JP2018505431A - 表面近傍ミクロ構造を使用した弾性部材の摩擦特性の制御 - Google Patents
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Abstract
摩擦を制御するためのミクロ構造を含む表面近傍構造物を有する弾性部材が提供される。角張った薄膜／小繊維接合部を有する小繊維の薄膜終端型配列は、付着性、静摩擦、および滑り摩擦の予想外に大きい増大を示す。この増大は、粗面の圧子に対接させて得られる。長尺状隆起および谷の薄膜終端型配列は、予想外にも、低い付着性と、予想外に大きい滑り摩擦の増大とを示す。薄膜終端型隆起／谷設計は、方向依存性の摩擦特性を有する異方性構造をもたらす。滑り摩擦力の増大は、小繊維間の間隔に応じて変わり、かつ終端薄膜のゆがみが生じるモードに対応する。表面近傍構造物は、様々な用途に合わせた性能特性を提供するため、様々な規模および様々なパラメータで設計される。例として、薄膜終端型隆起／谷配列は、自動車両タイヤに組み込まれて、動作中の高性能の制動を可能にする転がり抵抗および大きい滑り摩擦をもたらす。
Description
本発明は、概して、弾性部材の摩擦特性の制御に関し、より詳細には、摩擦特性を制御するためのミクロ構造を含む表面近傍構造物を有する弾性部材に関する。
摩擦は、２つの部材が接触したまま互いに対して移動するときに常に発生し、その意図的な制御は、様々な現象の機能化にとって重要である。弾性部材の摩擦特性と、その結果生じる摩擦性能への影響とは、様々な産業および努力傾注分野において、商業的に関連する。用途に応じて、より高い摩擦が望ましいことがあり、またはより低い摩擦が望ましいことがある。例として、エラストマー部材の摩擦特性は、自動車タイヤ、フロントガラスワイパ、およびシールにおいて実用上きわめて重要である。摩擦を制御する典型的な試みは、分子レベルのもの、または連続体レベルのもののいずれかである。前者の場合、摩擦は分子のスティックスリップにより生じ、後者では、摩擦は体積粘弾性損失につながり、タイヤトレッドなどの構造に対するマクロ設計によって制御することができる。
生物学的に示唆された構造に関する比較的最近の研究は、摩擦および付着性の両方を含む接触機械特性が弾性部材の表面近傍構造物の適切な設計により、どのように大幅に改良されるかを示している。例えば、特定の表面近傍構造物は、エラストマーの付着性を高めるうえで成果を挙げることが認識されている。例として、１つの従来の弾性部材１０は、図１に示すように、全体的に均質のまたは連続する支持層１２と小繊維配列１４とを含む構造を有している。小繊維配列１４は、それぞれが離間した複数の小繊維１６を含み、複数の小繊維１６は、支持層の伸長方向に概ね交差する方向に延びている。各小繊維は、着地パッド面１８を含む先端部を有し、着地パッド面１８は、対応する小繊維の断面よりも大きい表面積を有している。着地パッドは、所定の平面に概ね位置して、不連続な接触面を共同で提供する。ここで、図２に示す別の例を参照すると、別の従来の弾性部材２０は、全体的に均質のまたは連続する支持層２２と表面近傍構造物とを含む構造を有している。表面近傍構造物は、複数の内部チャネル２４を含み、複数の内部チャネル２４は、支持層に略平行にまたは支持層の伸長方向に延びている。この構造は、連続する接触面２６を提供する。
別の例は、図３に示す特定の薄膜終端型小繊維構造である。この例示的な弾性部材３０は、表面近傍の薄膜終端型小繊維構造を含む。図３から最もよく分かるように、例示的なエラストマー部材３０は、全体的に均質のまたは連続する支持層３２と、支持層の伸長方向に概ね交差する方向に（例えば、９０°以下の角度で）延びかつ自由な先端部で終端するそれぞれが離間した複数の小繊維３６を含む小繊維配列３４とを形成するように、複数の離間した穴を画定する成形型（シリコンウェハなど）内またはその上にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのエラストマー材料を流し込むことによって形成される。例示的なエラストマー部材３０は、更に、接触薄膜層３８を含み、接触薄膜層３８は、例えば、液体状態の硬化性材料（ＰＤＭＳなど）を平坦な基材に回転塗布または浸漬塗布することによって形成される。次に、接触薄膜層３８が小繊維の自由な先端部に接合されて、図３に示すように、一体弾性部材３０を形成する。そのような接合は、通常、未硬化のまたは主として未硬化／部分的に未硬化の（それでも基材で支持することができる）接触薄膜層３８を小繊維３６と接触させた後に接触薄膜を硬化させて硬化性材料を最終的な固体状態にすることで行われる。このおよび他の従来のプロセスは、結果的に、小繊維の先端部と接触薄膜層との間の未硬化材料を流動させる。そして、図３に示すように、各小繊維３６と接触薄膜層３８との間に様々な半径の定数を有する滑らかな接合部を提供する結果的な厚い領域３９をもたらす。
