プラスチックの摩擦・摩耗メカニズムとその特性改善

摩擦・摩耗メカニズム理解ための摩擦界面その場観察
長谷 亜蘭1

埼玉工業大学

工学部

機械工学科とができる。トライボロジー分野においては，摩擦界面はじめにでどのような現象が起こっていたかが問題となる。しか二つの材料表面を接触させ相対運動させれば，その表しながら，摩擦面は伏せられた目に見えない状態にある面突起間で変形・破壊すなわち摩擦・摩耗が生じる。こため，通常は何が起こっているかをリアルタイムで直接の摩擦界面で起こる現象は様々であり，硬い表面突起が観察（その場観察，in situ 観察）することはできない。

軟らかい相手面を掘り起こしたり，塑性変形した表面突

そのため，摩擦面（摩耗面）や摩耗粒子等の観察・分析

起間で凝着が生じて相手面へ移着したり，繰り返し応力に頼らざるを得ない。

によって表面下でき裂が生成したりする（図 1）。また，摩擦・摩耗現象は複雑なため，摩擦係数や摩耗量の特摩擦・摩耗現象は，二つの摩擦表面のみならず，摩擦界定はとても困難であり，現状では実機の使用条件に合わ面に介在する粒子（外部からの混入物や移着粒子など），せて摩擦・摩耗試験を実施し，その値を測定・比較する

周囲の雰囲気物質（気体や潤滑剤など）が互いに作用しことが行われる。それに加え，試験後の摩耗面や排出さ合い，各々のスケールも異なるため，とても複雑な多体れた摩耗粒子を観察・分析し，どのような摩耗形態であっ問題となる。さらに，これらが摩擦条件だけでなく，摩たかを判断する。図 2 に示す理想的な摩耗曲線のよう擦表面の損傷が進行していくことで摩擦表面の様相が逐次変化する。これが，「摩耗は泥沼である」と言われる所以である。

摩擦雰囲気C

摩擦AAA

摩耗B
L0B
L1B
L2

VA ＋ VB

摩耗面
表面突起

硬質粒子

移着移着膜

摩耗粒子

き裂

100μm

200μm

伏せられた摩擦界面で起こる摩擦・摩耗現象

摩耗粒子

100μm

200μm

実際の摩耗曲線
摩耗量 V

図1

摩耗面

2

可視化研究の重要性

理想的な摩耗曲線

「 百 聞 は 一 見 に 如 か ず 」 や「One picture is worth athousand words（一枚の絵は一千語に匹敵する）」というように，視覚的データから得られる情報量は多い。また，これが映像ともなれば，さらに有力な情報を得るこ

L0

L1
図2

摩擦距離 L

L2

摩耗進行曲線の理想と現実

MATERIAL STAGE Vol.17, No.5 201723

に，摩耗量が単調増加（摩擦距離に比例）することは稀

面顕微鏡を用いて，様々な材料を対象とした摩耗現象のである。これには，単一の変形・破壊現象が継続的に起可視化実験を行っている

こらなければならない。しかし，実際は初期なじみや摩料内部）の変形・破壊現象および摩擦界面における摩耗耗形態の変化により，さらには予期しない異常状態の進粒子の挙動などを可視化できるという利点がある。

行によって，摩耗曲線は大きく変化していく。試験を途2,3）。この手法は，摩擦面直下（材図 4 は，摩擦面顕微鏡 in situ 観察装置4）の概略図で中で中断して，両試験片の摩耗量測定（重量変化や摩耗ある。摩擦系はピン・オン・ブロック型であり，光学面形状）や観察・分析を実施したとしても，それは事が顕微鏡観察レンズ直下に設置している。ピン試験片固定終わってしまった後の状態でしかない。図 2 の L 1 や L 2部の板ばね側面に貼り付けたひずみゲージを用いて，摩のように，実験で得られる情報の多くは，それぞれ「点」擦力が計測できるようになっている。本実験装置は，ピでの情報であり，これら点と点の隙間を補完する事象はンもしくはブロック試験片に AE センサを取り付けるこ想像の域を超えることはできない。したがって，摩擦前とで，変形・破壊時に生じる弾性波（アコースティック後のみならず摩擦中の現象を連続的に観察，すなわち一エミッション，AE）も計測・評価できる。垂直荷重は，連の現象を映像で追うことによって，はじめて真の現象リンク機構を介してピン試験片に与えられ，ピン試験片を捉えたと言えるのである。

