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AR カテゴリーラボラトリーテスト
極低速域での摩擦評価
低速域での摩擦評価の重要性
摩擦とは、固体表面同士を滑らせて相対運動に抵抗させる力のことである。この2つの接触面の相対運動が起こると、界面での摩擦により運動エネルギーが熱に変換される。また、このようなプロセスは、材料の摩耗、ひいては使用中の部品の性能劣化につながる可能性がある。
ゴムは伸び率が大きく、弾力性に富み、防水性や耐摩耗性にも優れているため、自動車のタイヤやワイパーブレード、靴底など、摩擦が重要な役割を果たすさまざまな用途や製品に幅広く使用されている。これらの用途の性質や要求に応じて、異なる材料に対して高い摩擦と低い摩擦のどちらかが望まれる。そのため、さまざまな表面に対するゴムの摩擦を制御し、信頼性の高い方法で測定することが重要になります。
測定目的
さまざまな材料に対するゴムの摩擦係数 (COF) は、Nanovea を使用して制御および監視された方法で測定されます。 トライボメータ。この研究では、極低速でさまざまな材料の COF を測定する Nanovea トライボメーターの能力を紹介したいと思います。
結果および考察
3種類の材料（Stainless steel SS 316, Cu 110, optional Acrylic）に対するゴム球（φ6mm, RubberMill）の摩擦係数（COF）をNanovea Tribometerで評価した．試験した金属サンプルは、測定前に機械的に研磨し、鏡面仕上げとした。法線荷重を加えた際のゴム球のわずかな変形によって面積接触が生じ、COF測定に対する試料表面のアスペリティや不均一性の影響を軽減することもできます。試験パラメータを表 1 に示す。
4種類の速度で異なる素材に対してゴム球を衝突させたときのCOFを図2に示す。2 に、ソフトウェアによって自動的に計算された平均 COF をまとめ、図 3 で比較した。興味深いことに、金属試料（SS 316 と Cu 110）は、回転速度が 0.01 rpm という非常に低い値から 5 rpm まで上昇すると、COF が著しく増加することがわかります。この結果は、いくつかの研究室から報告されている結果と一致している。Groschが提案したように4 ゴムの摩擦は、主に（1）ゴムと他の材料の接着、（2）表面の凹凸によるゴムの変形によるエネルギー損失の2つのメカニズムで決定される。シャラマッハ5 軟質ゴム球と硬質表面との界面において，ゴムが相手材から剥離する波が観察された。ゴムが基材表面から剥離する力と剥離の波の速度から、試験中の異なる速度での摩擦の違いを説明することができる。
これに対し、ゴムとアクリルのカップルは、異なる回転数で高いCOFを示しました。回転速度が0.01 rpmから5 rpmまで上昇すると、COF値は1.02から1.09までわずかに上昇した。このような高いCOFは、おそらく試験中に形成された接触面の局所的な化学結合が強くなったことに起因しています。
結論
本研究では、ゴムが極低速で、硬い表面に対する摩擦が相対運動の速度が上がるにつれて大きくなるという特異な摩擦挙動を示すことを示した。ゴムは、異なる材料の上を滑るとき、異なる摩擦を示します。ナノベーストライボメータは、異なる速度で制御・監視された方法で材料の摩擦特性を評価することができ、ユーザーは材料の摩擦メカニズムの基本的な理解を深め、目標とするトライボロジー工学アプリケーションに最適な材料カップルを選択することが可能です。
ナノベーストライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションで高温摩耗、潤滑、トライボコロージョンを1つの統合されたシステムで利用することが可能です。0.01 rpmまでの極めて低い速度で回転ステージを制御し、摩擦の変化をその場でモニターすることが可能です。ナノベアの比類なき製品群は、薄いまたは厚い、柔らかいまたは硬いコーティング、フィルム、および基材のトライボロジー特性をフルレンジで測定するための理想的なソリューションとなります。