これらの例示的な表面近傍構造物を有する弾性部材は、高められた付着および静摩擦特性を提供することが分かった。しかし、そのような弾性部材は、平坦な対照と比較して高くなるのではなく、概ね低くなるか、実質的に変わらない滑り摩擦特性をもたらすことが分かった。滑り摩擦特性の低下は、表面近傍構造の変形によるものと考えられ、この変形は、最終的に接触面積を縮小し、結果として滑り摩擦力を低下させる接触の中断をもたらす。さらに、これらの例示的な弾性部材が静摩擦を増加させることが分かる程度に、比較的平滑な面に対する静摩擦の増加が認められた。尚、このことは、約１０マイクロメートル×１０マイクロメートルの測定領域にわたって測定して約１ナノメートル未満、または約１００マイクロメートル×１００マイクロメートルの測定領域にわたって測定して約１５ナノメートル未満の二乗平均粗さの面を有する平滑な圧子を使用した試験によるものである。本発明者らは、そのような平滑な面が通常の車道の路面のような比較的粗い一般的な面の特徴を示さないことが分かった。したがって、平滑な圧子に対する摩擦力を十分なものにする構造は、自動車タイヤ、靴のトレッド、または通常の路面のような一般的に粗い面に接触する同様のものを設計する際に有用でない。
（１）典型的な車道の路面などの粗い面に対接した弾性部材の滑り摩擦特性を制御し、例えば、高めると共に、（２）典型的な車道の路面などの粗い面に対接した弾性部材の静摩擦特性を制御し、例えば、高めるための表面近傍構造物を有する弾性部材が必要である。
本発明は、粗い面に対する滑り摩擦を制御し、かつ／または静摩擦を制御するミクロ構造を含む表面近傍構造物を有する弾性部材を提供する。一実施形態では、表面近傍構造物は、角張った薄膜／小繊維接合部を有する離散した小繊維の薄膜終端型配列を含む。薄膜終端型小繊維構造は、薄膜／小繊維接合部が角張っているか、丸みを帯びているかに関係なく、大きい静摩擦を示す。しかし、鋭利性または丸み性は、予想外に劇的に滑り摩擦性能に影響を及ぼすことが分かった。より具体的には、接合部が丸みを帯びている場合、滑り摩擦は、構造化されていない制御面の滑り摩擦に略等しいままである。しかし、接合部が角張っている場合、滑り摩擦は、小繊維間の間隔が広い場合に予想外に大きくなる。
別の実施形態では、表面近傍構造物は、長尺状隆起および谷の薄膜終端型配列を含む。薄膜終端型隆起−谷設計は、方向依存性の摩擦特性を有する異方性構造をもたらす。この構造では、静摩擦は、隆起の間隔の変化と共に劇的にまたは急激にピークに達することはない。しかし、予想外にも、滑り摩擦は、平坦な構造化されていない対照と比較して、（隆起間の間隔を狭くすることで）大幅に小さくするか、（隆起間の間隔を広くすることで）大幅に大きくすることが分かった。
本発明によれば、支持層、小繊維／隆起部、および接触薄膜層の材料／特性（例えば、弾性係数）の組み合わせを変え、かつ／または表面近傍構造の構造物幾何学形態（例えば、小繊維／隆起の高さ、小繊維断面、隆起幅、正確な長さの小繊維／隆起の間隔／幅、薄膜厚さなど）を変えることで弾性部材の摩擦特性を制御することができる、すなわち、選択的に高める、低める、または他に規定することが分かった。より詳細には、本発明によれば、予想外にも、これらのパラメータは、接触面が面との接触に応じて、典型的な変形モードと異なる静摩擦力および／または滑り摩擦力の非比例的な増大をもたらす様々な変形モードに入るように選択的に組み合わされることが分かった。
より詳細には、予想外にも、角張った薄膜／小繊維接合部を有する薄膜終端型小繊維配列を含む表面近傍構造物を有する弾性部材は、粗面圧子と接触した場合、小繊維間の間隔に応じて静摩擦力を予想外に大きく増大させることが分かった。しかし、角張った薄膜／小繊維接合部は、高い静摩擦性能に必要ではなく、むしろ同様の性能は丸みを帯びた接合部で得られることに留意されたい。静摩擦力のこの増大は、コンプライアンスが比較的高い（接触薄膜が、支えとなる小繊維構造によって支持されない）領域と、コンプライアンスが比較的低い（接触薄膜が、支えとなる小繊維構造によって支持される）領域とが集合的に隣接するミクロ構造によって生じたクラックトラッピング機構によると考えられる。
さらに、予想外にも、薄膜終端型隆起／谷配列を含む表面近傍構造物を有する弾性部材は、圧子と接触した場合、小繊維間の間隔に応じて滑り摩擦力を予想外に大きく増大させることが分かった。十分な間隔レベルにおいて、滑り摩擦を引き起こす機構が変化し、表面近傍の支持構造が比較的接近した間隔で配置された場合のような単純な曲げ／変形ではなく、表面近傍構造は、微視的なレベルで接触薄膜層および／または隆起部が繰り返し折り重なり、結果として弾性部材はかなりの量の内部エネルギを蓄積し、この内部エネルギは、次に滑り摩擦を増大させるように解放されると考えられる。さらに、折り重なりが繰り返されることで、外部から供給された仕事を消散して、滑り摩擦をさらに増大させる内部滑りが引き起こされる。
