物理吸着により構築された新しいナノベアリング | プラスチックベアリング株式会社

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14539 (2015) この記事を引用

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この論文は、閉じ込められた流体の固体壁への物理的吸着によって形成される新しいナノベアリングを提案しています。軸受は、互いに摺動する 2 つの平行で滑らかな固体平面の間に形成されますが、従来の流体潤滑理論では潤滑効果がないと予測されていました。この軸受では、静止固体壁が 2 つのサブゾーンに分割され、それぞれ潤滑流体との相互作用の強さが異なります。これにより、これら 2 つのサブゾーンのそれぞれで、静止固体壁における潤滑流体の物理的吸着と滑り特性が異なります。潤滑膜の強い物理的吸着と非連続効果により、潤滑膜の厚さが薄くても軸受の大きな耐荷重能力が得られることが判明した。

マイクロ/ナノデバイスでは、結合した固体表面が互いに平行であり、互いに滑り合うことがよくあります1。これらの表面間の潤滑は、2 つの表面間の接着力の低減を含め、形成された接点の性能にとって非常に重要であるため、困難です。しかし、従来の流体潤滑理論では、質量流量のため、そこでは潤滑が生成されないとされていました。接触部に取り込まれる潤滑剤のクエット流量と接触部から取り込まれる潤滑剤流量が等しくなり、圧力勾配が消えるこの接触では流れの連続条件が常に満たされます2、3。

従来の流体潤滑理論が潤滑されたマイクロ/ナノ接触の性能を予測できない理由は、そのような理論が均一な接触表面特性のみを考慮しており、接触における潤滑膜の物理的吸着と滑りの要因を無視しているためです。表面を潤滑し、連続潤滑剤の仮定に基づいています4。結合した 2 つの固体表面間の分離がナノメートルスケールである場合、従来の流体潤滑理論は、この理論で採用されている上記の非現実的な仮定により確実に失敗します。実験と分子動力学シミュレーション (MDS) では、ナノメートルスケールの表面分離では、閉じ込められた流体が固体表面で激しく滑り、接触流体相互作用の強さがこの界面滑りに非常に大きな影響を与えることが示されています5、6、7、8。、9、10。また、このような分離では、閉じ込められた流体の固体表面への物理的吸着が、固体表面に対する閉じ込められた流体の順序として現れ、流体内の運動量の伝達に重要な影響を与える可能性があります11、12、13、14。、15、16。潤滑されたマイクロ/ナノ接触における境界膜界面の滑りは、境界膜と接触の界面せん断強度を超える境界膜界面せん断応力の結果です17。境界膜と接触界面のせん断強度が低くなると、境界膜界面の滑り速度が高くなります17。境界膜の相対滑り量 (後者では γs として定義) は、-1 から 1 までの範囲にあります。γs の大きさが大きいほど、界面滑りがより深刻であることを示し、γs の大きさが 1 に等しい場合は、最も深刻な界面滑りを示します。接触面上の境界膜の動きが停止するか、接触面上の境界膜の移動速度が最大に増加します。したがって、境界膜の界面滑りは、動作条件および界面滑りが発生する場所に応じて、接点を通る潤滑膜の質量流量を増減させる可能性があります。したがって、潤滑されたマイクロ/ナノ接点の性能にとって有害である場合もあれば、有益である場合もあります。閉じ込められた流体と壁との間の相互作用の強さに応じて、ナノチャネル内の固体壁に対する閉じ込められた流体の強い、中程度、または弱い吸着が不可避的に存在する可能性があります11、12、13、14、15。流体と壁の相互作用が強いと、壁への流体の物理的吸着が強くなりますが、流体界面の滑りは弱くなり、その逆も同様です11、12、13、14、15。

一方、分子動力学シミュレーションでは、ナノチャネル内に閉じ込められた流体が実際には、チャネルの高さ全体にわたって局所的な密度と粘度が変化する非連続特性を示すことが示されました11、12、13、14、15。クエット流とポアズイユ流の両方における非連続流体の流れの法則は、連続流体の流れの法則とは大きく異なります11、12、13、14、15。著者は、流体の非連続効果、つまり流体膜の厚さにわたる流体の不連続性と不均一性の効果が、従来の流体力学的潤滑理論の説明からのナノチャネルの流れの逸脱の原因であることを示しました18,19。

マイクロ/ナノ接触における潤滑は実際には物理的な吸着層境界潤滑である可能性があり、これは吸着層と接触表面の間の相互作用に大きく依存します。この領域では、潤滑は従来の流体力学的潤滑理論に従わず、物理的吸着、界面滑り、境界膜の非連続効果を考慮した新しい理論を開発する必要があるかもしれません20。また、対応する開発された潤滑理論によれば、均質な表面特性を持つ 2 つの平行な滑らかな表面の間で物理的吸着層境界潤滑を生成することは、境界膜の消失する非連続効果と物理的吸着効果のため困難である可能性があります。この場合、荷重がかかると物理吸着境界層が接点から押し出されやすくなり、実際には潤滑効果が非常に得られにくくなります。

