ディーゼルエンジンの燃料に含まれる全エネルギーのうち、摩擦損失は約10%を占める[1].摩擦損失の40-55%はパワーシリンダーシステムから生じている。この摩擦によるエネルギー損失は、パワーシリンダーシステムで発生するトライボロジー的相互作用をより良く理解することで減少させることができる。
パワーシリンダシステムにおける摩擦損失の大部分は、ピストンスカートとシリンダライナの接触に起因している。実際のエンジンでは、力、温度、速度が常に変化しているため、ピストンスカート、潤滑油、シリンダー界面の相互作用は非常に複雑です。最適なエンジン性能を得るためには、各要因を最適化することが重要です。本研究では、ピストンスカート-潤滑油-シリンダーライナー（P-L-C）界面における摩擦力と摩耗を引き起こすメカニズムを再現することに焦点を当てます。
パワーシリンダーシステムとピストンスカート-潤滑剤-シリンダーライナーの界面の概略図。
[1] Bai, Dongfang.内燃機関のピストンスカート潤滑のモデリング。Diss.MIT, 2012
モーターオイルは、その用途に応じて設計された潤滑油である。ベースオイルに加え、洗浄剤、分散剤、粘度向上剤（VI）、耐摩耗剤・耐摩擦剤、腐食防止剤などの添加剤を加えて性能を高めている。これらの添加剤は、さまざまな運転条件下でのオイルの挙動に影響を与える。オイルの挙動はP-L-C界面に影響を与え、金属と金属の接触による著しい摩耗が発生するか、流体力学的潤滑（摩耗が非常に少ない）が発生するかを決定する。
P-L-Cのインターフェースは、その領域を外部変数から切り離さないと理解することが難しい。実際の用途を代表するような条件でシミュレーションを行う方が現実的です。その ナノビア トライボメータ これには最適です。複数の力センサー、深さセンサー、滴下潤滑剤モジュール、および直線往復ステージを備えた、 ナノビア T2000は、エンジンブロック内で発生する事象を忠実に再現し、P-L-C界面をより深く理解するための貴重なデータを得ることができます。
NANOVEA T2000トライボメータに搭載された液状モジュール
この研究には、ドロップバイドロップモジュールが非常に重要です。ピストンは非常に速い速度で動くため（3000rpm以上）、サンプルを浸して潤滑油の薄い膜を作ることは困難です。この問題を解決するために、滴下式モジュールはピストンスカートの表面に一定量の潤滑油を安定して塗布することができます。
また、新しい潤滑油を使用することで、外れた摩耗粉が潤滑油の特性に影響を与える心配もありません。
NANOVEA T2000
高荷重トライボメータ
測定目的
本報告では，ピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面について検討する．この界面は、潤滑油の滴下による直線往復摩耗試験で再現される。
潤滑剤を室温と加温状態で塗布し、コールドスタートと最適な運転条件を比較する予定です。COFと摩耗率を観察し、実際の用途における界面の挙動をより深く理解します。
テストパラメーター
LOAD 100 N
テスト期間 ............................30分
スピード ............................2000 rpm
アンプリチュード ............................10mm
トータルディスタンス 1200 m
スカートのコーティング ............................ポリグラファイト
ピン素材 ............................アルミニウム合金 5052
ピン径 ............................10mm
ルーブリック ............................モーターオイル (10W-30)
APPROX.フローレート ............................60 mL/min
温度 室温および90
今回の実験では、対向材としてA5052を使用しました。エンジンブロックは通常A356などの鋳造アルミニウムで作られていますが、A5052は今回の模擬実験ではA356と同様の機械的特性を有しています[2]。
試験条件下では、著しい摩耗が
室温でのピストンスカートの観察
は，90℃のときと比較してサンプルに見られる深い傷は、静止材料とピストンスカートの接触が試験中頻繁に起こっていることを示唆している。室温では粘度が高いため、オイルが界面の隙間を完全に埋めることができず、金属と金属が接触している可能性がある。高温になるとオイルは薄くなり、ピストンとピストンの間を流れるようになる。その結果、高温での摩耗が大幅に減少することが確認された。図5では、摩耗痕の片側がもう片側よりも著しく摩耗していることがわかる。これは、オイルの出口の位置によるものと思われる。潤滑油の膜厚が片方で厚くなり、偏摩耗が発生したのである。
[2] "5052アルミニウム対356.0アルミニウム".MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum
表1: ピストンの潤滑式摩耗試験結果。
図1: 常温油膜摩耗試験におけるCOFグラフ A生プロファイル Bハイパス Cローパス
図2: 90℃摩耗油テストのCOFグラフ A raw profile B high pass C low pass.