これらの代替変形モードにおいて、静摩擦または滑り摩擦をもたらす機構が変化し、従来の方式の単純な曲げ／変形ではなく、その代わりに、表面近傍構造は、微視的レベルで小繊維中のクラックトラッピングまたは接触薄膜層および／もしくは隆起部の一連の内部折り重なりを強化する複雑な変形を受けると考えられる。
以下の図面を参照して、本発明が例として下記に説明される。
本発明は、平滑な面および／または粗い面に対する滑り摩擦を制御し（例えば、大きくし）、かつ／または静摩擦を制御する（例えば、大きくする）ためのミクロ構造を含む表面近傍構造物を有する弾性部材を提供する。本発明の一態様によれば、角張った薄膜／小繊維接合部を有する離散した小繊維の薄膜終端型配列を含む表面近傍構造物を有する弾性部材が提供される。ここで図４を参照すると、例示的な弾性部材４０が示されている。この例示的な弾性部材４０は、離散した小繊維の薄膜終端型配列を含む表面近傍構造物を有する従来の弾性部材とある程度同様に、全体的に均質なまたは連続する支持層４２と、支持層の上面４２ａから支持層の伸長方向に概ね交差する方向に延びる、複数の離間した小繊維４６を含む小繊維配列４４とを含む。この支持層および小繊維配列は、従来のプロセスで、例えば、対応する小繊維を形成するための複数の離間した穴またはチャネルを画定する成形型（シリコンウェハなど）中にまたはその上にエラストマー材料（ＰＤＭＳなど）を流し込むことによって形成することができる。先行技術で一般的なように、小繊維は、四角形または六角形パターンなどの一定間隔の様々な従来パターンで配置することができる。
従来の弾性部材とある程度同様に、新規の弾性部材４０は、接触薄膜層４８をさらに含み、この接触薄膜層４８は、例えば、液体状態の硬化性材料（ＰＤＭＳなど）を平坦な基材に回転塗布または浸漬塗布することで形成することができる。接触薄膜層４８は、小繊維のうちの支持層４２に隣接する端部とは反対側の端部に接合され、弾性部材４０は一体部材である。しかし、図３に示す従来の弾性部材３０と異なり、図４に示す新規の弾性部材４０は、図３に示すように、各小繊維４６と接触薄膜層４８との間に、場合により半径が一定又は異なる滑らかな接合部を提供する厚い領域を有さない。むしろ、新規の弾性部材４０は、図４に最もよく示すように、さらに図４と図３とを比較することで最もよく分かるように、角張った薄膜／小繊維接合部を画定する。したがって、図３に示す弾性部材３０と異なり、小繊維４６の面は、実質的に直角をなすように接触薄膜層の隣接する面につながる。例えば、接触薄膜層４８と小繊維４６との接合部に直角を形成する際の任意の変動は、約２マイクロメートル未満、あるいは小繊維の幅の約２０％未満の半径または輪郭があるとして特徴付けることができる。したがって、接触薄膜層４８は、実質的に平坦でありかつ／または実質的に一定の厚さを有する。さらに、特定の実施形態では、小繊維は、図４に示すように、接触薄膜層４８との接合部に隣接する変化しない実質的に一定の断面を有する。
本発明に従った、角張った小繊維／薄膜接合部を有するこの例示的な弾性部材４０は、接触薄膜層４８を小繊維４６と接触させる前に、未硬化の薄膜層が液体状態から固体状態または実質的な固体状態に変わるように、未硬化の薄膜層を部分的に硬化させ、次に小繊維を接触薄膜層に接合するように接触薄膜層の硬化を完了するか、接触薄膜層を再硬化させることで形成することができる。結果として、小繊維の先端部と接触薄膜層との間の未硬化材料が流動し、その結果、薄膜／小繊維接合部に厚い領域が生じることになる、十分に「湿った」未硬化薄膜層と小繊維との接触をプロセスが回避することを条件として、代替のプロセスを使用して弾性部材を作製するか、接触薄膜と小繊維とを接合することができる。例として、弾性部材４０全体は、一体部材として形成することができ、別々に作製された支持層／小繊維と薄膜層との結果として起こる接触は、例えば、溶解によって後に除去できる表面下の介在物を使用して回避するか、３Ｄ印刷プロセスを使用して一体構造物を作製することで回避するか、例えば超音波溶着／加熱を使用して、作製した接触薄膜層を作製した支持／小繊維層に接合して回避することができる。任意の適切な技術を使用して弾性部材４０を作製することができる。
本発明によれば、弾性部材の表面近傍構造物におけるマイクロメートル規模の構造物の寸法、幾何形状、および他のパラメータを変えることで、弾性部材の摩擦特性を制御できることが分かった。より具体的には、支持層、小繊維、および接触薄膜層の材料／特性（例えば、弾性係数）の組み合わせを変え、かつ／または表面近傍構造の構造物幾何学形態（例えば、小繊維／隆起の高さ、小繊維断面、隆起幅、正確な長さの小繊維／隆起の間隔／幅、薄膜厚さ、薄膜材料特性など）を変えることで弾性部材の摩擦特性を制御することができる、すなわち、選択的に高める、低める、または他に規定することができる。本発明によれば、予想外にも、表面近傍構造物の隣接する構造間の間隔が十分に広いが過剰でない場合、摩擦力が大幅にかつ非比例的に増大することが分かった。