連続流体潤滑理論は、特定の表面での接触流体界面の滑りを人為的に設計することによって、互いに滑り合う 2 つの平行な滑らかな固体表面の間に流体潤滑を生成できることを示しました 22。このような技術は、2 つの平行な滑らかな固体壁によって形成されるナノベアリングの設計など、2 つの平行な滑らかな固体表面間の境界潤滑効果の生成にも適用できる可能性があります21。しかしながら、界面滑り技術21を除いて、2つの平行な滑らかな固体壁の間に形成されるナノスライダーベアリングを開発するための他の技術は見られていない。

ナノ接触における境界潤滑は、これまで原子論的シミュレーション (分子動力学シミュレーションやモンテカルロシミュレーションを含む) によって研究されてきましたが、通常は非常に時間がかかり、コンピューターのストレージを消費し、多くの場合、非常に小さな接触領域にしか適用できませんでした 23,24,25。このようなアプローチでは、接触サイズがはるかに大きい現実的な接触には明らかに不十分です。 ab initio 計算は、接触幅や接触長さが大きいマイクロ接触子には適用できないことがわかっています。このような計算にかかる膨大な時間とコンピュータストレージの膨大な消費を克服するために、多くの計算手法が開発されましたが、現実的な接触に適用するにはまだ程遠いです26。

ナノチャネル内に閉じ込められた流体の流れをシミュレートするために、多くの連続体または準連続体モデルも提案されています。 Hansen ら 27 は、固体壁上の界面滑りと系内の分子間力の両方を考慮して、ナビエ・ストークス方程式を使用して、クエット流とポアズイユ流の両方の流路高さにわたる速度プロファイルを導出しました。彼らのモデルから計算されたポアズイユ流における滑り長さと膜速度プロファイルは両方とも MDS の結果と一致していましたが、彼らのモデルは連続流体の仮定に基づいており、チャネル高さ全体にわたる閉じ込められた流体の不連続性と不均一性を組み込んでいませんでした。 Bhatia et al.28 は、ナノ細孔内の分子輸送を理論的に研究するために、Knudsen モデル、粉塵ガスモデル、界面摩擦ベースのモデル、Maxwell-Stefan アプローチ、振動子モデル、および分布摩擦アプローチをレビューし、その特性と次の点を指摘しました。これらのモデルのそれぞれの欠点。それらのうちのいくつかは、閉じ込められた流体と壁の相互作用を省略しましたが、他のものは、流体と壁の相互作用を組み込んでいるにもかかわらず、閉じ込められた流体の不均一性を暗黙的に考慮しただけでした。 Giannakopoulos ら 29 は、一定温度でナノチャネル内を流れる単純な流体の拡散係数、せん断粘度、熱伝導率のサイズ効果を MDS によって研究しました。彼らは、いくつかの定式化方程式によって、これらの流体特性をバルク値にそれぞれ関連付けました。彼らは、閉じ込められた流体のせん断粘度はチャネル高さの減少に伴って増加するが、他の 2 つの流体特性はそうでないことを示しました。彼らの研究は、MDS の結果と閉じ込められた流体の物理的特性の経験式定式化との間の関係を明らかにしました。後者は工学的接触の効率的なモデリングにとって重要です。彼らはその後、ナノチャネル内を流れる流体の自己拡散の準連続体モデルを開発し、MDS で計算されたチャネル高さ全体にわたる流体の順序を捕捉しました。彼らのモデルは、ナノからマクロまでをカバーするマルチスケールの流れをシミュレートするための効率的なアプローチを見つける取り組みでした。

ナノチャネル内の閉じ込められた流体の分子スピン、回転粘性、角運動量に関する興味深い現象も MDS によって研究されました。 Moore et al.31 は、塩素流体または小さな線状分子で構成される流体が回転粘度を有することを示しました。 Hansen et al.32 は、非常に高い振動周波数を持つナノチャネル内の非定常流れでは、流体の回転粘性と分子スピン効果を考慮することにより、閉じ込められた流体内で角運動量が並進運動量と結合する必要があることを示しました。閉じ込められた流体は無視できませんでした。しかし、彼らは、定常流またはレイノルズ数が低い非定常流の場合、これら 2 つの運動量が互いに切り離され、閉じ込められた流体の分子スピン効果が無視できることを示しました。

物理吸着層境界潤滑を研究するために、フローファクターアプローチモデルが提案されています33。このモデルの性質は、クエット流とポアズイユ流の両方における閉じ込められた流体の計算された流速における MDS の結果とよく一致することが最近明らかになりました 18,19。次に、ナノチャネル内の閉じ込められた流体の流れ方程式がこのモデルから導出されました 34。このモデルは閉じ込められた流体の分子スピン効果を無視しており、低いレイノルズ数に適しています。これは実際には、チャネルの高さ全体にわたる流体の不連続性と不均一性を考慮することにより、閉じ込められた流体の動的効果と非連続効果の両方を組み込んだ等価な連続体モデルです。このモデルの利点は、MDS で計算された閉じ込められた流体の流れの特性を捉えるだけでなく、大きな接触サイズの現実的な接触にも効率的に適用できることです。このモデルに基づいて、ナノステップベアリングの解析結果が得られました 21,34。