図3: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の光学画像。
図4: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析の巻。
図5: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。
図6: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の光学像
図7: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析のボリューム。
図8: 90℃のモーターオイル摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。
ピストンでの潤滑直線往復運動摩耗試験を実施し，実機で発生する事象を模擬した。
実稼働しているエンジンピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面は、エンジンの運転に極めて重要な役割を担っています。ピストンスカートとシリンダーライナー間の摩擦や摩耗によるエネルギー損失は、この界面における潤滑油の厚みに起因している。エンジンを最適化するためには、ピストンスカートとシリンダーライナーを接触させることなく、できるだけ薄い膜厚にする必要がある。しかし、温度、速度、力の変化がP-L-C界面にどのような影響を与えるかが課題である。
NANOVEA T2000トライボメータは、幅広い荷重範囲（最大2000N）と回転数（最大15000rpm）を備えており、エンジン内で起こりうるさまざまな状況をシミュレートすることができます。将来的には、一定負荷、振動負荷、潤滑油温度、回転数、潤滑油の塗布方法などを変えた場合にP-L-Cインターフェースがどのような挙動を示すかを研究することも可能です。これらのパラメータは、NANOVEA T2000トライボメータで簡単に調整でき、ピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面のメカニズムについて完全に理解することができます。
自然は、表面構造を改善するための重要なインスピレーションの宝庫となっています。自然界に見られる表面構造を理解することで、ヤモリの足を使った接着の研究、ナマコの質感変化を利用した抵抗力の研究、葉を使った撥水性の研究など、さまざまな研究が行われています。これらの表面は、生物医学から衣料品、自動車に至るまで、多くの応用が期待されています。これらの表面のブレークスルーを成功させるためには、表面特性を模倣し再現できるような製造技術を開発する必要があります。このプロセスこそ、識別と制御が必要なのです。
Chromatic Light テクノロジーを活用した NANOVEA Jr25 ポータブル 光学プロファイラー ほぼあらゆる材料を測定できる優れた能力を備えています。これには、自然界の幅広い表面特性に見られる、独特で急な角度、反射面と吸収面が含まれます。 3D 非接触測定により、完全な 3D 画像が提供され、表面の特徴をより完全に理解できるようになります。 3D 機能がなければ、自然の表面の識別は 2D 情報または顕微鏡画像のみに依存することになり、調査対象の表面を適切に模倣するのに十分な情報が得られません。製造を成功させるには、特にテクスチャー、形状、寸法などの表面特性の全範囲を理解することが重要です。
実験室レベルの結果を現場で簡単に得られることは、新しい研究の可能性を広げます。
測定目的
このアプリケーションでは ナノビア Jr25は、葉の表面を測定するために使用されます。3D表面スキャン後に自動的に計算される表面パラメータは無限にあります。
ここでは、3Dサーフェイスを確認し、選択
を含む、さらに分析が必要な領域があります。
表面粗さ、チャンネル、トポグラフィーの定量化および調査
ナノビア
JR25
ファーローデプス
溝の平均密度16.471cm/cm2
平均溝深さ：97.428μm
最大深度：359.769μm
このアプリケーションでは、どのように ナノビア Jr25ポータブル3D非接触光学式プロファイラーは、フィールドで葉の表面の形状とナノメートルスケールの詳細の両方を正確に特性評価することができます。これらの3D表面測定から、興味のある領域を素早く特定し、その後、無限の研究リストで分析することができます (寸法、粗さ 仕上がり形状、形状 形状、平坦度 反り 平面度、体積面積、段差 高さ など）。2次元の断面図を簡単に選択し、さらに詳細な分析を行うことができます。この情報により、表面測定リソースの完全なセットを使用して、有機表面を幅広く調査することができます。また、テーブルトップモデルに統合されたAFMモジュールにより、特別な関心領域もさらに分析することができます。
ナノビア また、フィールド調査用のポータブル高速形状測定器やラボ用システムも幅広く提供し、ラボサービスも行っています。
水晶振動子マイクロバランス（QCM）は、ナノグラムレベルの微小質量を精密に測定することができる非常に感度の高い質量センサーである。QCMは、水晶振動子の共振周波数の変化を検出することで、表面上の質量変化を測定するもので、板の両面に2つの電極が貼り付けられている。極めて微小な質量を測定できることから、質量、吸着、密度、腐食などの変化を検出・監視するさまざまな研究機器や産業機器のキーコンポーネントとして利用されている。
QCMは非常に正確な装置として、0.1ナノグラムまでの質量変化を測定します。水晶板上の電極の質量減少や剥離は、水晶によって検知され、大きな測定誤差の原因となる。そのため、正確で再現性のある質量測定を行うためには、電極コーティングの本質的な品質と、コーティング/基板システムの界面の完全性が重要な役割を果たします。マイクロスクラッチテストは、塗膜の相対的な凝集力や付着力を評価するための比較測定法として広く用いられており、破損が発生する臨界荷重の比較に基づいています。QCMの信頼性の高い品質管理のための優れたツールです。
測定目的
このアプリケーションでは ナノビア メカニカルテスターマイクロ スクラッチ モードでは、QCM サンプルの石英基板上の金コーティングの凝集力と接着強度を評価するために使用されます。の能力を紹介したいと思います。 ナノビア デリケートな試料の微小な傷を高精度、高再現性で試験する機械式試験機です。
ナノビア
PB1000
があります。 ナノビア PB1000メカニカルテスターを使用し、以下にまとめた試験パラメータを用いてQCMサンプルのマイクロスクラッチ試験を実施しました。結果の再現性を確保するため、3回のスクラッチが行われました。