より詳細には、予想外にも、角張った薄膜／小繊維接合部を有する薄膜終端型小繊維配列を含む表面近傍構造物を有する弾性部材は、粗面圧子と接触した場合、小繊維間の間隔に応じて静摩擦力を予想外に大きく増大させることが分かった。静摩擦力のこの増大は、コンプライアンスが比較的高い（接触薄膜が、支えとなる小繊維構造によって支持されない）領域と、コンプライアンスが比較的低い（接触薄膜が、支えとなる小繊維構造に支持される）領域とが集合的に隣接するミクロ構造によって生じたクラックトラッピング機構によると考えられる。
さらに、予想外にも、角張った薄膜／隆起接合部を有する薄膜終端型隆起／谷配列を含む表面近傍構造物を有する弾性部材は、圧子と接触した場合、小繊維間の間隔に応じて滑り摩擦力を予想外に大きく増大させることが分かった。十分な間隔レベルにおいて、滑り摩擦を引き起こす機構が変化し、表面近傍の支持構造が比較的接近した間隔で配置された場合のような単純な曲げ／変形ではなく、表面近傍構造は、微視的なレベルで接触薄膜層および／または隆起部が繰り返し折り重なり、結果として弾性部材はかなりの量の内部エネルギを蓄積し、この内部エネルギは、次に滑り摩擦を増大させるように解放されると考えられる。さらに、折り重なりが繰り返されることで、外部から供給された仕事を消散して、滑り摩擦をさらに増大させる内部滑りが引き起こされる。
表面近傍構造物の変形の違いが図５および図６に示されており、図５および図６は、薄膜終端型小繊維配列を有する弾性部材の平滑な圧子との接触に応じた変形を示す光学顕微鏡写真である。図５は、垂直負荷を受けて平滑な圧子と接触しているときにベース層を介して見た、図３の先行技術の例示的な弾性部材の変形を示している。丸い平滑な圧子の形状による接触領域に一致する形状の接触薄膜層の変形が図５に明瞭に見える。図６は、垂直および剪断負荷下での同様の平滑圧子との接触に応じた、図４の新規の弾性部材４０の変形を示す光学顕微鏡写真である。図６で明瞭に見えるように、変形パターンは、丸い平滑な圧子の形状に概ね一致するが、変形パターンは、剪断力下のクラックトラッピングを反映しており、このクラックトラッピングは、弾性部材の表面近傍構造物のミクロ構造の構成によって静摩擦力を増大させる。図５の光学顕微鏡写真は、剪断負荷のない摩擦試験で得られた。図６の光学顕微鏡写真は、剪断負荷を用いた摩擦試験で得られ、この摩擦試験では、垂直負荷０．１グラムをかけて平滑なガラス圧子を弾性部材と接触させ、速度５マイクロメートル／秒で弾性部材の表面に沿った／表面を横断する方向（図６では上方向）の力を平滑なガラス圧子にかけた。図６の例では、弾性部材はＰＤＭＳで構成され、支持層は、厚さ７００マイクロメートルを有し、小繊維は正方形パターンで配置され、小繊維は、支持層の上面から上に３０マイクロメートルの標準長さ／高さ（Ｄ）を有し、隣接する小繊維間の標準間隔（Ｓ）は約１００マイクロメートルである。
図７は、ＰＤＭＳ製の弾性部材サンプルの摩擦試験での平滑な圧子（例えば、半径が１〜４ｍｍの範囲の半球形ガラス部材）の変位に応じた摩擦力のグラフを示している。グラフは、（図４のものと構造が同様の）複数の弾性部材サンプルを、ミクロ構造を含む表面近傍構造物を有するのではなく、単に均質であり、平坦でありかつ／または連続する平坦な対照構造と比較した摩擦力曲線を示している。各弾性部材は、（標準値として）３０マイクロメートルの共通小繊維高さ（Ｄ）を有するが、（標準値として）３０〜９０マイクロメートルの範囲を取る、小繊維間の異なる間隔を有する。図７に示すように、小さく増大する間隔を有するミクロ構造を設けることで、Ｄ３０Ｓ３０およびＤ３０Ｓ５０サンプルに見られる通り、平坦なサンプルと比較して静摩擦は増大するが、滑り摩擦は小さくなる。静摩擦力は、実際上、弾性部材と、弾性部材が接触している面との間で滑り状態が始まる前に２つの接触面間の移動を妨げる最大摩擦力である。静摩擦力は、通常、摩擦力曲線のピークによって表される。滑り摩擦は、実際上、弾性部材と、弾性部材が接触している面との間の相対移動中に連続する滑りに抗する摩擦力である。
予想外にも、隣接する小繊維間の間隔をさらに広げることで、静摩擦力および滑り摩擦力が増大し、実際上、平坦なサンプルが示す静摩擦力よりも約４〜６倍大きい静摩擦力が得られ、平坦なサンプルが示す滑り摩擦力よりも約１．５〜３倍大きい滑り摩擦力が得られる。結果的に、摩擦力は、小繊維間の間隔の小さい変化によって予想外に大きい影響を受け、さらに限定された条件において増大することができる。
図８Ａ及び図８Ｂは、図３の従来の薄膜終端型小繊維弾性部材３０の摩擦測定時の力−変位データを示している。それに対して、図７は、図４のものと同様の角張った薄膜／小繊維接合部を有する新規の薄膜終端型小繊維弾性部材の摩擦測定時の力−変位データを示している。図の比較から分かるように、静摩擦力は、小繊維間の間隔を広くすることで大きく増大する。しかし、滑り摩擦力は、図７に示すように、角張った薄膜／小繊維接合部を有する新規の薄膜終端型小繊維弾性部材に対してのみ、小繊維間の間隔が広い範囲内で増大する。したがって、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材の表面近傍構造物は、所与の材料弾性係数、薄膜厚さ、小繊維高さ、および小繊維断面のパラメータセットに対して小繊維間隔を変えることで、滑り摩擦を制御するように設計することができる。これらのパラメータは、弾性部材の結果として得られる滑り摩擦特性を制御するためにさらに変えることができる。より具体的には、これらのパラメータは、特定の負荷状態に対して、所望のレベルの滑り摩擦力をもたらす弾性部材を共同して実現するように変えることができる。