フローファクターアプローチモデルと分子動力学シミュレーションの結果は、クエット流のナノチャネル内の閉じ込められた流体のチャネル高さ全体の平均速度が従来の流体力学的潤滑理論から計算されたものと実際に等しいことを示しましたが、その大きさはポアズイユ流におけるこの閉じ込められた流体の流速は、非連続効果、つまりチャネル高さ全体にわたる閉じ込められた流体の不連続性および不均一性の影響により低下します18、19。これらの結果は、ナノベアリングにおける耐荷重能力の生成メカニズムについて重要な指標を与える可能性があります。つまり、2 つの平行な滑らかな固体壁であっても、入口ゾーンの流体と固体壁の間の相互作用が出口ゾーンの相互作用よりも強い場合、ナノスライダーにはかなりの圧力が発生し、耐荷重能力が発生します。軸受へのクエット流の質量流量は軸受からの流量よりも大きいため、流体の壁への吸着が強くなり、入口ゾーンの流体膜厚さ全体の平均流体密度が軸受よりも高くなるためです。アウトレットゾーンにあります。ナノベアリング内の流体の非連続効果により、ベアリングの入口ゾーンと出口ゾーンの両方でポアズイユ流の質量流量が減少し、ベアリングへの総質量流量は増加しますが、ベアリングから出る質量流量の大きさ。流れの連続性を維持するには、流体の非連続効果により、ベアリングの入口ゾーンと出口ゾーンでそれぞれ高い圧力を発生させ、これら 2 つのサブゾーンに対応するポアズイユ流を生成する必要があります。したがって、流体の非連続効果により、ナノベアリングの耐荷重能力が大幅に向上します。一方、ナノベアリングの壁面での閉じ込められた流体の滑りも、ベアリングの搬送荷重に大きな影響を与えると考えられます。

ナノベアリングにおける耐荷重生成の基礎的なメカニズムに従って、本論文は、物理的吸着に依存する2つの平行な滑らかな固体平面の間に形成された新しいナノスライダーベアリングの性能を研究することを試みます。フローファクターアプローチモデル。参考文献に示されている均一な表面特性を持つ以前に研究されたベアリングとは異なります。図３４に示すように、本軸受は、軸受の耐荷重能力を生成するために静止固体壁上で不均一な表面特性をとる。すなわち、本軸受では、軸受入口ゾーンにおける潤滑膜と静止固体壁との間の相互作用が、潤滑膜と静止固体壁との間の相互作用よりも強い。ベアリングアウトレットゾーン。この目的は、静止固体壁の異なる材料を採用するか、またはベアリングの入口ゾーンと出口ゾーンのそれぞれで静止固体壁上の異なるコーティングを覆うことによって実現することができる。現在のベアリングは、参考文献で研究されたベアリングとも異なります。 21は、軸受入口領域における静止固体壁と潤滑膜の間の相互作用が軸受出口領域よりもはるかに弱いという条件で、軸受性能を向上させるために軸受入口領域に人為的に導入された界面滑りに依存しました。ゾーン。このように、本軸受における固体静止壁の表面特性や潤滑膜の物理吸着特性は、参考文献の検討軸受とは大きく異なっている。 21.

本論文では、流量係数アプローチモデルに基づいて、研究対象の軸受の耐荷重能力の解析を提示します。軸受の形成条件が得られた。計算結果は、潤滑膜の強い物理的吸着と非連続効果により、潤滑膜の厚さが薄い場合でも、研究対象の軸受に大きな圧力が発生し、顕著な耐荷重能力が発生する可能性があることを示しました。軸受の最大耐荷重能力の最適条件も得られた。

図 1 は、互いに滑り合う 2 つの平行で滑らかな固体平面壁によって形成された研究対象のナノベアリングを示しています。移動する固体壁全体は同一の材料でできており、流体の吸着力は強い、中程度、または弱い場合があります。閉じ込められた流体は、この壁面への吸着力に応じて、この壁面で滑ったり滑らなかったりする。静止固体壁は 2 つのサブゾーン、つまり「a1」サブゾーンと「a2」サブゾーンに分割され、それぞれ異なる材料で作られているか、異なるコーティングで覆われています。「a1」サブゾーンの壁面への流体の吸着は、「a2」サブゾーンの壁面への流体の吸着よりも著しく強い。閉じ込められた流体は、これらの壁面への吸着に応じて、これら 2 つのサブゾーンの壁面で滑ったり滑らなかったりする場合があります。

提案されたナノベアリングは、閉じ込められた流体の固体壁への物理的吸着に依存します。

説明: 「a1」サブゾーンの材質または表面材質は「a2」サブゾーンの材質または表面材質と異なり、「a1」サブゾーンの流体と壁の間の相互作用は、「a1」サブゾーンの流体と壁の間の相互作用よりも著しく強いです。「a2」サブゾーン。