LOAD TYPE。 プログレッシブ
初期荷重
0.01 N
最終荷重
30 N
ATMOSPHERE: 空気 24°C
滑りスピード
2mm/分
滑り距離
2mm
QCM試料のフルマイクロスクラッチトラックは、以下のとおりです。 図1.図2には，異なる臨界荷重における破壊挙動が示されている。ここで、臨界荷重LC1 は，スクラッチトラックで最初に接着破壊の兆候が見られる荷重と定義し，LC2 は繰り返し接着破壊が起こる荷重であり，LC3 は、コーティングが基板から完全に剥離する荷重である。Lでチッピングがほとんど発生しないことがわかる。C1 11.15Nとなり、コーティング不良の最初の兆候となった。
マイクロスクラッチ試験中に常態荷重が増加し続けるため，L.S.A.以降に繰り返し接着破壊が発生する。C2 の場合、16.29N。C3 の19.09Nに達すると、コーティングは石英基板から完全に剥離する。このような臨界荷重は、コーティングの凝集力と接着力を定量的に比較し、目的とする用途に最適な候補を選択するために利用することができます。
図1: QCMサンプルのフルマイクロスクラッチトラック。
図2: 異なる臨界荷重でのマイクロスクラッチトラック。
図3 は、摩擦係数と深さの変化をプロットしたもので、マイクロスクラッチ試験中のコーティング破損の進行について、より深い洞察を与える可能性があります。
図3: マイクロスクラッチ試験中のCOFとDepthの変化。
この研究で、私たちは以下のことを示しました。 ナノビア メカニカルテスターは、QCM試料に対して信頼性の高い正確な微小スクラッチ試験を実施します。制御された厳密にモニターされた方法で直線的に増加する荷重を加えることにより、スクラッチ測定は、典型的な凝集性及び接着性コーティングの破壊が発生する臨界荷重を特定することを可能にします。コーティングの本質的な品質とQCM用コーティング/基板システムの界面保全性を定量的に評価・比較する優れたツールを提供します。
のナノ、マイクロ、マクロの各モジュールに対応。 ナノビア メカニカルテスターは、ISOやASTMに準拠した圧痕、スクラッチ、摩耗試験モードを備えており、1つのシステムで最も幅広く、最も使いやすい試験方法を提供します。 ナノビアの比類なき製品群は、硬度、ヤング率、破壊靭性、接着性、耐摩耗性など、薄手または厚手、軟質または硬質のコーティング、フィルム、基材のあらゆる機械特性を測定するための理想的なソリューションです。
さらに、オプションの3次元非接触プロファイラとAFMモジュールを使用すれば、粗さや反りなどの表面測定に加え、圧痕、傷、摩耗痕を高解像度で3次元イメージングすることも可能です。
標準的なビッカース硬度計は、10～2000gfの荷重レンジで使用可能です。標準的なビッカース硬度計は、1～50Kgfの荷重をかけます。これらの測定器は、荷重範囲が非常に限定されているだけでなく、粗い表面や低荷重を扱う場合、圧痕が小さすぎて目視で測定することができないため、不正確な測定となってしまいます。これらの制限は旧来の技術に内在するものであり、その結果、より高い精度と性能をもたらす機器付き圧痕が標準的な選択肢となりつつあります。
と ナノベアのマイクロ機械試験システムは、深さ対荷重のデータからビッカース硬度を自動計算し、1つのモジュールで最も広い荷重範囲（0.3g～2Kgまたは6g～40Kg）を実現します。深さ対荷重曲線から硬さを測定するため、ナノベアマイクロモジュールは、非常に弾性の高い材料を含むあらゆる種類の材料を測定することができます。また、ビッカース硬度だけでなく、正確な弾性率やクリープデータ、さらにはスクラッチ付着試験、摩耗試験、疲労試験、降伏強度、破壊靭性など、あらゆる品質管理データを提供することが可能です。
このアプリケーションノートでは、マイクロモジュールがどのように設計され、世界有数の計装化された圧痕とスクラッチテストを提供するのかについて説明します。マイクロモジュールの広範な試験能力は、多くのアプリケーションに理想的です。例えば、この荷重レンジにより、薄い硬質皮膜の硬度と弾性率を正確に測定することができ、さらに、同じ皮膜の接着性を測定するために、より高い荷重を加えることができます。
試験条件
ビッカース圧子を用いて、標準的な鋼鉄試料に一連の（3×4、合計12個の）微小圧痕を形成しました。荷重と深さは、圧痕試験サイクル全体について測定・記録されました。0.03 N～200 N（0.0031～20.4 kgf）の範囲で異なる最大荷重で圧痕を形成し、異なる荷重で正確な圧痕試験を実施するマイクロモジュールの能力を紹介しました。オプションで20Nのロードセルも用意されており、0.3gfから2kgfまでの低荷重域の試験で10倍以上の分解能が得られることも特筆に値します。
マイクロモジュールを用いて、先端半径500μmと20μmの円錐球状ダイヤモンドスタイラスを用いて、それぞれ0.01Nから200Nまで、0.01Nから0.5Nまで直線的に負荷を増加させたスクラッチテストを2回実施した。
トゥエンティ マイクロインデンテーション を4Nで実施し、従来のビッカース硬さ試験機と比較し、マイクロモジュールの優れた再現性を示しました。
*鋼鉄サンプルにマイクロインデンターを使用
インデントマッピングの
地図作成。 3 BY 4 INDENTS
結果および考察
Zモーター、高荷重ロードセル、高精度静電容量式デプスセンサーを組み合わせたユニークなマイクロモジュールです。独立したデプスセンサーとロードセンサーを独自に活用することで、あらゆる条件下で高精度を実現します。
従来のビッカース硬度試験では、ダイヤモンドを使用した四角錐の圧子先端で四角い圧痕を作ります。その対角線の平均長さdを測定することで、ビッカース硬度を算出することができます。
それに比べて、今回使用した機器付き圧子技術は ナノビアマイクロモジュールは、圧痕の荷重と変位を測定し、機械的特性を直接測定します。圧痕の目視は必要ありません。このため、圧痕のd値を決定する際のユーザーやコンピュータの画像処理による誤差を排除することができます。0.3nmという非常に低いノイズレベルの高精度コンデンサデプスセンサーは、従来のビッカース硬度計では顕微鏡での目視測定が困難、あるいは不可能な圧痕の深さを正確に測定することが可能です。