さらに、予想外にも、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材の表面近傍構造物は、所与の材料弾性係数、薄膜厚さ、小繊維高さ、および小繊維断面のパラメータセットに対して繊維間隔を変えることで、静摩擦および滑り摩擦を制御可能に設計できることが分かった。これらのパラメータは、車道などの粗い面に対する、弾性部材の結果として得られる静摩擦特性を制御するためにさらに変えることができる。より具体的には、これらのパラメータは、特定の負荷状態に対して、所望のレベルの静摩擦力をもたらす弾性部材を共同して実現するように変えることができる。
例として、粗面圧子は、１０μｍ×１０μｍの領域にわたって測定して、二乗平均粗さが１００ナノメートルの表面凹凸構造を有する球体とするか、天然の粗い石とすることができる。
図９Ａ及び図９Ｂは、平滑な圧子および粗面圧子に対する静摩擦力の違いを示している。角張った小繊維／薄膜接合部を有する本発明の薄膜終端型小繊維構造の静摩擦は、平滑な圧子に当てて測定した場合、図９Ａに示すように最大で平坦な対照の静摩擦の１０倍である。より具体的には、図９Ａは、３０マイクロメートルの小繊維高さ（Ｄ）と、正方形パターンであり、３０マイクロメートル〜９０マイクロメートルの範囲を取る小繊維間隔（Ｓ）とを有する、図４に示すものと同様の角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材のデータを示している。図９Ａに示すように、静摩擦は、上記に説明した通り、小繊維間の間隔が広くなると共に予想外に劇的に増大している。前の報告とは対照的に、予想外にも、滑り摩擦力も、図９Ａに示すように、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材を含む表面近傍構造物によって大きくなるか、制御されることが分かった。図９Ｂは、粗面圧子を使用した対応する測定を示している。図９Ｂは、この場合に小繊維間の間隔が３０〜９０マイクロメートルから異なるすべての弾性部材で、粗い面に対する静摩擦が大幅に小さくなることを示している。図９Ｂは、予想外にも、平坦な対照の静摩擦力と比較した構造化面の静摩擦力の増大が、Ｄ３０Ｓ９０弾性部材サンプルで静摩擦力が最大約５倍まで増大するという点でかなり大きいままであるが、間隔がより接近した小繊維を有する弾性部材が小さい静摩擦力を付与され、場合により静摩擦力が平坦な対照の静摩擦力よりも小さいことをさらに示している。
図１０Ａは、接触薄膜層が平滑な圧子に対接した滑り時の、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材の接触領域の光学顕微鏡写真を示している。比較として、図１０Ｂは、平坦な対照が粗面圧子に対接した滑り時の接触領域の光学顕微鏡写真を示している。圧子の粗さに起因する実際の接触領域の劇的な縮小が分かり、予想通り摩擦の相応した低下を証明している。さらなる比較として、図１０Ｃは、同じ構造化面が粗面圧子に対接した滑り時の接触領域の光学顕微鏡写真を示している。図１０Ｂ及び図１０Ｃの顕微鏡写真の比較から分かるように、実際の接触領域は、図１０Ｃに示すように、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材でかなり拡大されている。
図１１は、３０マイクロメートルの小繊維高さ（Ｄ）と、正方形パターンであり、３０マイクロメートル〜９０マイクロメートルの範囲を取る小繊維間隔（Ｓ）とを有する、図４に示すものと同様の角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材のデータを示している。この試験では、粗面化ガラス球の形態の粗面圧子を使用した。図１１に示すように、小繊維間の間隔を変えることは、粗面圧子（Ｐ１）が、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維弾性部材を横断する摩擦試験において、摩擦力に予期しない影響を及ぼす。図１１は、角張った小繊維／薄膜接合部を有し、間隔が９０マイクロメートルの薄膜終端型小繊維弾性部材の場合、平坦な対照サンプルと比較して静摩擦力が約４倍だけ予想外に増大することを示し、さらに、平坦な対照と比較して滑り力がごくわずかに増大することを示している。平坦な対照と比較して、３０または５０マイクロメートルの間隔を追加しかつ／または広げることで、静摩擦および滑り摩擦が小さくなっている。予想外にも、間隔を７０または９０マイクロメートルにさらに広げることで、平坦な対照と比較するだけでなく、より小間隔のものとも比較して、静摩擦および滑り摩擦が増大している。図１２Ａ〜図１２Ｄから分かるように、角張った小繊維／薄膜接合部を有するＤ３０Ｓ９０薄膜終端型小繊維弾性部材を横断する粗面圧子の移動時、図１２Ｄに示すように接触薄膜層および／または小繊維部材に折り重なりが形成される。