研究対象のベアリングの潤滑領域全体は、「I」サブゾーンと「II」サブゾーンに分割され、それぞれベアリングの入口ゾーンと出口ゾーンを示します。デカルト座標系を図 1 に示します。解析では、閉じ込められた流体内の圧力は膜の厚さ全体にわたって一定であると仮定しました。分子動力学シミュレーション結果によれば、これは許容可能です35。従来の流体潤滑理論 3 で行われているように、膜厚にわたって一定の圧力がかかるという仮定が、マイクロメートルスケールでの膜厚にも適用されました。したがって、本モデルはナノメートルスケールの膜厚に限定されず、実際にはマイクロメートルスケールの膜厚、すなわち式（１）および（２）で示される連続潤滑膜の場合まで拡張することができる。後者は(1)と(2)です。

「y」座標方向では、閉じ込められた流体は流れないと仮定されます。つまり、軸受での横漏れはないと仮定されます。このような仮定は、従来の流体軸受の解析でもよく採用されていました3。接点の「y」座標方向のサイズが「x」座標方向のサイズよりもはるかに大きく、接点への流体の総流れに比べて流体側の流れが無視できる場合は許容されます。この場合、この仮定によりベアリングの耐荷重能力を適切に予測できます。「x」座標方向の接触サイズと同等の「y」座標方向の接触サイズについては、横漏れの影響を考慮する必要がある場合があり、補正係数を導入して、軸受の保持荷重を変更することができます。従来の動圧軸受の解析で行われていたような、横漏れの影響を考慮したスライド漏れの仮定はありません3。現在の研究は基礎的なものであり、横漏れ効果を考慮した軸受の搬送荷重の補正係数は、その後の研究で検討することができます。

今回の解析では、軸受内の摩擦加熱も無視しました。スライド速度が遅い場合には許容できる場合があります。ただし、滑り速度が高い場合、この仮定は許容できない場合があり、ベアリングの熱解析が必要になる場合があります。この研究は、研究された軸受の基本的な結果を与えることができ、従来の流体軸受解析で行われてきたように、摩擦加熱効果に関して補正係数を導入して、現在得られた結果を修正することもできます。

本軸受の結合壁面は理想的に滑らかで剛性のあるものとして処理されました。これらの治療法により問題を簡素化できます。潤滑膜圧力が低く、壁面の突出量が潤滑膜厚さよりもはるかに小さい場合には、これらの処理は許容されます。ただし、膜圧力が高く、壁面弾性変形が膜厚に相当する場合には、壁面弾性変形が軸受性能に及ぼす影響を考慮する必要がある。一方、壁面の突出量が膜厚に匹敵する場合には、壁面の粗さの影響も考慮する必要があります。これらは将来の研究において興味深いトピックとして取り上げられる可能性があります。さらに、本論文はベアリングの耐荷重能力に対する物理的吸着効果を扱うため、ここでは結合壁間のくさび効果は無視されます。つまり、ベアリングの 2 つの壁は互いに平行です。それにもかかわらず、従来の流体潤滑理論 3 から知られているように、壁間のくさび効果も軸受の支持荷重にとって重要です。この点に関する研究は間もなく実施される予定です。

最後に、本論文は物理吸着によって寄与されるナノベアリングの耐荷重能力の研究に力を入れているため、ベアリングの搬送荷重に対する壁相互作用による表面圧力の影響は無視されます。ここで計算される軸受の荷重は、潤滑膜によって寄与されます。それにもかかわらず、潤滑膜の厚さが 1 nm より少し厚い場合、面圧効果は通常弱く無視できるため、現在の計算は通常、軸受の耐荷重能力の主要部分であり十分です 36,37。表面圧力の影響は、通常、潤滑膜の寄与よりもはるかに小さいです。

上記の仮定に基づいて、ナノチャネル内の閉じ込められた流体の流れに対する流量因子アプローチモデル 34 によれば、「I」サブゾーン内の閉じ込められた流体の接触による単位接触長さあたりの質量流量は次のようになります。

ここで、h と p はそれぞれ閉じ込められた流体の膜厚と圧力、x は図 1 に示す閉じ込められた流体の流れ方向の座標、は「I」における膜厚方向の閉じ込められた流体の平均密度です。「膜厚に依存する「I」サブゾーンは、膜厚に依存する「I」サブゾーン内の閉じ込められた流体の有効粘度であり、非連続効果、つまり閉じ込められた流体の不連続性と不均一性の影響を表すパラメータです。膜の厚さに依存する「I」サブゾーンの流体の流れと。ここで、およびはそれぞれ、「I」サブゾーン内の静止および移動固体壁面上の閉じ込められた流体の速度です。とがそれぞれ対応する接触面の移動速度に等しい場合、界面滑りは発生しません。そうしないと、界面滑りが発生します。式の右辺の第 1 項は次のようになります。 (1) はクエット流であり、MDS の結果 18,19 に従って正確であり、この側の第 2 項はポアズイユ流です。式として (1) が示すように、閉じ込められた流体の非連続効果はポアズイユ流の項に反映されています。圧力勾配が消滅すると、ポアズイユ流が消滅し、閉じ込められた流体の非連続効果も消滅します。一方、臨界膜厚を超える膜厚の場合、式(1)のの値は次のようになります。 (1) は −1 なので、式 (1) が成り立ちます。 (1) は、連続流体潤滑に関するレイノルズ方程式に変換されます。それ以外の場合、膜厚が薄い場合、の大きさは小さくなり (1 未満)、閉じ込められた流体の非連続効果が強くなります。閉じ込められた流体の非連続効果が強いほど、ポアズイユ流の大きさの減少が大きくなります。 S の大きさは、実際には、非連続流体のポアズイユ流量と同等の連続流体のポアズイユ流量の比です。このことは、閉じ込められた流体の非連続効果（つまり、膜厚にわたる不連続性および不均一性の影響）によって閉じ込められた流体のポアズイユ流の流速の大きさが減少することを示した MDS の結果 15、18、19 によって実証されました。。流体と壁の相互作用に依存する閉じ込められた流体の物理的特性、、、および同伴速度を考慮することにより、方程式 (1) は閉じ込められた流体の界面滑り、物理的吸着、および非連続効果を考慮します。膜厚 h が臨界膜厚を下回る場合、2 つの固体壁間の潤滑膜は膜厚全体にわたって非連続になり、従来の (連続) 流体潤滑理論は機能しなくなり、次のような対応する非連続潤滑理論が成り立ちます。方程式 (1)を適用する必要があります。パラフィン系オイルや合成オイルなどの一般的なオイルの場合、通常は 10 nm20 のスケールです。一方、液体アルゴンや水などの単純な液体の場合、スケールは 1 nm にすぎません 11,15。