また、他社が採用しているカンチレバー方式は、バネでカンチレバービームに通常荷重をかけ、その荷重が圧子にかかるというもの。このため、高荷重をかけた場合、カンチレバービームの構造剛性が不足し、カンチレバービームの変形や圧子の位置ズレを引き起こすという欠点があった。一方、マイクロモジュールは、ロードセルと圧子に作用するZモーターを介して通常の荷重をかけ、その後、直接荷重をかけることができる。すべてのエレメントが垂直方向に配置されているため、最大限の剛性が得られ、全荷重範囲において再現性のある正確な圧痕と傷の測定が可能になります。
新型マイクロモジュールのクローズアップ写真
図1に圧痕マップの画像を表示した。10N以上では隣り合う2つの圧痕の距離は0.5mm、それ以下の負荷では0.25mmとなっています。試料ステージの高精度な位置制御により、機械的特性マッピングの目標位置を選択することができます。マイクロモジュールの構成部品の垂直配列による優れた剛性により、ビッカース圧子は、最大200N（オプションで400N）の荷重で鋼鉄サンプルに貫入する際、完全な垂直姿勢を維持します。これにより、試料表面には、異なる荷重で対称な四角形の印象が形成されます。
図2に示すように、顕微鏡下で異なる荷重における個々の圧痕を2つの傷とともに表示し、広い荷重範囲において圧痕試験と傷試験の両方を高い精度で実行できる新しいマイクロモジュールの能力を示しています。法線荷重とスクラッチ長さのプロットに示すように、円錐球状ダイヤモンドスタイラスがスチール試料面上を滑走すると、法線荷重は直線的に増加します。幅と深さが徐々に増加する滑らかな直線状のスクラッチ軌跡が形成されます。
図1: インデントマップ
マイクロモジュールを用いて、先端半径500μmと20μmの円錐球状ダイヤモンドスタイラスを用いて、それぞれ0.01Nから200Nまで、0.01Nから0.5Nまで直線的に負荷を増加させたスクラッチテストを2回実施した。
標準鋼材に対して4Nで20回のマイクロインデンテーション試験を実施し、従来のビッカース硬度計とは対照的に、マイクロモジュールの優れた再現性を示しました。
a: 顕微鏡下での圧痕と傷(360倍)
b: 顕微鏡下での圧痕と傷（3000倍）
図2: 最大荷重を変化させたときの荷重-変位プロット。
異なる最大荷重での圧痕中の荷重-変位曲線を以下に示す。 図3. 図4は、硬度と弾性率をまとめたもので、比較しています。鋼材は、0.03〜200N（0.003〜400Nの範囲）の試験荷重において一定の弾性率を示し、その平均値は〜211GPaとなりました。硬度は、100N以上の最大荷重で測定した場合、〜6.5GPaの比較的一定の値を示し、荷重が2〜10Nの範囲に減少すると、〜9GPaの平均硬度が測定される。
図3: 最大荷重を変化させたときの荷重-変位プロット。
図4: 最大荷重を変えて測定した鋼材サンプルの硬度とヤング率。
最大荷重4Nで20回のマイクロインデンテーションテストを実施した。荷重-変位曲線は次のように表示されます。 図5 に，得られたビッカース硬度およびヤング率を示す。 図6.
図5: 4Nでのマイクロインデンテーション試験の荷重-変位曲線。
図6: 4Nで20回微小圧痕を加えたときのビッカース硬度とヤング率。
荷重-変位曲線は、新型マイクロモジュールの優れた再現性を示しています。標準鋼材のビッカース硬度は、従来のビッカース硬度計で測定した817±18HVに対して、新型マイクロモジュールでは842±11HVとなった。硬さ測定の標準偏差が小さいため、工業分野と学術研究の両方で、材料の研究開発と品質管理における機械的特性の信頼性と再現性を確保することができます。
また，荷重-変位曲線からヤング率208±5GPaを算出した。これは，従来のビッカース硬度計では圧痕中の深さ測定ができないため，得られなかった値である。荷重が減少し、圧痕の大きさが小さくなるにつれて ナノビア マイクロモジュールは、ビッカース硬度計と比較して再現性の面で優れており、目視での圧痕測定が不可能になるまでの間、その優位性を発揮します。
また、ビッカース硬度計の標準的な顕微鏡では観察が困難な粗い試料を扱う場合にも、深さを測定して硬さを計算する利点があります。
本研究では、世界をリードする新しいナノベアマイクロモジュール（200 Nレンジ）が、0.03～200 N（3 gf～20.4 kgf）の広い荷重範囲で、比類ない再現性と精度で圧痕およびスクラッチ測定を行うことを示しました。オプションの低レンジマイクロモジュールは、0.003～20N（0.3gf～2kgf）の試験を行うことができます。Zモーター、高荷重ロードセル、デプスセンサーを独自の垂直配置にすることで、測定中の構造的剛性を最大限に高めています。異なる荷重で測定された圧痕は、すべて試料表面で対称的な四角形の形状を有しています。最大荷重200Nのスクラッチテストでは、幅と深さが徐々に増加する直線的なスクラッチトラックが形成されます。
新しいマイクロモジュールは、PB1000（150 x 200 mm）またはCB500（100 x 50 mm）のメカニカルベース上にzモーターライズ（50 mmレンジ）で構成することが可能です。強力なカメラシステム（位置精度0.2ミクロン）と組み合わせることで、市場で最高の自動化およびマッピング機能を提供します。また、NANOVEAは、荷重の全範囲にわたって1回の圧痕を行うことにより、ビッカース圧子の検証および校正を可能にする独自の特許機能（EP番号30761530）を提供します。これに対し、標準的なビッカース硬度計では、1つの荷重での校正しか行えません。
さらに、NANOVEA ソフトウェアは、必要に応じて、従来の圧痕の対角線を測定する方法でビッカース硬度を測定することができます（ASTM E92 および E384用）。本書で示すように、ナノベアマイクロモジュールによる深さ対荷重硬さ試験（ASTM E2546およびISO 14577）は、従来の硬さ試験機と比較して正確で再現性の高いものとなっています。特に、顕微鏡で観察・測定できないようなサンプルについては、その威力を発揮します。
結論として、マイクロモジュールの高い精度と再現性、幅広い荷重と試験、高い自動化、マッピングオプションは、従来のビッカース硬度計を時代遅れなものにしています。しかし、現在も提供されているスクラッチ試験機やマイクロスクラッチ試験機も同様に、1980年代に設計された欠陥のある試験機です。
この技術の継続的な開発・改良により、ナノベアはマイクロメカニカルテストの世界的リーダーとなっています。
サンドペーパー粗さと粒子径の分析
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サンドペーパーは、研磨剤として使用される一般的な市販品である。最も一般的な用途は、サンドペーパーの研磨性を利用して塗膜を除去したり、表面を研磨したりすることである。この研磨特性は砥粒に分類され、砥粒の大きさによって滑らかさや