さて、次はアプリケーションについてです。
高分子のトライボロジー
はじめに
高分子はさまざまな用途に幅広く利用され、日常生活に欠かせないものとなっている。琥珀、絹、天然ゴムなどの天然高分子は、人類の歴史において不可欠な役割を担ってきた。合成高分子の製造プロセスを最適化することで、強靭性、粘弾性、自己潤滑性など、ユニークな物理的特性を実現することができる。
高分子の摩耗と摩擦の重要性
ポリマーは、タイヤ、ベアリング、コンベヤーベルトなどのトライボロジー用途によく使われている。
ポリマーの機械的特性、接触条件、摩耗過程で形成される破片や転写膜の特性によって、さまざまな摩耗メカニズムが発生します。ポリマーが使用条件下で十分な耐摩耗性を有することを確認するためには、信頼性が高く定量的なトライボロジー評価が必要である。トライボロジー評価により、異なるポリマーの摩耗挙動を制御・監視しながら定量的に比較し、目的とする用途に適した材料候補を選択することができます。
ナノベーストライボメータは、ISOとASTMに準拠した回転・直線モードによる再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションで高温摩耗・潤滑モジュールを1つの統合済みシステムで利用できます。この比類のないラインナップにより、ユーザーは、集中応力、摩耗、高温など、ポリマーのさまざまな作業環境をシミュレートすることができます。
測定目的
この研究では、Nanovea が トライボメータ は、さまざまなポリマーの摩擦抵抗と耐摩耗性を、適切に制御された定量的な方法で比較するための理想的なツールです。
試験方法
さまざまな一般的なポリマーの摩擦係数 (COF) と耐摩耗性は、Nanovea Tribometer によって評価されました。 Al2O3 ボールをカウンター材 (ピン、静止サンプル) として使用しました。ポリマー（動的回転サンプル）の摩耗痕跡は、 非接触3D表面形状計 テスト終了後の光学顕微鏡。オプションとして、非接触内視鏡センサーを使用して、摩耗試験中に動的サンプルにピンが貫通する深さを測定できることに注意してください。試験パラメータを表 1 にまとめます。摩耗率 K は、式 K=Vl(Fxs) を使用して評価しました。ここで、V は摩耗量、F は垂直荷重、s は滑り距離です。
なお，本研究ではAl2O3ボールを対向材として使用した。実際の適用条件下での2つの試料の性能をより詳細にシミュレートするために、任意の固体材料に置き換えることができます。
結果および考察
摩擦はトライボロジー応用において重要な役割を果たす一方、摩耗速度は材料の寿命を決定する重要な要因です。図2はAl2O3ボールに対する各種ポリマーの摩耗試験におけるCOFの推移を比較したものである。COFは、いつ故障が発生し、摩耗が新しい段階に入るかを示す指標として機能します。試験したポリマーのうち、HDPEは摩耗試験中、COFが最も低く、0.15程度に保たれています。COFが滑らかであることは、安定したトライボコンタクトが形成されていることを示唆しています。
図3と図4は、試験後のポリマーサンプルの摩耗軌跡を光学顕微鏡で測定した結果を比較したものです。In-situ非接触三次元形状測定機は、ポリマー試料の摩耗量を正確に測定し、それぞれ0.0029、0.0020、0.0032m3/N mの摩耗量を正確に計算することが可能です。一方、CPVCの摩耗痕には深い平行摩耗痕が認められ、0.1121m3/N mという最も高い摩耗量を示した。
まとめ
高分子の耐摩耗性は、そのサービス性能に重要な役割を果たします。この研究では、ナノベーストライボメータが、様々なポリマーの摩擦係数と摩耗率を、1つの試験片で評価することを紹介しました。
をよく制御し、定量的な方法で行った。HDPEは試験したポリマーの中で最も低いCOFを示し、約0.15であった。HDPE、ナイロン66、ポリプロピレンはそれぞれ0.0029、0.0020、0.0032 m3/N mという低い摩耗率を有しています。低摩擦と優れた耐摩耗性の組み合わせにより、HDPEはポリマートライボロジー用途に適した材料といえます。