従来の（連続）流体潤滑理論は、壁相互作用による表面圧力を組み込むことにより、分子薄膜潤滑接触子の性能を研究するために使用されてきました38。このようなアプローチは、閉じ込められた非連続流体のレオロジーをモデル化する際に重大な欠点を抱えており、通常、潤滑された接触部の耐荷重能力は、式 1 で示されるような非連続潤滑理論によって与えられる耐荷重能力よりもはるかに低くなります。 (1) 潤滑膜の物理的吸着と非連続効果を無視したため。ただし、潤滑膜が非常に厚く、その厚さが臨界膜厚を大幅に下回らない場合、閉じ込められた膜の物理的吸着と非連続効果は弱く無視できる可能性があり、この場合、そのようなアプローチでは、潤滑された接点の負荷は、非連続潤滑理論によって与えられる負荷に近い 21、34。

同様の式を「II」サブゾーンにも実装でき、次のようになります。

ここで、各パラメータの意味はそれぞれ式（１）と同じである。 (1) ただし、下付き文字「II」は「II」サブゾーンを示します。

フローの連続性が必要なため、; 式の、、および S(h) の場合、 (1) と (2) は既知であり、与えられた h に対して、「I」サブゾーンと「II」サブゾーンの圧力分布は、流れの連続条件と圧力境界条件を使用して、これら 2 つの方程式からそれぞれ解くことができます。同時に、質量流量も計算されます。

「a1」サブゾーンの壁面への閉じ込められた流体の吸着は、「a2」サブゾーンの壁面への吸着よりも強いため、、、 34 になります。この条件では、閉じ込められた流体の非連続効果が、「I」サブゾーンは「II」サブゾーンよりも強力です。

の場合、私たちはを持っています。等式として。 (1) と (2) は、この条件では、「I」サブゾーンのクエット流の流体質量流量が「II」サブゾーンの流体質量流量よりも大きいことを示しています。したがって、この場合、接点内で圧力が発生しなければ、接点内の流れの連続性は維持されません。このような状態では、流れの連続性を維持するために、接触内の圧力を生成して、対応するポアズイユ流れを生成し、全体の流れのバランスをとらなければなりません。明らかに、この状態では、ベアリングは一定の耐荷重能力を持って形成されます。

流れの連続性には、特定の動作条件では = 一定が必要です。したがって、式によれば、 (1) が定数であれば、与えられた h に対して定数です。同様に、が定数であれば、は与えられた h に対して定数です。図 1 に示すように、圧力境界条件は次のとおりです。定数とをとして、閉じ込められた流体内の圧力分布を図 2 に示します。この条件では、「I」サブゾーンと「II」サブゾーンの圧力がそれぞれ線形に分布し、最大圧力が発生することが示されています。これら 2 つのサブゾーン間の境界にあります。

本軸受の圧力分布の説明図。

ベアリング内の最大圧力です。説明: ベアリング内の「I」および「II」サブゾーンの圧力はそれぞれ線形に分布し、最大圧力はこれら 2 つのサブゾーン間の境界で発生します。

とさせてください。ここで、u は移動する固体壁の速度、とはそれぞれ「I」および「II」サブゾーンにおける閉じ込められた流体の相対滑り量であり、これら 2 つのサブゾーンにおける流体と壁の界面せん断強度に依存します。動作状態２１．ここで、与えられた動作条件に対して、およびはそれぞれ一定であり、その値はおそらく事前に与えられます。そして、無次元であり、界面滑りの程度を測定するために使用されていた従来定義された（次元の）滑り長とはまったく異なります39。ここで、、、またはの大きさが大きいほど、「I」または「II」サブゾーンでの界面滑りがより深刻であることを示し、1 以上の大きさは、「I」または「II」サブゾーンで最も深刻な界面滑りを示します。。との符号は両方とも、界面の滑りが「I」および「II」サブゾーンのクエット流を増加させるかどうかに応じて、正または負になります。の場合、「I」サブゾーンの界面滑りにより、閉じ込められた流体のクエット流が界面滑りがない場合よりも大きくなります。これにより、接触部に取り込まれる質量流量が増加し、その結果、ベアリングの膜圧力と耐荷重能力が高まります。したがって、ベアリングの耐荷重能力にとっては有益ですが、有害でもあります。の影響は逆です。ベアリングの耐荷重能力には有益ですが、有害です。