粗い表面仕上げができる。望ましい研磨特性を実現するために、サンドペーパーのメーカーは、研磨粒子が特定の大きさで、偏差が少ないことを保証しなければなりません。サンドペーパーの品質を定量化するために、NANOVEAの3D非接触 プロフィロメーター を使用して、サンプル領域の算術平均（Sa）高さパラメータと平均粒子径を求めることができる。
サンドペーパーを使用する場合、一貫した表面仕上げを得るためには、研磨粒子と研磨面の相互作用が均一である必要があります。これを定量化するために、ナノベアの3D非接触光学式プロファイラでサンドペーパー表面を観察し、粒子のサイズ、高さ、間隔の偏差を確認することができます。
測定目的
今回の研究では、5種類のサンドペーパー砥粒（120,
180、320、800、2000）を使ってスキャンしています。
NANOVEA ST400 3D非接触光学式プロファイラ。
スキャンからSaを抽出し、粒子
のMotifs分析を行い、サイズを算出します。
等価直径を求める
ナノビア
ST400
サンドペーパーは、予想通り、グリットが大きくなるにつれて、表面粗さ（Sa）と粒子径が小さくなる。Saは42.37μmから3.639μmの範囲であった。粒子径は127±48.7から21.27±8.35の範囲にあります。大きな粒子と高い高さの変化は、小さな粒子と低い高さの変化とは対照的に、表面に対してより強い研磨作用を生み出す。
高さに関するパラメータの定義は、P.A.1 に記載されています。
表1: サンドペーパー砥粒と高さパラメーターとの比較。
表2: サンドペーパー砥粒と粒子径の比較。
サンドペーパーの2D・3D表示
以下は、サンドペーパーサンプルのフォルスカラーと3Dビューです。
mmのガウシアンフィルターを使用し、形状やうねりを除去した。
モチーフの分析
マイクロやナノの形状を持つ表面を精密にスキャンできることから、様々なサンドペーパー砥粒の表面性状の検査にナノベアの3D非接触光学式プロファイラが使用されました。
3Dスキャンを解析するための高度なソフトウェアを用いて、各サンドペーパーサンプルの表面高さパラメータと等価粒子径を求めた。その結果、粒径が大きくなるにつれて、予想通り表面粗さ（Sa）と粒子径が小さくなることが確認された。
3Dプロフィロメトリーによる表面境界計測
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表面の特徴、パターン、形状などの界面が配向性を評価されるような研究では、測定プロファイル全体にわたって関心のある領域をすばやく特定することが有用です。表面を重要な領域に分割することで、ユーザーは境界、ピーク、ピット、面積、体積などを迅速に評価し、研究対象の表面プロファイル全体における機能的な役割を理解することができます。例えば、金属の粒界イメージングでは、多くの構造物の界面や全体的な方向性が解析の重要なポイントになります。それぞれの領域を理解することで、全体の中の欠陥や異常を特定することができます。粒界のイメージングは通常プロフィロメータの能力を超える領域で研究され、2D画像分析に過ぎませんが、3D表面測定の利点とともに、ここで紹介する概念をより大きなスケールで説明するための参考資料となります。
タッチプローブや干渉計などの他の技術とは異なり、 3D非接触形状計軸色収差を使用するため、ほぼすべての表面を測定でき、オープンステージングによりサンプルサイズは大きく変化する可能性があり、サンプルの前処理は必要ありません。ナノからマクロの範囲は、サンプルの反射率や吸収の影響を受けずに表面プロファイル測定中に得られ、高い表面角度を測定する高度な機能を備えており、結果をソフトウェアで操作する必要はありません。透明、不透明、鏡面、拡散、研磨、粗いなど、あらゆる材質を簡単に測定できます。非接触粗面計の技術は、表面境界分析が必要な場合に表面調査を最大限に高めるための理想的で広範で使いやすい機能を提供します。 2D と 3D 機能を組み合わせたメリットも得られます。
測定目的
このアプリケーションでは、発泡スチロールの表面積を測定するためにナノベアST400プロフィロメータが使用されています。境界は、NANOVEA ST400を使用して同時に取得される地形とともに、反射強度ファイルを組み合わせることによって確立されました。このデータをもとに、発泡スチロールの「粒」ごとに異なる形状や大きさの情報を算出しました。
ナノビア
ST400
トポグラフィー画像（左下）を反射強度画像（右下）でマスクし、結晶粒の境界を明確にした画像。直径565μm以下の粒はフィルターをかけることで無視されている。
粒の総数167
粒が占める投影面積の合計。166.917 mm² (64.5962 %)
バウンダリー占有予想総面積： (35.4038 %)
粒の密度0.646285粒/mm2
結果＆考察：3次元表面境界計測
得られた3次元トポグラフィーデータを用いて、各粒子の体積、高さ、ピーク、アスペクト比、一般的な形状情報を解析することができる。3次元占有総面積：2.525mm3
このアプリケーションでは、NANOVEA 3D非接触形状測定機が発泡スチロールの表面を精密に特性評価できることを示しました。統計的な情報は、表面全体、またはピークやピットなどの個々の粒子について得ることができます。この例では、ユーザーが定義したサイズより大きいすべての粒を使用して、面積、周囲長、直径、高さを表示しました。ここで示された特徴は、バイオメディカルからマイクロマシニングまで、様々な分野の自然表面や加工済み表面の研究および品質管理に重要な役割を果たすことができます。
トライボメータによるガラス被膜の耐湿性試験
詳細はこちら
セルフクリーニング機能付きガラスコーティングは、汚れ、垢、シミの蓄積を防ぎ、清掃しやすいガラス表面を作り出します。そのセルフクリーニング機能は、清掃頻度、時間、エネルギー、清掃コストを大幅に削減し、ガラスファサード、鏡、シャワーガラス、窓、フロントガラスなど、住宅や商業のさまざまな用途に魅力的な選択肢を提供します。
セルフクリーニングコーティングの主な用途は、超高層ビルのガラスファサードの外面である。ガラス表面は、強風によって運ばれてくる高速の粒子によってしばしば攻撃される。また、天候もガラスコーティングの耐用年数に大きな影響を与えます。ガラスが劣化した場合、表面処理を施し、新しいコーティングを施すことは非常に困難であり、コストもかかる。そのため、ガラスコーティングの耐摩耗性には、天候に左右されないことが重要です。
天候の変化が重要です。