In-situ 非接触型3次元形状測定器は、精密な摩耗量測定を可能にし、摩耗痕の詳細な形態を解析するツールを提供することで、摩耗メカニズムの基本的な理解への洞察を深めます
さて、次はアプリケーションについてです。
3次元形状測定によるハニカムパネルの表面仕上げ
はじめに
ハニカムパネル表面の粗さ、気孔率、テクスチャーは、最終的なパネル設計のために定量化することが重要です。これらの表面品質は、パネル表面の美観と機能特性に直接関連する可能性があります。表面の質感と気孔率をより良く理解することで、パネル表面の加工と製造性を最適化することができます。ハニカムパネルの定量的で正確かつ信頼性の高い表面測定は、アプリケーションや塗装の要件に応じた表面パラメータを制御するために必要です。ナノベア3D非接触センサーは、これらのパネル表面を正確に測定することができる独自のクロマティックコンフォーカル技術を利用しています。
測定目的
この研究では、高速ライン センサーを備えた Nanovea HS2000 プラットフォームを使用して、表面仕上げの異なる 2 つのハニカム パネルを測定し、比較しました。ナノベアをご紹介します 非接触表面形状計は、高速かつ正確な 3D プロファイリング測定と表面仕上げの包括的な詳細分析を提供する機能を備えています。
結果および考察
表面仕上げを変化させた2つのハニカムパネル試料、すなわち試料1および試料2の表面を測定した。試料1と試料2の表面のフォールスカラーと3Dビューをそれぞれ図3、図4に示す。粗さと平坦度の値は高度な解析ソフトウェアによって計算され、表1で比較されています。サンプル2はサンプル1に比べ、よりポーラスな表面を呈しています。その結果、試料1の粗さSaが4.27μmであるのに対し、試料2は14.7μmと高い粗さを有していることがわかる。
ハニカムパネル表面の2次元プロファイルを図5で比較し、サンプル表面の異なる位置での高さ変化を視覚的に比較することができます。サンプル1では、最も高い山部と最も低い谷部の位置で、高さの変化が約25μmであることが観察されます。一方、サンプル2は、2Dプロファイル全体でいくつかの深い孔があることがわかります。高度な解析ソフトは、図 4.b 試料 2 の表に示すように、比較的深い 6 つの孔の位置を自動的に特定し、その深さを測定する機能を備えています。この6つの孔のうち、最も深い孔は、最大深度が90μm近くあります（ステップ4）。
Sample 2 の細孔径と分布をさらに調べるために、空隙率評価を行い、次節で考察する。スライス図を図 5 に、結果を表 2 にまとめました。図5で青色で示された細孔は、試料表面に比較的均質に分布していることがわかります。細孔の投影面積は、試料表面全体の18.9%を構成しています。1mm²当たりの気孔の体積は約0.06mm³です。気孔の平均深さは42.2μmで、最大深さは108.1μmです。
まとめ
このアプリケーションでは、高速ラインセンサを搭載したナノベア HS2000 プラットフォームが、ハニカムパネルサンプルの表面仕上げを高速かつ正確に分析・比較するための理想的なツールであることを紹介しています。高解像度のプロファイルスキャンと高度な解析ソフトウェアの組み合わせにより、ハニカムパネルサンプルの表面仕上げを包括的かつ定量的に評価することができます。
ここに掲載されているデータは、解析ソフトウェアで利用可能な計算のごく一部を示しているに過ぎません。ナノベアプロフィロメータは、半導体、マイクロエレクトロニクス、太陽電池、光ファイバー、自動車、航空宇宙、冶金、機械加工、コーティング、製薬、バイオメディカル、環境、その他多くの産業における幅広い用途で、ほぼあらゆる表面を測定することが可能です。
さて、次はアプリケーションについてです。
ナノインデンテーションによる応力緩和測定
はじめに
