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カテゴリー湿度・ガス トライボロジー

 

トライボメータによるガラス被膜の耐湿性試験

トライボメータによるガラス被膜の耐湿性試験

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ガラスコート湿度

トライボメータによる摩耗試験

作成者

DUANJIE LI博士号取得

はじめに

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。

耐摩耗性の重要性 セルフクリーニングガラスコーティングの

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

小型空気圧式トライボメータ 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。

最大荷重 40 mN
結果・考察

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）。

まとめ

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。 

さて、次はアプリケーションについてです。

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DLC膜のトライボロジーにおける湿度効果

DLCの湿度下での摩耗評価の重要性

ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) コーティングは、強化された摩擦特性、つまり優れた耐摩耗性と非常に低い摩擦係数 (COF) を備えています。 DLC コーティングは、さまざまな材料上に蒸着されるとダイヤモンドの特性を与えます。有利な摩擦機械特性により、DLC コーティングは航空宇宙部品、かみそりの刃、金属切削工具、ベアリング、オートバイのエンジン、医療用インプラントなどのさまざまな産業用途に適しています。

DLC コーティングは、高真空および乾燥条件下で鋼球に対して非常に低い COF (0.1 未満) を示します。12.しかし、DLCコーティングは環境条件の変化、特に相対湿度（RH）に敏感である。3.湿度や酸素濃度が高い環境では、COFが大幅に増加する可能性があります。4。制御された湿度での信頼性の高い摩耗評価により、トライボロジー用途における DLC コーティングの現実的な環境条件がシミュレートされます。ユーザーは適切な比較を行い、対象用途に最適なDLCコーティングを選択します。
さまざまな湿度にさらされたDLCの摩耗挙動の変化。



測定目的

この研究では Nanovea を紹介します トライボメータ 湿度コントローラーを備えたこのツールは、さまざまな相対湿度における DLC コーティングの摩耗挙動を調査するのに最適なツールです。

 

 



試験方法

DLC コーティングの耐摩擦性と耐摩耗性は、Nanovea Tribometer によって評価されました。テストパラメータを表 1 にまとめます。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は、±1% の精度で相対湿度 (RH) を正確に制御しました。試験後、DLC コーティングの摩耗痕跡と SiN ボールの摩耗痕を光学顕微鏡を使用して検査しました。

注: 潤滑剤や高温などの環境条件下で、さまざまな材料のカップリングの性能をシミュレートするために、任意の固体ボール材料を適用できます。







結果および考察

DLCコーティングは、低摩擦で耐摩耗性に優れているため、トライボロジー用途に最適です。DLCコーティングの摩擦は、図2に示すような湿度依存性の挙動を示しています。比較的乾燥した条件下（10% RH）では、DLCコーティングは摩耗試験中、約0.05という非常に低いCOFを示しました。RHが30%まで上昇すると、DLCコーティングは、試験中、〜0.1の一定のCOFを示しました。COFの初期段階は、RHが50%以上に上昇した最初の2000回転で観察されます。DLCコーティングは、RHが50、70、90%のときにそれぞれ〜0.20、〜0.26、〜0.33という最大COFを示す。慣らし運転後、DLCコーティングのCOFは、RH50、70、90%でそれぞれ〜0.11、0.13、0.20と一定に保たれる。

 



図3はSiNボールの摩耗痕、図4は摩耗試験後のDLCコーティングの摩耗痕を比較したものである。湿度の低い環境にさらされたDLCコーティングの方が、摩耗痕の直径が小さくなっていることがわかる。接触面において繰り返し摺動することで，SiN ボール表面に転写 DLC 層が蓄積される。この段階で，DLC 被膜は自身の転写膜と摺動し，効率的な潤滑剤として相対運動を促進し，せん断変形によるさらなる質量減少を抑制していることがわかる。低RH環境（10%や30%など）では，SiNボールの摩耗痕に転写膜が観察され，ボールの摩耗過程が減速される．この摩耗過程は、図4に示すようにDLCコーティングの摩耗痕の形態に反映される。これは，接触界面に安定したDLC膜が形成され，摩擦と摩耗速度が大幅に低減されたためである。


 


結論




湿度は、DLC コーティングの摩擦学的性能に重要な役割を果たします。 DLC コーティングは、摺動相手 (この研究では SiN ボール) に転写された安定した黒鉛層の形成により、乾燥状態で大幅に強化された耐摩耗性と優れた低摩擦を備えています。 DLC コーティングは、それ自身の転写層に対して滑ります。この転写層は効率的な潤滑剤として機能し、相対運動を促進し、せん断変形によって引き起こされるさらなる質量損失を抑制します。相対湿度が上昇すると、SiN ボール上に膜が観察されなくなり、SiN ボールと DLC コーティングの摩耗率が増加します。

Nanovea トライボメーターは、ISO および ASTM 準拠の回転モードおよび直線モードを使用した反復可能な摩耗および摩擦試験を提供し、1 つの事前統合システムで利用可能なオプションの湿度モジュールを備えています。これにより、ユーザーはさまざまな湿度での作業環境をシミュレートでき、さまざまな作業条件下での材料のトライボロジー挙動を定量的に評価するための理想的なツールをユーザーに提供できます。



ナノベーストライボメータとラボサービスについての詳細はこちら

1 C. Donnet, Surf.Coat.Technol.100-101 (1998) 180.

2 三好和彦, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.

3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf.Coat.Technol.133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31


さて、次はアプリケーションについてです。

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