図１３は、異なる粗面圧子（Ｆ２）に対する同様の結果パターンを示している。この粗面圧子は、粗面化したガラス球の形態を取る。この場合にも、角張った小繊維／薄膜接合部を有するＤ３０Ｓ９０薄膜終端型小繊維弾性部材を横断する粗面圧子の移動時、図１４Ｄに示すように接触薄膜層および／または小繊維部材に折り重なりが形成される。
図１５は、異なる粗面圧子（Ｃ１）に対する同様の結果パターンを示している。この粗面圧子は、別の粗面化したガラス球の形態を取る。この場合にも、角張った小繊維／薄膜接合部を有するＤ３０Ｓ９０薄膜終端型小繊維弾性部材を横断する粗面圧子の移動時、図１６Ｄに示すように接触薄膜層および／または小繊維部材に折り重なりが形成される。
他の粗面圧子に対する同様の結果パターンが図１７、図１９、および図２１に示されており、同様の折り重なりが、図１８Ａ〜図１８Ｄ、図２０Ａ〜図２０Ｄ、および図２２Ａ〜図２２Ｄの対応する画像に示されている。粗面圧子Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、粗い面を有する天然石圧子である。約２００μｍ×２００μｍの領域にわたって約２３００ナノメートル〜約６０００ナノメートルの二乗平均粗さを有する粗面圧子の様々なサンプルが付着試験で試験され、付着試験において、圧子は、上記のように、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維構造と接触し、その後、薄膜終端型小繊維構造から取り除かれ、ピラーが２０マイクロメートル〜９０マイクロメートルの範囲を取るピラー間隔で正方形パターンに配置された一連のサンプルに対して、平坦な対照サンプルに対して正規化された正規化引剥がし力によって表される高い付着性を示すことが分かった。より詳細には、付着特性は、対照サンプルの引剥がし力の約２〜７倍の引剥がし力の増大だけ改善された。
そのような薄膜終端型小繊維構造用のパラメータは、以下の関係に従って付着特性を高めるように、組み合わせて選択することができる。
Ｗは付着の仕事であり（Ｊ／ｍ２）、
Ｗ０は対照の付着性であり（Ｊ／ｍ２）、
ｗは小繊維間の間隔であり（ｍ）、
ｔは薄膜の厚さであり（ｍ）、
ｈは小繊維高さであり（ｍ）、
αは小繊維パターンに応じた無次元定数であり、正方形パターンの小繊維配置に対して約７．３ １０−４である。
なお、この関係に従った特性の無限の調整に対していくつかの制限がある。例えば、キャビテーション、小繊維の折れ、および終端／接触薄膜の崩壊はすべて、付着の仕事が上記の関係に従って増大できる範囲を制限する役割を果たすことが分かった。したがって、高められた付着性能を実現するための薄膜終端型小繊維構造の調整は、所望の負荷範囲内で負荷をかけている間、キャビテーションが起こり始める程度まで拡張してはならない。キャビテーションは、付着性能を低める傾向がある。
キャビテーションは、以下の関係によって管理される。
Ｗは付着の仕事であり（Ｊ／ｍ２）、
σｃは実験的に確立された固有キャビテーション応力であり（Ｎ／ｍ２）、
Ａは各小繊維の断面積であり（ｍ２）、
Ｅは材料／エラストマーのヤング率であり（Ｎ／ｍ２）、
ｗは小繊維間の間隔であり（ｍ）、
ｈは各小繊維の高さである（ｍ）。
この式は前の式を制限する。例えば、第１の式は、付着および静摩擦の仕事がｗを大きくすることで増大する場合、Ｗが顕著に大きくなることを示している。しかし、この第２の式は、Ｗがｗを大きくすると共に減少することを示している。したがって、第２の式は、これらの２つの式によって予測されるより低い性能範囲を確立する。換言すると、ｗが増加するにつれて、付着または静摩擦の仕事は最初に増大し、次いで減少する。これらの２つの式は、他の変数、例えばｈに対して同様に使用することができる。
さらに、高められた付着性能を実現するための薄膜終端型小繊維構造の調整は、所望の負荷範囲内で負荷をかけている間、小繊維が破断する程度までの拡張を回避するために制限されなければならない。小繊維の破断／折れは付着性能を低める傾向がある。
さらに、高められた付着性能を実現するための薄膜終端型小繊維構造の調整は、所望の負荷範囲内で負荷をかけている間、終端／接触薄膜が崩壊する程度までの拡張を回避するために制限されなければならない。薄膜崩壊は、付着性能を低める傾向がある。薄膜崩壊は、以下の関係によって管理される。
ｗは小繊維間の間隔であり（ｍ）、
Ｗ０は対照の構造化されていない面間の付着性であり（Ｊ／ｍ２）、
Ｅは材料のヤング率であり（Ｎ／ｍ２）、
ｔは薄膜の厚さであり（ｍ）、
ｈは小繊維高さである（ｍ）。