を電動ステージによって駆動させて，ブロック試験片上で摩擦させる構成である。これにより，摩擦界面の摩擦・3摩耗現象を拡大観察すると同時に摩擦力および AE 信号

摩擦界面その場観察の手法と特徴 1）を計測し，定量的データと関連付けて評価・検討するこ

摩擦面は伏せられた状態にあるため，摩擦界面を可視とができる。最近では，上記に加えて顕微鏡の 3 次元化するためには工夫が必要となる。摩擦界面を可視化す計測機能を用いた摩耗量計測や高速度カメラを用いた高る手法として，（a）上方，（b）下方，（c）側方からその速度その場観察実験など，高度な可視化実験にも取り組場観察する方式があり，それぞれ可視化される情報は異んでいる。

なる（図 3）。また，観察に用いる機器によって観察スケー

本稿では，側方から摩擦界面をその場観察する手法をルと可視化できる現象も異なってくる（表 1）。筆者は，用いた摩擦・摩耗現象の可視化実験の研究事例をいくつ

光学顕微鏡により摩擦界面を側方から直接観察する摩擦か紹介する。

試験片 A

摩擦

摩擦

摩擦（a）上方観察・摩擦系全体を 3 次元で観察可能
・外観のみの観察
・長距離の摩擦実験が可能

試験片 B（c）側方観察・摩擦面直下（材料内部）および摩擦界面が観察可能
・奥行きの情報が取得困難
摩擦 ・高速・長距離の摩擦実験には不向き（b）下方観察・接触面全体を観察可能
・摩耗粒子の流れを可視化可能・相手材（試験片 B）に透明材料を使用する必要性
・高荷重・長距離の摩擦実験には不向き
図324

MATERIAL STAGE Vol.17, No.5 2017

摩擦系と観察系の配置による可視化情報の違い

プラスチックの摩擦・摩耗メカニズムとその特性改善

表1
観察手法

CCD カメラ

光学顕微鏡

走査型
電子顕微鏡

透過型
電子顕微鏡

一般的な
観察方向

上方，側方，下方側方，下方

上方

側方

観察環境

大気中

大気中

真空中

真空中

可視化
スケール
（最高倍率，分解能）

可視化
対象

摩擦（1500 倍程度， （数万倍程度，（100 万倍程度，0.2 μm 程度） 0.5 〜 4nm 程度） 0.1nm 程度）

巨視的な摩擦表面損傷状態および摩耗粒子形状（大まかな摩耗形状）

摩擦面直下材料
微視的な表面損
内部の変形・破壊， 傷状態および摩摩擦界面の摩耗
耗粒子形態（詳粒子生成過程など 細な摩耗形態）

光学顕微鏡

ピン集
1〜 nm

（数百倍程度，数μm 程度）

原子スケールでの変形・破裂（結晶格子ひずみや原子拡散など）

図 5 は，自己修復フィルムのはく離過程を可視化した結果である。ここでは，金属製のブロック試験片上ひずみゲージ
AE センサ
変形過程
垂直荷重
ピン
ブロック
その場観察
（動画記録）
増幅器にフィルム材料を貼り付け，ステンレス鋼製のピン試験片を摩擦させて，その場観察実験を実施した。供試した
ブロック

摩擦動ひずみ計 AE 解析装置
摩擦力

AE 信号

データロガー
図4〜μm〜μm〜 mm

摩耗過程

PC

特観察手法による可視化スケールと可視化対象

摩擦面顕微鏡 in situ 観察装置の概略

フィルム材料は，PET（polyethylenterephthalate）基材の上に自己修復フィルムが成膜されている。まず，摩擦に伴うピン試験片の接触部前方で作用する圧縮応力により，フィルム表層部で変形および微視的き裂が生じる。
掘り起こし作用によって，図 5（ⅱ）のように前方で大きな変形が生じる場合，接触部後方では引張り応力が作用し，表層部の微視的き裂を起点として破断が生じる〔図 5（ⅱ）A 部分〕。その後，自己修復フィルムがめくり上げられ，はく離していく過程が観察される。

44.1

摩擦面顕微鏡を用いた摩擦界面その場観察事例

（ⅰ）

ピン試験片

（ⅱ）
A

自己修復フィルムの耐はく離性評価

近年，傷が付きにくい自己修復性を持った高分子材料フィルムが開発され，タッチパネル等の保護フィルムとフィルム試料ブロック試験片（ⅲ）（ⅳ）

して使用されるようになってきた。保護フィルム表面には多機能な性質（感触・操作性，防汚・指紋防止など）
100 μmが付加されるようになっており，材料開発するうえでトライボロジー特性を評価することが重要になる。

図5

自己修復フィルムのはく離過程のその場観察

MATERIAL STAGE Vol.17, No.5 201725図 6 は，自己修復フィルムの損耗量（はく離量）を定量的に評価した例である。図 5 で示した一連のはく4.2 プラスチック基材上 DLC 薄膜の耐摩耗性評価

