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固体と液体の濡れ（接触角） γSV = γSL + γLV cosθ 接触角に関する古典
Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 固体と液体の濡れ（接触角） Wenzelの式 気体 気体 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 接触角に関する古典理論 液体 液体 実際の面積 Aact 固体 SV = SL + LV cos Cassie-Baxterの式 Youngの式 液体 表面張力（mN/m） エタノール 22.55 メタノール 22.60 水銀 476.0 水 72.75 気体 接触角が <90度の場合 親水性 >90度の場合 疎水性、撥水性 液体 f1 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki f2 せん断速度 A SL せん断力 前進 接触角 せん断応力 R 気体 液体 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 流体力学の基礎 後退 接触角 SV 固体 cos* = f1 cos1 + f2 cos2 空気の トラップ 微細構造が存在する場合の推定は必ずしも出来ない 接触角と転落角，ピン止め LV ただし，r = Aact / Aapp 見かけの面積 Aapp 固体 cos* = r cos 固体 接触角 転落角 ビンガム 流体 擬塑性流体 ニュートン 流体 ダイラタント 流体 前進接触角と後退接触角の差（ヒステリシス）は転落角と相関がある 引上げ方向 せん断速度 水面 円柱構造 ニュートン流体（せん断応力は せん断速度に比例）と非ニュー トン流体 古典的な流体力学理論では 壁 面 で 滑 り は 生 じ な い （ no slip condition）ため，流体は せん断変形を受ける 水 ピン止めは表面構造等によって起こる 流体力学の基礎（ピトー管） Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 流体が介在する場合の摩擦と動圧 摩擦係数 境界潤滑 流体潤滑 混合潤滑 静摩擦 s=V/p （:粘度，V: 滑り速度，p: 圧力） ストライベック［Stribeck］ 曲線 右下がりの特性を示す場 合はスティックスリップ （ stick-slip ） 現 象 の 原 因 にもなる 運動 動圧と軸受理論 （レイノルズ ［Reynolds］方 程式） 軸受 流体 全圧と静圧の差（動圧）から速度を求める ベルヌーイの定理 一定 回転軸 偏心 圧力分布 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 圧力分布 1 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki スティックスリップとは 摩擦のメカニズム Tokyo Metropolitan University N. Moronuki y x y 時間経過 摩擦係数の変化：滑り始 めると係数が小さくなる →エネルギが解放 すべり（金属間接触，潤滑剤） ころがり（転動体の自転） 流体潤滑（静圧，動圧） slip:すべり→エネルギ解放 stick:固着 →エネルギ蓄積 slip:すべり→エネルギ解放 stick:固着 →エネルギ蓄積 x 連続的な動作を与えても結果は間欠的 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki すべり摩擦 メニスカス効果による付着力 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki クーロン/アモントンの法則 F=N 硬質金属＋軟質金属層 固体潤滑剤の利用（後述） ミクロな世界での問題点 付着力（スティクション）の増大 f r 2 cos cos / h ただしrは液滴のメニスカス半径，は液滴の表面張 力，とは液滴の上下面への濡れの接触角を表す． Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 影響 I スケール効果 I∝L 転がり摩擦の原因 角速度は同一 0.5 I∝L 2 L I∝L3 代表寸法 L ・質量は代表寸法Lの3乗に比例し，表面積はLの2乗に比例． ・微小な世界では慣性力よりも表面力の影響の方が顕著にな るため，物体の急加速や急停止が行いやすくなるものの摩擦 などの影響を受けやすい． ・ファンデルワールス力はLの1/4乗に，拡散時間は1/2乗に， 表面張力は1乗 周速の R 違い Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 接触域内での滑り （マイクロスリップ） およびヒステリシス ロス 回転半径 RR の違い 接触域 Hertzの接触理論 に従い，有限の接 触面積を持つ 2 ヘルツ接触 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki Elastohydrodynamic lubrication Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 動圧によって構造の変 形が生じ，圧力分布がさ らに変化する． 弾性変形と動圧効果の 連成問題として解ける． (a)せん断応力が作用しない場合と (b)せん断応力が作用する場合 摩耗のメカニズム Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 摩耗の形態 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 硬さの違い 内部応力 トライボロジに関連する因子 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki ハードディスクヘッド ダイヤモンドと鉄など Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 課題：スティクションの回避 摩耗の低減 3 典型的な固体潤滑剤 無機物 層状材料 非層状材料 軟質金属 有機物 低分子 高分子 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki グラファイト，MoS2，WS2，CFｘ PbO, CaF2, BaF2 , B2O3 , DLC Pb, Sn, In, Au, Ag スティックスリップ が起こりにくいも のの，摩耗によっ て特性が変わる 油脂，グリース，ソープ，ワックス， ステアリン酸， パーフルオロポリエーテル（PFPE） 四フッ化エチレン（PTFE），ポリイミド， メタアクリレート 層状構造を利用した固体潤滑 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 左からMoS2，グラファイト，Fをインターカレート したグラファイト 光の反射，散乱，回折 ステアリン酸単分子膜の摩擦低減効果 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki 正反射 鏡面 乱反射 不規則面 波長に依存 した回折 規則構造 を持つ面 波長 [nm] 400～435 435～480 480～490 490～500 500～560 560～580 580～595 595～610 610～750 750～800 色 紫 青 緑青 青緑 緑 黄緑 黄 橙 赤 紫赤 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki ラングミュア・ブロジェット 法による単分子膜の生成 工業的な応用例 大きさ：40mmx40mm レンズ材料：PMMA(アクリル樹脂) 金型：型鋼の無電解ニッケルめっき 部をダイヤモンド切削仕上げ 入射光 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki PTFEの構造変化 ヒートシンク 光 Tokyo Metropolitan University N. Moronuki TIRレンズ 太陽電池 光学シート材 TIRレンズ 入射光 反射光 反射光の干渉 透過性を持つ 多層構造 構造色の発生 4