異なる天候下でのセルフクリーニングコーティングの現実的な環境条件をシミュレートするためには、湿度を制御・監視した状態での再現性のある摩耗評価が必要です。これにより、ユーザーは異なる湿度にさらされたセルフクリーニングコーティングの耐摩耗性を適切に比較し、目標とするアプリケーションに最適な候補を選択することができます。
測定目的
この研究で、私たちは以下のことを示しました。 ナノビア 湿度コントローラを搭載したT100トライボメータは、異なる湿度環境におけるセルフクリーニングガラスコーティングの耐摩耗性を調査するための理想的なツールです。
ナノビア
T100
試験方法
ソーダライムガラスの顕微鏡スライドに、2種類の処理レシピでセルフクリーンガラスコーティングを施した。この2つのコーティングは、コーティング1およびコーティング2として識別されます。比較のため、コーティングされていない裸のスライドガラスもテストされています。
ナノビア トライボメータ 湿度制御モジュールを備えたシステムは、セルフクリーンガラスコーティングの摩擦係数、COF、耐摩耗性などのトライボロジー挙動を評価するために使用されました。 WC ボールチップ (直径 6 mm) を試験サンプルに当てました。 COF はその場で記録されました。トライボチャンバーに取り付けられた湿度コントローラーは、相対湿度 (RH) 値を ±1 % の範囲で正確に制御しました。摩耗試験後、摩耗痕の形態を光学顕微鏡で検査しました。
コーティングされたガラスとコーティングされていないガラスで、異なる湿度条件でのピンオンディスク摩耗試験を行いました
の試料を用いた。に示すように，摩耗試験中にCOFをその場で記録した。 図1 で、平均COFは以下のようにまとめられている。 図2. 図4 は、摩耗試験後の摩耗痕を比較します。
に示すように 図130% RHでは，非コーティングガラスのCOFが0.45と高く，300回転の摩耗試験終了時には0.6まで上昇する．これに対し
コーティングされたガラス試料 Coating 1 と Coating 2 は，試験開始時に 0.2 を下回る低い COF を示している。また、COF
のCOFは0.25で安定するが、Coating 1は0.25で急激に増加する。
~250回転でCOFは~0.5となる。60% RHで摩耗試験を実施すると
非コーティングのガラスは、摩耗試験中、依然として0.45程度の高いCOFを示した。コーティング 1 と 2 は、それぞれ 0.27 と 0.22 の COF 値を示しました。90% RHでは、非コーティングガラスは摩耗試験終了時に〜0.5という高いCOFを有しています。コーティング1と2は，摩耗試験開始時に同程度のCOF（〜0.1）を示している。コーティング1は比較的安定したCOF〜0.15を維持している。しかし、コーティング2は、約100回転で破損し、その後、摩耗試験終了時にCOFが約0.5まで大幅に増加しました。
セルフクリーンガラスコーティングの低摩擦は、表面エネルギーの低さに起因しています。非常に高い静電気を発生させる
の水接触角と低いロールオフ角を持つ。の顕微鏡で示すように、90% RHのコーティング表面に小さな水滴を形成することになる。 図3.また、RH値が30%から90%に上昇すると、Coating 2の平均COFは〜0.23から〜0.15に減少した。
図1: 相対湿度を変化させた場合のピンオンディスク試験時の摩擦係数。
図2: 相対湿度を変化させた場合のピンオンディスクテストにおける平均COF。
図3: コーティングされたガラス表面に小さな水滴が形成される。
図4 は，異なる湿度での摩耗試験後のガラス表面の摩耗痕を比較したものである。コーティング1は，30%と60%のRHで摩耗試験を行った後，軽度の摩耗の兆候を示している。90%のRHでは大きな摩耗痕が見られ，摩耗試験中のCOFの大幅な上昇と一致している。コーティング2は，乾湿両環境での摩耗試験でほとんど摩耗が見られず，また，異なる湿度での摩耗試験で一定の低いCOFを示した。優れたトライボロジー特性と低い表面エネルギーの組み合わせにより、Coating 2は過酷な環境下でのセルフクリーニングガラスコーティング用途に適していることが分かります。一方、コーティングされていないガラスは、異なる湿度環境下でより大きな摩耗痕とより高いCOFを示し、セルフクリーニングコーティング技術の必要性を示している。
図4: 相対湿度を変化させたピンオンディスク試験後の摩耗痕（200倍拡大）。
ナノビア T100トライボメータは、異なる湿度環境下でのセルフクリーニングガラスコーティングの評価と品質管理に最適なツールです。また、COF をその場で測定できるため、摩耗の様々な段階と COF の変化を関連付けることができ、ガラス被膜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深める上で非常に重要である。異なる湿度環境で試験したセルフクリーニングガラスコーティングの包括的なトライボロジー分析に基づき、コーティング2は乾燥および湿潤環境の両方で一定の低いCOFと優れた耐摩耗性を有することを示し、異なる天候にさらされるセルフクリーニングガラスコーティング用途に適した候補であることが分かった。
ナノビア トライボメータは、ISOやASTMに準拠した回転・直動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つのシステムに統合して提供します。オプションの3D非接触プロファイラを使用すれば、高精度な摩擦試験も可能です。
粗さなどの他の表面測定に加えて、摩耗痕の分解能の高い3Dイメージングを行います。
ナノインデンテーションによる高分子のクリープ変形解析
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粘弾性材料である高分子は、ある一定の荷重が加わると時間依存的に変形することが多く、これはクリープとも呼ばれる。クリープは、構造部品、接合部、継手、静水圧容器など、高分子部品が連続的に応力にさらされるように設計されている場合に、重要な要素となる。
粘弾性の固有の性質は、ポリマーの性能に重要な役割を果たし、サービスの信頼性に直接影響します。荷重や温度などの環境条件は、ポリマーのクリープ挙動に影響を与えます。クリープ故障は、特定の使用条件下で使用されるポリマー材料の時間依存性のクリープ挙動に対する注意力の欠如が原因で発生することがよくあります。結果として、ポリマーの粘弾性機械的挙動の信頼性が高く定量的な試験を開発することが重要です。 NANOVEAのNanoモジュール メカニカルテスター 高精度のピエゾで負荷を加え、その場で力と変位の変化を直接測定します。精度と再現性の組み合わせにより、クリープ測定に理想的なツールとなります。