粘弾性材料は、粘性と弾性の両方の材料特性を持つことが特徴である。これらの材料は、一定のひずみで時間依存的に応力が減少（応力「緩和」）し、初期の接触力が大きく損なわれることになる。応力緩和は、材料の種類、組織、温度、初期応力、時間などに依存する。応力緩和を理解することは、特定の用途に必要な強度と柔軟性（緩和）を持つ最適な材料を選択する上で非常に重要である。
ストレス・リラクゼーション測定の重要性
ASTM E328i「材料および構造物の応力緩和の標準試験方法」に従い、材料や構造物に対して、最初に圧子を用いて所定の最大力に達するまで外力を加えておく。最大力に達した後、圧子の位置はその深さで一定に保たれます。そして、圧子の位置を維持するために必要な外力の変化を、時間の関数として測定する。応力緩和試験で難しいのは、深さを一定に保つことです。ナノベアメカニカルテスターの ナノインデンテーション モジュールは、圧電アクチュエーターによる深さの閉ループ（フィードバック）制御を適用することで、応力緩和を正確に測定します。アクチュエーターは深さを一定に保つためにリアルタイムで反応し、荷重の変化は高感度の荷重センサーによって測定・記録されます。この試験は、ほぼすべての種類の材料で実施することができ、厳しい試料寸法の要件は必要ありません。さらに、1つの平らな試料で複数の試験を行うことができ、試験の再現性を確保することができます。
測定目的
このアプリケーションでは、Nanovea Mechanical Tester のナノインデンテーション モジュールが、アクリルと銅のサンプルの応力緩和挙動を測定します。 Nanovea を紹介します。 メカニカルテスター は、ポリマーおよび金属材料の時間依存性の粘弾性挙動を評価するための理想的なツールです。
試験条件
Nanovea Mechanical Testerのナノインデンテーション・モジュールにより、アクリルと銅のサンプルの応力緩和を測定しました。1～10 μm/minの範囲でさまざまな圧痕の負荷速度が適用されました。目標の最大荷重に達すると、一定の深さで緩和が測定されました。一定の深さで100秒間の保持時間を設け、保持時間の経過に伴う荷重の変化を記録しました。試験はすべて周囲条件（室温23℃）で実施し、圧痕試験のパラメータは表1にまとめた。
結果および考察
図2 は、例としてアクリルサンプルと圧痕負荷速度3 µm/minの応力緩和測定中の変位と荷重の時間的変化を示しています。この試験の全体は、3つのステージに分けることができます。ローディング、リラクゼーション、アンローディングです。荷重ステージでは、荷重が徐々に増加するにつれて深さが直線的に増加しました。最大荷重に達すると、弛緩段階が開始されました。このステージでは、装置の閉ループ深度制御機能を使用して100秒間一定の深度を維持し、時間とともに荷重が減少することが観察されました。試験全体は、圧子をアクリル試料から取り外すための除荷ステージで終了しました。
さらに、同じ圧子負荷速度を用いて、緩和（クリープ）期間を除いた圧子試験を実施した。これらの試験から荷重-変位プロットを取得し、アクリルおよび銅の各試料について図3のグラフにまとめました。圧子負荷速度が10μm/minから1μm/minに減少するにつれて、荷重-変位曲線はアクリルと銅の両方でより高い浸透深度に向かって徐々にシフトしていきました。このような時間依存的なひずみの増加は、材料の粘弾性クリープ効果によるものである。低い負荷速度では、粘弾性材料が外部応力に反応し、それに応じて変形するまでの時間が長くなる。
図 4 に、試験した両材料について、異なる押込み荷重速度を用いた一定ひずみでの荷重の推移をプロットし た。荷重は、試験の緩和段階（100秒保持）の初期に高い割合で減少し、保持時間が〜50秒に達すると減速した。ポリマーや金属などの粘弾性材料は、より高い押込み荷重率を受けると、より大きな荷重損失率を示す。緩和時の荷重損失率は、圧子負荷速度が1～10μm/minに増加すると、アクリルでは51.5～103.2mN、銅では15.0～27.4mNに増加したことが、以下に要約されるようになります。 図5.