所定の動作条件で界面滑りが発生すると、2 つの平行な固体平面によって形成される接触はそれぞれ一定であることが判明しています 21、40。これにより、特定の動作条件において一定の接触が得られます。また、滑り速度 u が十分に速い場合は、それぞれ u40 に依存しない定数とみなすことができます。

定数とについて、図 2 に示すとの圧力分布によれば、次のことが得られます。

それは式から解かれます。 (3) 次のこと:

ベアリングが負担する単位接触長さあたりの荷重は次のとおりです。

次の無次元パラメータを定義します。

ここで、とはそれぞれ、流体が連続体である場合の周囲条件での流体の密度と粘度です。、および、およびはそれぞれ、「I」および「II」サブゾーン内の閉じ込められた流体が膜厚全体にわたって連続体になるための、これらのサブゾーン内の閉じ込められた流体の臨界膜厚です。

無次元の最大圧力は次のとおりです。

ベアリングが負担する無次元荷重は次のとおりです。

式によると、 (6) より、本ベアリングの耐荷重のメカニズムは次のように表すことができます。

界面滑りが発生しない場合、すなわち、は項によって決まります。この場合、軸受の耐荷重能力は、「I」サブゾーンと「II」サブゾーンのそれぞれの静止壁面に対する閉じ込められた流体の異なる物理吸着によって生成されます。

の場合、は正であるべき項によって決まります。この場合、軸受の耐荷重能力は、「I」サブゾーンと「II」サブゾーンのそれぞれで異なる界面滑りによって生成されます。例えば、このような耐荷重能力は、「a1」サブゾーンの壁面の流体壁界面せん断強度を低く、「a1」サブゾーンの壁面の流体壁界面せん断強度を比較的高く設計することによって達成できます。「ａ２」サブゾーンでは、「Ｉ」サブゾーンの「ａ１」壁面と「II」サブゾーンの移動壁面でそれぞれ流体滑りが生じる。この場合、 > 21 です。一方、「I」サブゾーンの界面滑りについては、軸受の耐荷重能力の生成に役立ち、それ以外の場合はであることがわかります。一方、「II」サブゾーンの界面滑りの場合は、ベアリングの耐荷重能力の生成に役立ち、それ以外の場合はです。

実際、ベアリングの荷重支持機構は、閉じ込められた流体の物理的吸着、非連続性、および界面滑りの複合効果である可能性があります。ベアリングの形成条件は次のとおりです。 = の場合、軸受の形成条件が常に満たされ、軸受の耐荷重が発生します。

なぜなら、、、、、、および 21、

(5) ベアリングの最適な形状:

ベアリングの最大耐荷重能力の ψ の最適値は次のとおりです。

この最適な条件では、ベアリングが負担する無次元荷重は次のようになります。

どこ。

式から式 (10) から、との大きさが小さいほど、との大きさが大きいほど、ベアリングの耐荷重能力が高くなります。たとえば、所定の膜厚 h の場合、閉じ込められた流体と「a1」および「a2」の壁の間の相互作用強度の両方を増加させると、との大きさは小さくなりますが、との大きさは大きくなります 11,18。したがって、負荷が増加する可能性があります。ベアリングの支持力。

パラメータとは、次の一般形式 41 で表されます。

ここで、、、、はそれぞれ定数です。

パラメータとは、次の一般形式 41 で表されます。

ここで、、、はそれぞれ定数です。

パラメータとは、次の一般形式 41 で表されます。

ここで、、、およびはそれぞれ定数です。

例示的な計算が行われた。これらの計算では、「a2」サブゾーンの閉じ込められた流体と壁の間の相互作用は比較的弱く、「a1」サブゾーンの閉じ込められた流体と壁の間の相互作用はそれぞれ中レベルと比較的強いと見なされます。計算では、「a1」サブゾーン内の閉じ込められた流体と壁の間の中レベルの相互作用は nm、nm 、「a1」サブゾーン内の閉じ込められた流体と壁の間の比較的強い相互作用は nm です。との値は実験的観察に従って選択されました16、20。計算におけるその他のパラメータの値をそれぞれ表 1、表 2、および表 3 に示します。表 1、表 2、および表 3 の入力パラメータ値に基づいて、異なる膜厚に対する、、、、およびの値の比較を示しました。参照で。 41. これらの無次元流体レオロジーパラメータ値は、実験測定および分子動力学シミュレーション結果とよく一致しています11、12、13、14、15、16。