別の言い方をすれば、上記のパラメータは、薄膜崩壊を回避するために、上記の関係を維持するように選択されなければならない。
角張った小繊維／薄膜接合部を有するそのような薄膜終端型小繊維構造に関して、そのような構造に加えて顕著に大きい静摩擦をさらに示すことが分かった。
角張った小繊維／薄膜接合部を有するそのような薄膜終端型小繊維構造に関して、そのような構造に加えて顕著に大きい静摩擦をさらに示すことが分かった。
したがって、図４〜図２２Ｄに関連して上記に説明したように、角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維配列を含む表面近傍構造物を有する弾性部材は、特定の負荷状態に応じて弾性部材がクラックトラッピングを含む変形モードに入るように、支持層、小繊維（または下記に説明する隆起）、および／または接触薄膜層材料／特性（例えば、弾性係数）の組み合わせを変え、かつ／または表面近傍構造の構造物幾何学形態（例えば、小繊維高さ、小繊維断面、小繊維幅、小繊維間隔、薄膜厚さなど）を変えることで静摩擦力を増大させ、滑り摩擦力を増大させるように設計することができる。
上記の角張った小繊維／薄膜接合部を有する薄膜終端型小繊維配列を含む表面近傍構造物を有する弾性部材は、支持層の周辺で小繊維が四角形にパターン化して配置されるか、六角形にパターン化して配置されるか、あるいは等方的に配置され、したがって等方性の摩擦特性をもたらす。特に、間隔および／または他の幾何学的形態は、粗面圧子の場合でさえ、弾性部材の隣接するミクロ構造間のクラックトラッピングを含む変形モードをもたらすように変えることができ、さらに、静摩擦力は、間隔を若干広げることによって顕著に増大することが分かったが、そのような弾性部材は、平坦な対照と比較して、滑り摩擦を比較的あまり変化させないことが分かった。より詳細には、これは、小繊維と薄膜との間の接合部が丸みを帯びている実施形態に特に当てはまる。しかし、接合部が角張っている場合、特定の事例では（より広い間隔に対して）滑り摩擦がさらに増大する。
自動車タイヤなどの多くの用途では、人は、特に、特定の方向に沿った摩擦に関して配慮する。したがって、一部の用途では、異方性の摩擦特性をもたらす異方性構造が望ましい。
本発明の別の実施形態では、弾性部材の表面近傍構造物は、間にある谷によって分離された長尺状隆起の薄膜終端型配列を含む。ここで、図２３および図２４を参照すると、異方性の薄膜終端型隆起構造を含む表面近傍構造物を有する弾性部材６０が示されている。薄膜終端型隆起構造は、特定の負荷状態に応じて弾性部材が接触薄膜層および／または隆起の折り重なりを含む変形モードに入るように、支持層、隆起、および接触薄膜層材料／特性（例えば、弾性係数）の組み合わせを変え、かつ／または表面近傍構造の構造物幾何学形態（例えば、隆起幅、隆起断面、隆起高さ、隆起長さ、隆起間各、薄膜厚さなど）を変えることで静摩擦力を増大させ、滑り摩擦力を増大させるように設計することができる。
ここで、図２４を参照すると、例示的な弾性部材６０は、離散した長尺状隆起の薄膜終端型配列を含む表面近傍構造物を有する。より詳細には、この例示的な弾性部材６０は、図２３に最もよく示すように、全体的に均質のまたは連続する支持層６２と、複数の離間した隆起部６６を含む隆起配列６４とを含む。間隔は、隣接する隆起部間に谷部を形成する。各隆起部６６は、支持層の伸長方向に概ね交差する方向に支持層６２の上面６２ａに沿って延びている。この支持層および隆起配列は、従来のプロセスで、例えば、対応する隆起部を形成するための複数の離間した溝を画定する成形型（シリコンウェハなど）中にまたはその上にエラストマー材料（ＰＤＭＳなど）を流し込むことによって形成することができる。隆起部は、様々な構成で互いに対して配置することができる。図示した例示的な実施形態では、隆起部は、平行な配列において、各隣接する隆起対間の間隔を一定にして配置されている。
従来の弾性部材とある程度同様に、新規の弾性部材６０は、図２４に最もよく示すように、接触薄膜層６８をさらに含む（図２３では、明瞭に示すために薄膜が削除されている）。接触薄膜層６８は、例えば、液体状態の硬化性材料（ＰＤＭＳなど）を平坦な基材に回転塗布または浸漬塗布することで形成することができる。接触薄膜層６８は、隆起部のうちの支持層６２に隣接する端部とは反対側の端部に接合され、弾性部材６０は一体部材である。
弾性部材は、各隆起部６６と接触薄膜層６８との間に、場合により一定の半径または異なる半径を有する滑らかな接合部を提供する厚い領域を有しても、有さなくてもよい。例示的な弾性部材６０は、図２４に最もよく示すように、角張った薄膜／隆起接合部を画定している。例示的な接触薄膜層６８は、実質的に平坦でありかつ／または実質的に一定の厚さを有する。さらに、特定の実施形態では、各隆起部は、隆起部の全長に沿って変化しない実質的に一定の断面を有する。他の実施形態では、接触薄膜層の厚さおよび／または隆起部の断面は変化することがある。