離過程において，自己修復フィルムの大きな変形やめくトライボロジー特性の向上の解決策として，高硬度，り上げが生じた際には，図 6（a）のようにフィルムと低摩擦かつ耐摩耗性，平滑性，化学的安定性などに優れして機能しなくなった表層部が残存する。また，図 6（b）た特性を有するダイヤモンドに類似した硬質膜の DLCのように表層部の微視的き裂の生成によって自己修復性（diamond-like carbon）コーティングが有効とされていが失われ，損傷が残存しているのがわかる。この量が，る。最近では，高分子材料に DLC コーティングを施す

自己修復フィルムの厚みを超えた際に使用限界に至った技術開発も進められており，その耐摩耗性や密着性などとみることもできる。垂直荷重や摩擦速度によって，表の評価に対する要求も高い。

層部の微視的き裂の生成やはく離の発生が変化するた

図 8 お よ び 図 9 は，DLC 薄 膜 を 成 膜 し た PTFE

め，それぞれの耐摩耗性（使用限界）を評価することが（polytetraﬂuoroethylene）の摩擦・摩耗過程をその場観可能となる。

察した結果である。図 8 では，PTFE 摩擦表面の DLC 薄膜が部分的にはく離していく様子が観察できる。さらに，

（a）

（b）

摩擦を繰り返すことにより，その小片が集合していく
34 μm

131 μm

100 μm

様子も観察されている。垂直荷重が大きくなると，図 9のように摩擦表面直下の PTFE 表層部の塑性変形が進行し，陥没部に応力が集中することで DLC 薄膜が破壊し

図6

自己修復フィルム損耗部の可視化

図 7 は，フィルム表層部に損傷が生じない低荷重条ていく様子を観察することができる。

（ⅰ）

（ⅱ）

ピン試験片

件下でのその場観察結果の一例である。これにより，耐摩耗性のみならず自己修復性を定量的に評価することが可能となる。また，変形した量や回復に要する時間（速度など）も in situ 観察動画から定量的に評価可能である。
この側方からの観察によって，損傷の量を可視化することができ，成膜条件や摩擦条件の違いによる損耗量（耐はく離性や耐摩耗性）や自己修復性を定量的に比較する

図8（ⅰ）

PTFE 基材

図9

自己修復量
100 μm

自己修復量の可視化による定量的評価

100 μmPTFE 基材上 DLC 薄膜の摩耗過程のその場観察（ⅱ）

ピン試験片ことが可能となる。

図7

DLC 薄膜の 移着粒子の集合破壊

PTFE 基材

DLC 薄膜の破壊と掘り起こし 100 μm

PTFE 基材の変形

PTFE 基材の変形と DLC 薄膜の破壊過程のその場観察

図 10 は，図 8 で示したその場観察の際に計測された摩擦係数と AE 平均値電圧（AE 信号の振幅値に相当）の変化である。AE 平均値電圧は，変形・破壊の大きさ5）を表すパラメータであり ，ここでは表面の損傷状態すなわち DLC 薄膜の破壊状態とみなすことができる。こ26

MATERIAL STAGE Vol.17, No.5 2017

プラスチックの摩擦・摩耗メカニズムとその特性改善の AE 平均値電圧の変化をみると，摩擦係数には現れな4.3

い変化を捉えていることがわかる。これは，AE 計測が

特

ゴム摩擦表面直下の変形状態の可視化・解析

単なる力の抵抗の計測と比べて，微視的な摩擦界面の摩擦面間における微視的な摩擦面の付着（stick）と6）変形・破壊現象に対する検出感度が高いためである 。

すべり（slip）の繰り返しによって自励振動（外部からよって，PTFE 表層部の塑性変形のみならず DLC 薄膜の振動的入力を与えられることなく持続する振動）が発生微視的なき裂進展およびはく離（摩耗）に起因する変化する。この自励振動をスティック・スリップと呼び，静を捉えていると考えられる。このように，変形・破壊プ摩擦から動摩擦に移るときの不連続な摩擦低下が生じロセスを可視化できるだけでなく，計測データとの紐づる場合などに発生し，機械システムの振動や騒音の原因けを行うことによって，摩擦・摩耗メカニズムの理解にになることも多い。そのため，摩擦面のスティック・スも役立てることができる。