図 3 は、「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用がそれぞれ比較的強い場合と中レベルの場合の、さまざまな膜厚に対するの値を示しています。の値は界面の滑りには依存しませんが、閉じ込められた流体と「a1」および「a2」サブゾーンの壁との間の相互作用に大きく依存します。所定のナノメートルスケールの膜厚 h の場合、「a1」サブゾーンの壁への閉じ込められた流体の吸着が増加すると、の値が大幅に増加します。一方、膜厚が増加すると、の値は大幅に減少します。

「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用がそれぞれ比較的強い場合と中レベルの場合の、膜厚に対するの値 h のプロット。

はベアリングの最大耐荷重能力の最適値です。説明: の値は界面の滑りには依存しませんが、閉じ込められた流体と「a1」および「a2」サブゾーンの壁との間の相互作用に大きく依存します。

図 4(a) は、「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用が異なる正の値について、軸受 (最適状態) によって支えられる無次元最大荷重の値を膜厚 h に対してプロットしたものです。中レベルです。この図に注目してください。これは、図 4(a) の界面滑りが軸受の耐荷重能力の生成に役立つことを意味します (式 (6) による)。この結果は図 4(a) に明確に示されています。図 4(a) の界面滑りは、流体滑りが静止壁面全体に存在し、可動壁面全体には存在しない場合に達成できます (閉じ込められた流体間の強い相互作用と、その結果としての高い界面せん断強度のため)そして動く壁）。図 4(a) の界面滑りによる軸受の耐荷重能力の増加のメカニズムは、所定の膜厚に対して、クエット内の流体質量流量が「I」サブゾーン ( 「I」サブゾーンの閉じ込められた流体の密度は「II」サブゾーンの密度よりも高いため、この質量流量の差は次のようになります。界面の滑りによって増加するため、ベアリング内の流れの連続性を維持するには、「I」サブゾーンと「II」サブゾーンでそれぞれより高い圧力を発生させ、対応するポアズイユ流を生成して、界面滑りが発生したときにベアリングを通る総質量流量のバランスをとる必要があります。滑りが増加するため、界面滑りによりベアリングの耐荷重能力が増加します。

「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用が中レベルである場合の、さまざまな値および膜厚 h に対するベアリング (最適状態) によって支えられる無次元最大荷重の値のプロット。

およびはそれぞれ、「I」および「II」サブゾーン内の閉じ込められた流体の相対スリップ量です。説明: およびの所定の値について、膜厚の減少により、特に膜厚が非常に薄い場合にの値が大幅に増加することが示されています。

図 4(a) は、との所定の値において、膜厚の減少により、特に膜厚が非常に薄い場合にの値が大幅に増加することを示しています。これは、膜厚の減少に伴う閉じ込められた流体の非連続効果と物理的吸着効果が増加するためです。膜厚が非常に薄い場合、閉じ込められた流体の強力な非連続効果と物理的吸着効果により、ベアリングの耐荷重能力が大幅に向上します 21,34。

図 4(b) は、「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用が中レベルである場合の、さまざまな負の値および膜厚 h に対するベアリングによって支えられる無次元最大荷重の値をプロットしています。図4(b)の界面滑りは、軸受の耐荷重能力の生成に有害であることが示されています。これは、流体と可動壁の間の相互作用が弱く、界面せん断強度が低いため、可動壁面全体で流体の滑りが発生する場合に発生する可能性があります。図 4(b) の軸受の耐荷重能力に対する界面滑りの影響のメカニズムは、図 4(a) の場合と同様です。図 4(b) では、所定の膜厚ととの負の値について、軸受入口ゾーンと出口ゾーンの両方で界面滑りが増加すると、クエット流の流体質量流量間の (正の) 差が大きくなります。「I」サブゾーンと「II」サブゾーンの速度は両方とも低下するため低下します。ベアリング内の流れの連続性を維持するには、「I」と「II」でそれぞれより低い圧力を発生させる必要があります。サブゾーンが対応するポアズイユ流を生成してベアリングを通る総質量流量のバランスをとるため、界面滑りの増加とともにベアリングの耐荷重能力が低下します。繰り返しますが、との所定の値では、特に膜厚が非常に薄い場合、膜厚の減少によっての値が大幅に増加します。

図 5(a) は、「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用が比較的強い場合の、膜厚 h に対するベアリングによって支えられる無次元最大荷重の値と、さまざまな正の値をプロットしています。図 5(a) の界面滑りは軸受の耐荷重能力の生成に悪影響を及ぼします。これは、流体と壁の相互作用が弱く、そこでの流体と壁の界面せん断強度が低いために、流体滑りが「II」サブゾーンの静止壁面にのみ存在する場合に存在する可能性があります。図 5(a) では、所定の膜厚の場合、界面滑りの増加により同伴速度が向上し、ベアリング内の流れの連続性を維持するために「II」サブゾーンのクエット流の流体質量流量が増加します。「I」および「II」サブゾーンでそれぞれ圧力を発生させ、界面滑りが増加したときにベアリングを通過する総質量流量のバランスをとるために、これら 2 つのサブゾーンでのポアズイユ流の大きさを減らす必要があります。界面の滑りが増加すると、ベアリングの支持力が低下します。

