極限のトライボロジー

極限トライボロジーとは、高負荷や高温度、または厳しい環境に関連する可能性のある極端な動作条件下でのトライボロジー状況を指します。また、一時的な接触条件が高い場合や、監視やメンテナンスの機会がほぼ不可能な状況に関連する場合もあります。一般に、極限条件は、異常に高いまたは過剰な寒さ、熱、圧力、真空、電圧、腐食性化学物質、振動、またはほこりへの曝露を含むものとして分類できます。^[1]極限条件には、次のいずれかの条件下で動作する潤滑剤を必要とするデバイスまたはシステムが含まれます。 ^[2]

• 元の機械設計仕様を超える。
• 元の機械の周囲パラメータを超えています。
• 環境的に敏感な場所でのアプリケーション。
• 元の潤滑剤設計仕様を超えています。

このような極限条件での動作は、トライボロジストにとって、これらの極限の要件を満たすトライボシステムを開発する上で大きな課題です。多くの場合、多機能材料だけがこのような要件を満たします。^[3]

人類の進歩は、新しい潤滑剤と潤滑システムを必要とする新しい技術、装置、材料、表面処理を提案しました。同様に、高速列車、航空機、宇宙ステーション、コンピュータハードディスク、人工インプラント、バイオメディカル、その他多くの工学システムの開発は、トライボロジーの進歩によってのみ可能になりました。持続可能性、気候変動、環境の段階的な劣化など、トライボロジーの課題には、新しい解決策と革新的なアプローチが必要です。^[4]

多くのトライボロジー用途では、システム コンポーネントが極端な温度 (非常に高い温度または極低温) にさらされます。このような用途の例としては、航空宇宙、鉱業、発電、金属加工業界、製鉄所などが挙げられます。トライボロジーでは、従来の潤滑剤 (オイルやグリース)が 300 °C 前後で急速に分解するため効果がなくなる高温で動作するアプリケーションが考えられます。スマート潤滑材と多機能潤滑材は、安全性、長期耐久性を高め、修理コストを可能な限り削減した新しいクラスの材料として開発されています。このような材料は、自己診断、自己修復、自己調整が可能なように設計されています。これらの材料には、構造/潤滑統合材料、耐放射線潤滑材、導電性または絶縁性潤滑材などがあります。低温および極低温環境では、液体潤滑剤は固化したり高粘度になったりして効果がなくなることがあります。一方、固体潤滑剤は通常、液体潤滑剤やグリースよりも優れていることがわかっています。極低温用の最も一般的な固体潤滑剤は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート、二硫化タングステン（WS ₂）、および二硫化モリブデン（MoS ₂ ）です。さらに、氷は極低温環境での変形の潤滑剤として使用できる可能性があり、潤滑剤を供給するための能動的なメカニズムが必要ないという意味で自己潤滑の方法を提供します。

マイクロ/ナノ トライボロジーと古典的なマクロ トライボロジーを区別する基本的な違いは、マイクロ/ナノトライボロジーでは、マイクロスケールから分子および原子スケールまでの寸法の相対滑りにおける2つの物体の摩擦と摩耗を考慮することです。MEMSは、特性長さが100 nmから1 mmのマイクロ電気機械システムを指し、 NEMSは特性長さが100 nm未満のナノ電気機械システムを指します。 ^[5] MEMS / NEMSのトライボロジー、表面汚染、環境に関する基本的な理解を深めるには、大きな課題があります。 このような極端なトライボロジー状況におけるこれらの課題の1つは、重力の100万倍にもなる付着力です。 これは、付着力がサイズとともに直線的に減少するのに対し、重力はサイズの3乗で減少するという事実によるものです。 酸化物表面に塗布された低表面エネルギーの疎水性コーティングは、付着と静電気の蓄積を最小限に抑えるのに有望です。 ^[6]

真空環境では、潤滑剤が凍結、蒸発、分解して効果がなくなる可能性があるため、トライボロジー部品の許容可能な耐久性を達成することが問題となります。材料のトライボロジー特性は、大気圧と比較して宇宙真空では異なる特性を示します。粘着摩耗と疲労摩耗は、真空環境で発生する2つの重要な摩耗タイプです。真空は、接触している金属と合金の摩耗挙動に根本的な影響を与えるだけでなく、非金属にも顕著な影響を及ぼします。 ^{[7] [8]}真空環境で動作する可能性を持つさまざまな新しい種類の材料が開発されています。たとえば、CuZn
₃₉鉛
₃とニ
₃(Si,Ti)合金は、あらゆる真空条件下で優れた耐摩耗性を発揮します。^{[9] [10] [11]}宇宙用途 で使用される固体潤滑剤の種類：

• 軟質金属フィルム：金、銀、鉛、インジウム、バリウム。
• 層状固体:二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヨウ化カドミウム、ヨウ化鉛、二セレン化モリブデン、インターカレートグラファイト、フッ化グラファイト、フタロシアニン。
• ポリマー：ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、フッ素化エチレンプロピレン、超高分子量ポリエチレン （UHMWPE）、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアセタール、エポキシ樹脂。
• その他の低せん断強度 材料:カルシウム、リチウム、バリウム、希土類元素のフッ化物、ビスマス、カドミウムの硫化物、鉛、カドミウム、コバルト、亜鉛の酸化物。

固体潤滑剤を使用する最も一般的な方法は、金属表面に、人工的に表面に堆積させた薄い層の柔らかいフィルムまたは表面コーティング（典型的には二硫化モリブデン）として塗布することです。固体潤滑剤のコーティングは原子ごとに構築され、機械的に強力な表面層を生み出し、耐用年数が長く、固体潤滑剤の量が最小限で済みます。

「ジオトライボロジー」という用語は、ハーメン・ブロックによって最初に提唱されましたが、特に議論はありませんでした。^[12]その後、ジオトライボロジーの枠組みは、粒状砂の流動力学を分析するために採用されました。^[13]トライボロジーの概念は多くの地球科学現象に利用できますが、2つの研究コミュニティは分離しています。地球 科学では、特に岩石摩擦解析において、多くのトライボロジーの概念が次々に適用されました。アスペリティ-アスペリティ接触メカニズムは岩石摩擦実験に適用され、地震解析で支配的な速度状態摩擦法則につながりました。^[14]

ほこりの多い場所や汚れの多い 環境では、粒子汚染のリスクが高いため、潤滑剤に重大な悪影響を与える可能性があります。これらの汚染物質は容易に研磨ペーストを形成し、摩擦システムの故障を引き起こし、その結果として機器を損傷します。このタイプの汚染は、特に負圧のシステムで、空気中の粒子または停滞粒子が開いたポートやハッチから潤滑システムに侵入したときに最も頻繁に発生します。ベアリングの有用性の低下の半分は摩耗によるものです。表面の摩耗、疲労、付着によって発生するこの摩耗は、多くの場合、粒子汚染の結果です。

放射線 環境では、液体 潤滑剤は分解する可能性があります。適切な固体潤滑剤は、比較的低い摩擦係数を維持しながら、システムの動作を 10 ⁶ radを超えて延長することができます。

重量制限のある宇宙船や探査車の場合、固体潤滑は液体潤滑よりも大幅に軽量であるという利点があります。液体潤滑剤をなくし（または使用を制限し） 、固体潤滑剤に置き換えると、宇宙船の 重量が軽減され、ミッションの範囲と宇宙船の操縦性に劇的な影響が及びます。

• https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20000057374.pdf
• https://link.springer.com/referencework/10.1007/978-0-387-92897-5