リップ挙動の解明は，摩擦材料開発には欠かすことがで集1きない。
図 8（ⅰ）
AE 平均値電圧0.40.8摩擦係数

0.30.60.20.40.10.201020304050て，ゴム材料を用いたその場観察の結果を図 11 に示す。

1AE 平均値電圧，V摩擦係数

0.50

スティック・スリップ挙動の可視化・解析の事例とし

図 8（ⅱ）

ここでは，アルミニウム製のピン試験片を合成ゴム上で摩擦させて得られた in situ 観察動画の運動解析を行っている。ゴム材料の摩擦表面下にマーカーを設定し，その周囲の画像データを 1 フレーム毎に相関追尾させる〔図 11（a）〕。追尾させた各マーカーと基準点の距離を060数値化することによって，材料内部の変位量をグラフと70して可視化できる〔図 11（b）および（c）〕。この変位

時間，s量の時間的変化から，スティック・スリップ挙動を定量その場観察と同時計測される摩擦係数と AE 信号の変化的に評価することが可能となる。図 12 は，摩擦 1 往復

フレーム 274

ピン試験片
YX

変位，mm0.100.050.00
P1P2P3P4P5P60マーカー

100 μm

ゴム試料（a）In situ 観察動画 ➡ 運動解析

510時間，s1520（b）摩擦方向変位（X-T グラフ）
変位，mm

図 100.00− 0.050510時間，s1520（c）垂直方向変位（Y-T グラフ）
図 11

摩擦面の in situ 観察動画の運動解析

MATERIAL STAGE Vol.17, No.5 201727（a）

（b）

10 μm

ゴム材料 A（無潤滑）（c）

10 μm ゴム材料 A（潤滑） 10 μm

ゴム材料 B（無潤滑）図 12

ゴム摩擦面直下のマーカーの軌跡

中のマーカーの軌跡を示している。図 12（a）と（b）

参考文献

は無潤滑下でのゴム材料の違いを示しており，ゴム材

1）長谷亜蘭，三科博司，摩耗現象の可視化技術，トライボロジスト，

料 B における軌跡は摩擦方向への変化が大きく現れて

59 巻，5 号（2014）pp. 283-289いる。また，図 12（a）と（c）は同一ゴム材料で潤滑

2）長谷亜蘭，摩擦界面 in situ 観察による鋳鉄のトライボロジー過程状態の違いを示しており，潤滑下の軌跡は摩擦方向の変の可視化，埼玉工業大学工学部紀要，第 26 号（2016）pp. 13-18化が小さく，安定したすべり状態であることがわかる。

3）A. Hase, K. Mizuta, Y. Nishizawa, K. Sugimoto, K. Okayama,

このように，異なる材質や摩擦条件，環境でその場観察

Evaluation of Frictional Properties for Brake Pads Using High-speed実験を実施し，得られた in situ 観察動画から摩擦面直In Situ Observation and Acoustic Emission Measurement Method,下や材料内部の挙動を可視化・解析することで，摩擦面

Proc. of EuroBrake 2016, Milan (2016) EB2016-SVM-060

で起こっている微視的な摩擦現象の解明や摩擦特性の評

4）長谷亜蘭，三科博司，トライボロジー現象可視化のための小型摩擦価・検討に繋げることができる。この他，粒子画像流速

面顕微鏡の設計・製作，埼玉工業大学工学部紀要，第 22 号（2012）

測定法（particle image velocimetry, PIV）を用いて，摩pp. 13-16

擦中の摩擦面直下の塑性流動を可視化し，摩耗メカニズ
7）

ムの立証に繋げた研究事例もある 。

5）長谷亜蘭，アコースティックエミッション計測の基礎，精密工学
会誌，78 巻，10 号（2012）pp. 856-861
6）A. Hase, M. Wada, H. Mishina, Acoustic Emission Signals and Wear

5Phenomena on Severe-Mild Wear Transition, Tribology Online, Vol.

おわりに3, No. 5 (2008) pp. 298-303

摩擦実験後の摩耗面や摩耗粒子，その他の表面分析結果いわゆる摩擦・摩耗現象の死に様だけを見るのではなく，摩耗面や摩耗粒子が時々刻々と生成・変化する過程すなわち生き様をその場観察によって可視化することの重要性を示した。摩擦界面の側方からの摩擦・摩耗現象の可視化実験は，摩擦表面直下で起こる変形・破壊過程を十分に観察することができ，摩擦・摩耗のメカニズムや問題点を調査するのに大変有用である。また，摩擦力の計測などから感覚的に認識していた現象も，実際の現象を可視化することによって確証を得ることができよう。

28MATERIAL STAGE Vol.17, No.5 20177）N. K. Sundaram, Y. Guo, S. Chandrasekar, Mesoscale Folding,Instability, and Disruption of Laminar Flow in Metal Surfaces, Phys
Rev Lett, 109 (2012) 106001