ASTM規格E328iiに記載されているように、応力緩和試験で遭遇する主な問題は、ひずみ／深さを一定に保つことができない装置であることです。ナノベアメカニカルテスターは、高速で作動する圧電アクチュエーターと独立したコンデンサーの深さセンサーの間で深さの閉ループ制御を行うことができるため、優れた精度の応力緩和測定が可能になっています。緩和の段階では、圧電アクチュエーターが圧子を調節して一定の深さの制約をリアルタイムで維持し、同時に独立した高精度荷重センサーによって荷重の変化が測定・記録されます。
まとめ
ナノベアメカニカルテスターのナノインデンテーション・モジュールを用いて、アクリルと銅のサンプルの応力緩和を、異なる荷重率で測定しました。低い荷重率で圧痕を形成すると、荷重時の材料のクリープ効果により、より大きな最大深さに到達します。アクリルおよび銅の両サンプルは、目標とする最大荷重における圧子位置を一定に保つと、応力緩和挙動を示します。緩和段階での荷重損失の大きな変化は、より高い圧子負荷率の試験で観察された。
ナノベアメカニカルテスターによる応力緩和試験は、ポリマーや金属材料の時間依存の粘弾性挙動を定量的かつ確実に測定できる装置であることを示します。このテスターは、単一プラットフォーム上にナノ・マイクロモジュールを搭載した、他に類を見ない多機能な装置です。湿度・温度制御モジュールを組み合わせることで、幅広い産業に適用可能な環境試験機能を実現します。ナノ・マイクロモジュールには、スクラッチ試験、硬さ試験、摩耗試験などのモードがあり、単一のシステムで最も幅広く、最も使いやすい機械的試験機能を提供します。
さて、次はアプリケーションについてです。
スクラッチテストによる塗膜故障の把握
はじめに
材料の表面処理は、装飾的な外観から、摩耗、腐食、その他の攻撃から基材を保護することまで、さまざまな機能的用途において重要な役割を担っています。コーティングの品質と寿命を決定する重要な要素は、その凝集力と接着力である。
高速スキャンと非接触プロフィロメトリー
はじめに
素早く簡単にセットアップできる表面測定は時間と労力を節約し、品質管理、研究開発、生産施設には不可欠です。ナノベア 非接触表面形状計 は、3D と 2D の両方の表面スキャンを実行して、あらゆる表面のナノスケールからマクロスケールの形状を測定できるため、幅広い使いやすさを提供します。
ピンオンディスク型トライボメータによるストリベックカーブの連続測定
はじめに
可動面の摩耗/摩擦を低減するために潤滑を施す場合、界面の潤滑接触は、境界潤滑、混合潤滑、流体力学的潤滑など、いくつかのレジームから移行することができます。このとき、流体膜の厚さが大きな役割を果たしますが、これは主に流体粘度、界面に加わる荷重、2つの面の相対速度によって決まります。潤滑体制がどのように摩擦に反応するかは、Stribeck [1-4]曲線と呼ばれるもので示されます。
この研究では、連続的なストライベック曲線を測定できることを初めて実証しました。ナノベアを使用する トライボメータ 15000 rpm から 0.01 rpm までの高度な無段階速度制御により、10 分以内にソフトウェアが完全なストライベック曲線を直接提供します。シンプルな初期設定では、従来のストライベック曲線測定でデータをつなぎ合わせる必要があった複数のテストを実行したり、さまざまな速度で段階的な手順をプログラムしたりする必要がなく、指数関数的ランプ モードを選択し、初期速度と最終速度を入力するだけで済みます。この進歩により、潤滑剤レジーム評価全体にわたって正確なデータが提供され、時間とコストが大幅に削減されます。このテストは、さまざまな産業工学用途で使用できる大きな可能性を示しています。
太陽電池の表面粗さと特徴
ソーラーパネルテストの重要性
太陽電池のエネルギー吸収を最大化することは、再生可能な資源としてこの技術が生き残るための鍵である。何層ものコーティングとガラスの保護により、太陽電池が機能するために必要な光の吸収、透過、反射を可能にしている。一般消費者向けの太陽電池のほとんどは15～18%の効率で動作するため、そのエネルギー出力を最適化することは継続的な戦いである。
表面の粗さが光の反射率に極めて重要な役割を果たすことは、研究によって明らかになっている。ガラスの初期層は、光の反射を軽減するために可能な限り平滑でなければならないが、その後の層はこのガイドラインに従わない。それぞれの空乏ゾーンで光が散乱する可能性を高め、セル内での光の吸収を増加させるために、各コーティングの界面にはある程度の粗さが必要である1。これらの領域の表面粗さを最適化することで、太陽電池がその能力を最大限に発揮できるようになります。ナノベアHS2000高速センサーを使用すれば、表面粗さを迅速かつ正確に測定することができます。
測定目的
この研究では、ナノベアの能力を紹介する。 プロフィロメーター 太陽電池の表面粗さと幾何学的特徴を測定することにより、高速センサー付きHS2000を使用します。このデモンストレーションでは、ガラスで保護されていない単結晶太陽電池を測定しますが、この方法は他のさまざまなアプリケーションにも使用できます。
試験方法と手順
太陽電池の表面測定には、以下の試験パラメータを使用した。
結果および考察
下に描かれているのは、太陽電池の2Dフォールスカラー図と、それぞれの高さパラメータを持つ表面の領域抽出です。両方の表面にガウシアンフィルターを適用し、抽出された領域を平坦化するために、より積極的なインデックスを使用しました。これにより、カットオフ指数より大きな形状（またはうねり）は除外され、太陽電池の粗さを表す特徴が残されます。
グリッドラインの幾何学的特性を測定するために、グリッドラインの方向に対して垂直なプロファイルを撮影したのが次の図である。グリッドラインの幅、段差、ピッチは、太陽電池の任意の位置で測定することができます。
結論
この研究では、単結晶太陽電池の表面粗さと特徴を測定するナノベア HS2000 ラインセンサーの能力を展示することができました。複数のサンプルの正確な測定を自動化し、合否判定を設定できるナノベアラインセンサは、品質管理検査に最適な選択肢です。
参考
1 ショルツ，ルボミールラダニ，リボルミュレロヴァ，ヤルミラ"Influence of Surface Roughness on Optical Characteristics of Multilayer Solar Cells " Advances in Electrical and Electronic Engineering, vol.12, no.6, 2014, pp.631-638.
