐高摩擦材として必要なせん断強度‐
本評価ＣＮＴ膜での結果および摩擦係数（μ）０．２以上を示す高摩擦材料として必要な物性値から、以下に記すように最低限必要なせん断強度を算出した。
本検討条件（φ１０μｍ球状プローブを使用）での最大接触面積（球の投影面積）
：７８．５×１０-12（ｍ2）
ＣＮＴ膜によって発生する単位面積あたりの付着力
：２．０×１０-6（Ｎ）  〔本評価ＣＮＴ膜では２．７×１０-6 （Ｎ）〕／７８．５×１０-12（ｍ2）＝２．５４×１０4（Ｎ／ｍ2）
ＣＮＴ膜の付着力によって発生する単位面積あたりの摩擦力＝必要なせん断強度
：２．５４×１０4（Ｎ／ｍ2）×０．２〔最低限望まれる摩擦係数〕
＝５．０９×１０3（Ｎ／ｍ2）＝５．０９（ｋＰａ）
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る摺動部材の摺動部（ＣＮＴ膜）のＦＥ−ＳＥＭ像である。
【図２】図１に示す摺動部材の摺動部（ＣＮＴ膜）をさらに拡大したＦＥ−ＳＥＭ像である。
【図３】フォースカーブ測定の概略を示す図である。
【図４】図３に示すフォースカーブ測定により得られるフォースカーブの一例を示す図である。
【図５】実施例１のＣＮＴ膜を備えた摺動部材を用いて測定したフォースカーブを示す図である。
【図６】比較例１の鋼材を備えた摺動部材を用いて測定したフォースカーブを示す図である。
【図７】実施例１及び比較例１のフォースカーブ測定によって得られた付着力の平均値を示す図である。
【図８】ＣＮＴ膜の接触状態をイメージした図である。
【図９】鋼材の接触状態をイメージした図である。
【図１０】実施例１及び比較例１の各摺動部材を用いた場合の平均摩擦力を示す図である。
【図１１】実施例１及び比較例１の各摺動部材の摩擦係数を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０・・・試料（摺動部材）
１２・・・カンチレバー
１４・・・プローブ
１６・・・カーボンナノチューブ
１８・・・アルミ基板
２０・・・鋼材
【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009120771.tif 000008
【図１１】
2009120771.tif 000009
【図１】
2009120771.tif 000010
【図２】
2009120771.tif 000011
【図５】
2009120771.tif 000012
【図６】
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