「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用が比較的強い場合の、さまざまな値および膜厚 h に対するベアリング (最適状態) によって支えられる無次元最大荷重の値のプロット。

(a) 。およびはそれぞれ、「I」および「II」サブゾーン内の閉じ込められた流体の相対スリップ量です。説明: およびの所定の値について、膜厚の減少により、特に膜厚が非常に薄い場合にの値が大幅に増加することが示されています。図 4(a) と 5(a) の比較、および図 4(b) と 5(b) の比較は、所定の膜厚 h および所定の値との場合、相互作用の強さが増加することを示しています。「a1」サブゾーン内の閉じ込められた流体と壁により、特に膜厚が薄い場合にの値が大幅に増加します。

図 5(b) は、「a1」サブゾーンにおける閉じ込められた流体と壁の間の相互作用が比較的強い場合の、さまざまな負の値と、膜厚 h に対するベアリングによって支えられる無次元最大荷重の値をプロットしています。図 4(b) と同様に、この図の界面滑りは軸受の耐荷重能力の生成に有害です。

図 4(a) と 5(a) の比較、および図 4(b) と 5(b) の比較は、所定の膜厚 h および所定の値との場合、相互作用の強さが増加することを示しています。「a1」サブゾーン内の閉じ込められた流体と壁により、特に膜厚が薄い場合にの値が大幅に増加します。これは、「I」サブゾーン内の閉じ込められた流体の非連続効果と物理的吸着効果が増加するためであり、潤滑膜の厚さが薄い場合には非常に強力です。

参考文献 21 と 34 は、本研究で使用したものに非常に近い閉じ込め流体の物理吸着データを使用して、それぞれ界面滑りを人為的に導入した場合と存在しない場合の最適条件におけるナノステップ軸受の搬送荷重を示しました。その軸受と現在の軸受の搬送荷重を比較すると、同じ運転条件では、現在の軸受（最適状態）の最大搬送荷重は、ナノステップ軸受の最大搬送荷重と同等ではありますが、後者よりは少し低いです。本発明の軸受の利点は明白である。すなわち、同等の耐荷重能力を持ちながらも、形状と構造が単純であり、その結果として製造コストが低くなるという点である。

本軸受の性能を評価するために、例示的な軸受の結果をここに示す。このベアリングの全幅は20μmです。使用される潤滑剤は短鎖分子を備えた一般的なオイルであり、周囲条件での粘度はです。 IIサブゾーンの静止壁面はPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）などの疎水性コーティングで覆われており、潤滑剤との相互作用が比較的弱いため、静止壁面は潤滑剤との相互作用が比較的弱い。「II」サブゾーンにおける閉じ込められた潤滑剤の物理吸着データは、表 1、2、3 および nm に示すものと仮定されます。「I」サブゾーンの静止壁面は、TiO2 材料などの親水性コーティングで覆われているため、この壁面と潤滑剤との間の相互作用は中程度です。「I」サブゾーン内の閉じ込められた潤滑剤の物理吸着データは、媒体相互作用と nm について表 1、2、3 に示すように仮定されます。この場合、nm の場合、軸受の最大耐荷重の ψ の最適値 () は 1.53 です。この条件を実現するために、ここではμmとμmです。 mm/s および = = 0.25、nm の場合、この最適条件で軸受が担う単位接触長さあたりの寸法荷重 (w) は 21.12 N/m です。

この論文は、特定の接触面に対する潤滑膜のさまざまな物理吸着に基づいた新しいナノベアリングを提案しています。ベアリングは、互いに滑り合う 2 つの平行で滑らかな固体平面壁によって形成されます。従来の流体潤滑理論では、このような軸受の形成は否定されていました。

流量係数アプローチモデルに基づいて、この軸受の耐荷重能力の解析が導かれました。この軸受の形成条件は次のように導出されます。最大耐荷重能力に最適な形状と、それに対応するベアリングの耐荷重も導出されました。このベアリングの耐荷重のメカニズムは、実際には、閉じ込められた流体の物理的吸着、非連続性、および界面滑りの複合効果である可能性があることが判明しました。これら 3 つの効果はいずれも、動作条件が適切であれば、ベアリングの大きな耐荷重能力を生み出すことができます。潤滑膜の厚さが薄い場合、閉じ込められた流体の強力な物理的吸着と非連続効果により、ベアリングの耐荷重能力は、同じ動作条件のナノステップベアリングの耐荷重能力に匹敵します。この研究は、マイクロメカニカルシステムにおけるこのベアリングの潜在的な応用価値を示しています。

この記事の引用方法: Zhang, Y. 物理吸着によって構築された新しいナノベアリング。科学。議員 5、14539; 土井: 10.1038/srep14539 (2015)。

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チャン・ヨンビン

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ZY は、前述の新しい軸受のアイデアに貢献し、解析モデルを提供し、解析を導き出し、結果を計算し、得られた結果についての議論と結論を作成しました。

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Zhang, Y. 物理吸着によって構築された新しいナノベアリング。 Sci Rep 5、14539 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep14539

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受信日: 2015 年 2 月 2 日

受理日: 2015 年 8 月 25 日

公開日: 2015 年 9 月 28 日

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科学レポート (2022)

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