測定目的
このアプリケーションでは、次のことを紹介しました。
メカニカルテスター「NANOVEA PB1000
において ナノインデンテーション モードは理想的なツールです
粘弾性力学的特性の研究用
硬度、ヤング率など
と高分子材料のクリープ
ナノビア
PB1000
8種類のポリマーサンプルについて、NANOVEA PB1000メカニカルテスターを用いて、ナノインデンテーション法による試験を行いました。荷重が0から40 mNまで直線的に増加するにつれて、荷重段階での深さが徐々に増加した。その後、最大荷重40mNで30秒間の圧痕深さの変化によりクリープを測定した。
圧子種類
バーコビッチ
ダイヤモンド
*ナノインデンテーション試験の設定
異なるポリマー試料のナノインデンテーション試験の荷重-変位プロットを図1に、クリープ曲線を図2に比較した。また、硬度およびヤング率を図3に、クリープ深さを図4にまとめて示す。図1の例として、ナノインデンテーション測定の荷重-変位曲線のAB、BC、CD部分は、それぞれ荷重、クリープ、除荷の過程を表しています。
デルリンとPVCはそれぞれ0.23 GPaと0.22 GPaという最高の硬度を示し、LDPEは試験したポリマーの中で最も低い0.026 GPaという硬度を有しています。一般に、硬いポリマーほどクリープ速度は小さくなります。最も柔らかいLDPEのクリープ深度は798 nmで、これに対してデルリンは約120 nmでした。
構造部品に使用される場合、ポリマーのクリープ特性は非常に重要です。高分子の硬度とクリープを精密に測定することで、高分子の時間依存の信頼性をより深く理解することができます。また、NANOVEA PB1000 メカニカルテスターを用いれば、異なる温度や湿度でのクリープ（与えられた荷重における変位の変化）を測定することができ、高分子の粘弾性力学的挙動を定量的かつ確実に測定する理想的なツールとなっています。
を現実的なアプリケーション環境でシミュレートしています。
図1: 荷重と変位のプロット
異なるポリマーの
図2: 最大荷重40mNで30秒間のクリープ。
図3: ポリマーの硬度、ヤング率。
図4: ポリマーのクリープ深度。
この研究では、NANOVEA PB1000が
硬度、ヤング率、クリープなど、さまざまなポリマーの機械的特性を測定します。このような機械的特性は、意図する用途に適したポリマー材料を選択するために不可欠です。Derlin と PVC はそれぞれ 0.23 GPa と 0.22 GPa という最高の硬度を示し、LDPE はテストしたポリマーの中で 0.026 GPa という最低の硬度を有しています。一般に、硬いポリマーほどクリープ速度は小さくなります。最も柔らかいLDPEのクリープ深度は798 nmで、Derlinの約120 nmと比較して高い値を示しています。
ナノベアメカニカルテスターは、ナノモジュールとマイクロモジュールを1つのプラットフォームで提供する、他に類を見ない多機能なテスターです。ナノとマイクロの両モジュールには、スクラッチテスター、硬度計、摩耗試験機のモードがあり、1つのシステムで最もワイルドでユーザーフレンドリーな試験環境を提供します。
ナノインデンテーションを用いた多相系材料の冶金学的研究
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冶金学は、金属元素やその金属間化合物、合金の物理的・化学的挙動を研究する学問である。金属は、鋳造、鍛造、圧延、押出、機械加工などの加工を受けると、相変化、微細構造、組織などの変化を経験する。これらの変化により、材料の硬度、強度、靭性、延性、耐摩耗性などの物理的性質が変化します。このような特定の相・組織・模様の形成機構を知るために、金属組織学が応用されることが多い。
先進的な材料は、産業上の実践における対象用途に望ましい機械的特性を達成するために、特殊な微細構造と組織に複数の相を備えていることがよくあります。 ナノインデンテーション 小さなスケールで材料の機械的挙動を測定するために広く適用されています i ii. しかし、非常に小さな領域で特定の場所を正確に選んで圧痕を形成することは困難であり、時間もかかります。材料の異なる相の機械的特性を高精度かつタイムリーに測定するために、信頼性が高く使いやすいナノインデンテーション試験の手順が求められているのです。
測定目的
このアプリケーションでは、最強のメカニカルテスターであるNANOVEA PB1000を使用して、多相の冶金サンプルの機械的特性を測定しています。
ここでは、アドバンストポジションコントローラを用いて、大きな試料表面の多相（粒）のナノインデンテーション測定を高精度に、かつ使いやすく行うことができるPB1000の能力を紹介する。
ナノビア
PB1000
本研究では、複数の相を持つ冶金用試料を使用した。この試料は、圧子試験の前に鏡面研磨されています。この試料では、以下のように、PHASE1、PHASE2、PHASE3、PHASE4の4つのフェーズが確認されています。
アドバンストステージコントローラーは、光学顕微鏡下での試料の移動速度をマウスの位置によって自動的に調整する、直感的なサンプルナビゲーションツールです。マウスが視野の中心から離れれば離れるほど、ステージはマウスの方向へ速く移動します。これにより、サンプル表面全体をナビゲートし、機械的試験を行う意図した場所を選択するためのユーザーフレンドリーな方法が提供されます。試験場所の座標は、荷重、ロード/アンロード速度、マップ内の試験回数など、個々の試験設定とともに保存され、番号が振られます。このような試験手順により、ユーザーは大きなサンプル表面の中から圧痕の対象となる特定の場所を調べ、異なる場所でのすべての圧痕試験を一度に行うことができるため、多相の冶金サンプルの機械的試験に理想的なツールとなります。
に内蔵された光学顕微鏡下で、試料の特定相の位置決めを行いました。 ナノビア 機械式テスター 図1.選択した位置の座標を保存し、以下の試験条件で一斉に自動ナノインデンテーション試験を行います。
試料の異なる位相での圧痕を以下に表示します。の試料ステージの優れた位置制御を実証しています。 ナノビア メカニカルテスター これにより、ユーザーは機械的特性試験の対象位置を正確に特定できるようになります。
圧痕の代表的な荷重-変位曲線を以下に示す。 図2また，Oliver and Pharr 法を用いて算出した硬度およびヤング率も測定しています。iii にまとめられ、比較されています。 図3.
