セラミックス材料は、高い硬度、優れた耐摩耗性および良好な化学的安定性を備えているため、工学的摩擦ペアに広く利用されています。しかし、セラミックス材料特有の脆さにより、乾摩擦や境界潤滑条件下で深刻な応力集中が発生しやすく、摩耗の促進や早期故障を引き起こします。表面の微細構造化技術は、界面の接触状態を制御し、摩擦学的性能を向上させる有効な手段です。そこで、本論文では酸化ジルコニウム（ZrO₂）セラミックス表面の摩擦低減および耐摩耗性微細構造のフェムト秒レーザー加工に関する研究を提案します。有限要素解析、応答曲面法（Response Surface Methodology、RSM）によるパラメータ最適化、潤滑摩擦摩耗試験に基づき、微細溝の幾何学的パラメータがセラミックス摩擦界面の応力分布および摩耗挙動に与える影響機構を体系的に検討しました。有限要素解析の結果、走査間隔、溝の深さおよび溝の配向がセラミックス表面の最大等価応力分布に有意な影響を与え、小さな間隔および大きな溝の深さは応力集中を引き起こし、適切な溝の配向は接触応力の再分布に寄与することが示されました。応答曲面分析により、レーザーエネルギーが微細溝の深さおよび幅に影響を与える主因であり、走査速度は抑制効果を持ち、走査回数は累積的なアブレーションを通じて溝の拡大を促進することが明らかとなりました。摩擦摩耗試験の結果、最適パラメータ下でZrO₂セラミックスの平均摩擦係数は0.57から0.3584に低減し、低減率は37.12％、摩耗体積は0.267×10⁶ μm³でした。フェムト秒レーザーで作製した微細溝構造は、セラミックス材料の摩擦低減および耐摩耗強化を効果的に実現し、セラミックス摩擦ペアの性能向上に対する実現可能な解決策を提供します。

セラミックス材料;フェムト秒レーザー;微細溝構造;摩擦摩耗;有限要素解析