さて、次はアプリケーションについてです。
ナノビアトライボメータT50による潤滑目薬の比較検討
点眼薬テストの重要性
目薬は、さまざまな目の疾患によって引き起こされる症状を緩和するために使用されます。例えば、軽い目の炎症（乾燥や充血など）の治療、緑内障の発症を遅らせること、感染症の治療などに使用されます。市販の目薬は、主に乾燥の治療に使用されます。目の潤滑に対する効果は、摩擦係数試験で比較・測定することができます。
ドライアイは、コンピュータによる眼精疲労や厳しい天候の屋外での活動など、さまざまな要因で引き起こされることがあります。優れた潤滑性のある目薬は、目の外側の表面の水分を維持し補うのを助けます。これにより、ドライアイに伴う不快感、ほてり、炎症、充血を緩和することができます。目薬の摩擦係数（COF）を測定することで、その潤滑効果や他の点眼剤との比較を行うことができます。
測定目的
本研究では，Nanovea T50トライボメーターのピンオンディスク装置を用いて，3種類の目薬用潤滑液の摩擦係数（COF）を測定した．
試験方法と手順
直径6mmのアルミナ製球状ピンをスライドグラスに貼り付け、各目薬液を両表面間の潤滑油として作用させた。すべての実験に使用した試験パラメータは、以下の表1にまとめた。
結果および考察
試験した3種類の点眼液の摩擦係数の最大値、最小値、平均値を以下の表2に示す。また、各目薬のCOF v. Revolutionsグラフを図2〜4に示す。各試験におけるCOFは、全試験時間のほとんどにおいて、比較的一定であった。サンプルAは、最も低い平均COFを示し、最も優れた潤滑特性を有していることが示された。
結論
本研究では、Nanovea T50トライボメーターを用いて、3種類の点眼液の摩擦係数を測定し、その機能を紹介します。その結果、サンプルAは他の2つのサンプルと比較して、摩擦係数が低く、潤滑性に優れていることがわかりました。
ナノベーア トライボメータ は、ISO および ASTM に準拠した回転モジュールおよび直線モジュールを使用して、正確で再現性のある摩耗および摩擦試験を提供します。また、オプションの高温摩耗、潤滑、摩擦腐食モジュールも 1 つの事前統合システムで利用できます。このような多用途性により、ユーザーは実際のアプリケーション環境をより適切にシミュレートし、さまざまな材料の摩耗メカニズムやトライボロジー特性の基本的な理解を向上させることができます。
さて、次はアプリケーションについてです。
メカニカルテスターPB1000による類似サンプルのマルチスクラッチ自動化
はじめに :
コーティングは、その機能的な特性から、さまざまな産業で広く使用されています。硬度、耐侵食性、低摩擦性、高耐摩耗性など、コーティングが重要視される特性は数多くあります。これらの特性を数値化する方法として一般的に用いられているのがスクラッチ試験で、これによりコーティングの粘着性や凝集性を繰り返し測定することができます。破壊が起こる臨界荷重を比較することで、コーティングの本質的な特性を評価することができます。