があります。 フェーズ1、2、3 と 4 はそれぞれ、〜5.4, 19.6, 16.2, 7.2 GPaの平均硬度を有している。の比較的小さなサイズである。 PHASES 2 は、硬度とヤング率の値の標準偏差が高いことに起因しています。
図3: 異相の硬度とヤング率
この研究では、ナノベアメカニカルテスターがアドバンストステージコントローラを使用して、大きな冶金サンプルの多相のナノインデンテーション測定を行う様子を紹介しました。精密な位置制御により、ユーザーは大きな試料表面を簡単に移動し、ナノインデンテーション測定に関心のある領域を直接選択することができます。
すべての圧痕の位置座標は保存され、その後、連続して実行されます。このような試験方法により、小さなスケールでの局所的な機械的特性の測定、例えば本研究の多相金属サンプルの測定は、大幅に時間がかからず、より使いやすいものとなりました。硬いフェーズ2、3、4は、サンプルの機械的特性を向上させ、フェーズ1の平均硬度が約5.4 GPaであるのに対し、それぞれ約19.6、16.2、7.2 GPaとなっています。
ナノ、マイクロ、マクロの各モジュールには、ISO や ASTM に準拠した圧痕、スクラッチ、摩耗試験モードがあり、1 台のシステムで最も幅広く、使いやすい試験法を提供します。ナノベアは、硬度、ヤング率、破壊靭性、接着性、耐摩耗性など、薄い膜や厚い膜、柔らかい膜や硬い膜、基材など、あらゆる機械特性を測定するための理想的なソリューションです。
i Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Volume 19, Issue 1, Jan 2004, pp.3-20.
ii Schuh, C.A., Materials Today, Volume 9, Issue 5, May 2006, pp.32-40.
iii Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Volume 7, Issue 6, June 1992, pp.1564-1583.
ゴムの摩擦係数は、他の素材と同様、次のような関係にある。 は、その表面粗さの一部である。車載用タイヤでは、路面とのトラクションが非常に重要です。これには、表面の粗さとタイヤのトレッドの両方が関わっている。この研究では、ゴムの表面とトレッドの粗さと寸法を解析しています。
* サンプル
インポータンス
3次元非接触形状計測の
ゴム研究用
タッチプローブや干渉計などの他の技術とは異なり、NANOVEA の 3D非接触光学式プロファイラー 軸色収差を使用して、ほぼあらゆる表面を測定します。
プロファイラのオープンステージは、様々なサイズの試料に対応し、試料調製は不要です。ナノからマクロレンジの形状を、試料の反射や吸収の影響を受けずに、1回のスキャンで検出することができます。さらに、ソフトウェアで結果を操作することなく、高い表面角度を測定できる高度な機能を備えています。
透明、不透明、鏡面、拡散、研磨、粗面など、あらゆる材質を簡単に測定できます。NANOVEA 3D非接触プロファイラの測定技術は、2Dと3Dを組み合わせた利点とともに、表面研究を最大限に活用するための理想的で幅広い、ユーザーフレンドリーな機能を提供します。
測定目的
このアプリケーションでは、NANOVEA ST400を紹介しています。 3D非接触光学式プロファイラによる測定。 ゴムタイヤの表面と溝の部分です。
を表すのに十分な大きさの試料表面積を持つ。 タイヤ表面全体を無作為に選択 この研究のために
ゴムの特性を定量的に把握するために 3D解析ソフトウェア「NANOVEA Ultra」を使って 輪郭の寸法、深さを測定します。 表面の粗さと現像面積
ナノビア
ST400
踏面の3Dビューとフォールスカラービューは、3D表面設計のマッピングの価値を示しています。これは、さまざまな角度から踏面のサイズと形状を直接観察するためのわかりやすいツールをユーザーに提供します。高度な輪郭解析とステップハイト解析は、どちらもサンプルの形状やデザインの正確な寸法を測定するための非常に強力なツールです
アドバンストコンターアナリシス
ステップ高さ解析
ゴム表面は、例として以下の図に示すように、内蔵のソフトウェアツールを使って多くの方法で定量化することができます。表面粗さは2.688 μm、展開面積対投影面積は9.410 mm² 対 8.997 mm²であることが観察されます。この情報により、異なるゴム配合、あるいは表面摩耗の程度が異なるゴムでも、表面仕上げとトラクションの関係を調べることができます。
今回のアプリケーションでは、NANOVEAの 3D非接触光学式プロファイラで、ゴムの表面粗さとトレッド寸法を高精度に評価することができます。
データでは、表面粗さ2.69μm、現像面積9.41mm²、投影面積9mm²となっています。 ゴム製トレッドの様々な寸法と半径は も測定した。
この研究で示された情報は、トレッドの設計や配合、あるいは摩耗の程度が異なるゴムタイヤの性能を比較するために利用することができます。 ここに掲載されているデータは、ほんの一部です。 の計算は、Ultra 3D解析ソフトウェアで利用可能です。
JA 
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IT 
ZH 
PT 
TR 
KO 
PL 
AR 