本発明に従ったこの例示的な弾性部材６０は、接触薄膜層６８を隆起部６６と接触させる前に、未硬化の薄膜層が液体状態から固体状態または実質的な固体状態に変わるように、未硬化の薄膜層を部分的に硬化させ、次に隆起部を接触薄膜層に接合するように接触薄膜層の硬化を完了するか、接触薄膜層を再硬化させることで形成することができる。例示的な弾性部材６０は、ＰＤＭＳで形成され、厚さが７００マイクロメートルの支持層を有し、各隆起部は、１０マイクロメートルの広さの幅（Ｄ）と、４０マイクロメートルの隆起高さと、１１５マイクロメートルの隣接隆起間の間隔（Ｓ）とを有する。接触薄膜層は、５〜１０マイクロメートルの範囲の厚さを有する。
代替のプロセスが、弾性部材を作製するか、接触薄膜と隆起部とを接合するために使用される。例として、弾性部材６０全体は、一体部材として形成することができ、別々に作製された支持層／隆起部と薄膜層との結果として起こる接触は、例えば、溶解によって後に除去できる表面下の介在物を使用して回避するか、３Ｄ印刷プロセスを使用して一体構造物を作製することで回避するか、例えば超音波溶着／加熱を使用して、作製した接触薄膜層を作製した支持／隆起層に接合して回避することができる。任意の適切な技術を使用して、弾性部材６０を作製することができる。
本発明に従って上記に説明したように、予想外にも、表面近傍構造物の隣接するミクロ構造間の間隔が十分に広い場合、特定の他の特性との組み合わせにおいて摩擦力が大幅にかつ非比例的に増大することが分かった。十分な間隔レベルにおいて、滑り摩擦を引き起こす機構が変化し、表面近傍構造が比較的接近した間隔で配置された場合のような単純な曲げ／変形ではなく、表面近傍構造は、微視的なレベルで接触薄膜層および／または隆起部が繰り返し折り重ねられ、結果として弾性部材はかなりの量の内部エネルギを蓄積し、この内部エネルギは、次に滑り摩擦を増大させるように解放されると考えられる。
さらに、薄膜終端型隆起構造を含む表面近傍構造物を有する弾性部材は、この折り重なりを基本とした変形モードをもたらし、表面近傍の幾何学的形態の特定の範囲において摩擦レベルを大幅に高くする。さらに、異方性の薄膜終端型隆起構造は、この折り重なり変形モードを異方性にする、すなわち、（図２６に示す）隆起部の伸長方向に交差する方向と比較して、（図２５に示す）隆起部の伸長方向に沿って異なるようにする。図２５および図２６は、圧子が接触薄膜層に押し付けられているときにベース層を介して見た、図２４の先行技術の例示的な弾性部材の変形を示している。図２５および図２６から明瞭に分かるように、接触薄膜層および／または隆起部には、図２５および図２６において複数の短い直線状のまたは湾曲した線のように見える折り重なりがある。図２５および図２６の光学顕微鏡写真は、圧子が負荷０．１グラムで弾性部材に押し付けられ、速度５マイクロメートル／秒で（図２５および図２６の上方向に）弾性部材の表面を横断する摩擦試験で得られた。
特に、折り重なり機構は、２つの異なる直交する方向で異なっている。隆起部の伸長方向に交差する方向の滑り摩擦に関して、ミクロ構造は、接触薄膜および隆起部が特定の負荷状態に応じて折り重なるように構成された場合、滑り摩擦力が大幅に増大する。この変形モードでは、隆起部は、図２６に示すように、隣接する隆起部間に画定された空間に曲がり込む／変形して入り込むと考えられ、これは滑り摩擦を急激に増大させることができる。
隆起部の伸長方向の滑り摩擦に関して、ミクロ構造は、接触薄膜および隆起部が特定の負荷状態に応じて折り重なるように構成された場合、滑り摩擦力がわずかに増大する。この変形モードでは、隆起部は、（空間の向きと加えた力の方向とにより）隣接する隆起部間に画定された空間に曲がり込む／変形して入り込むのではなく、図２５に示すように、それ自体の上で曲がって／変形してゆがみ、これは滑り摩擦をわずかに増加させる。
図２７は、４０マイクロメートルの隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル〜１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示しており、７００マイクロメートルの厚さの支持層と、約５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、圧子が隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する場合、０．１グラムの負荷を受けながら５マイクロメートル／秒の速度で表面を横断する。図２７に示すように、隆起部間の間隔（隆起間間隔）を広げることは、Ｄ４０Ｓ２０、Ｄ４０Ｓ３５、Ｄ４０Ｓ５０弾性部材に見られるように、平坦な対照と比較して静摩擦および滑り摩擦を小さくする傾向がある。予想外にも、この場合、間隔をさらに広げることは、Ｄ４０Ｓ６５およびＤ４０Ｓ８０弾性部材に対して見られるように静摩擦および滑り摩擦を増大させる傾向がある。さらに、予想外にも、隆起間間隔をさらに広げることで、Ｄ４０Ｓ９５弾性部材に対して見られるように、平坦な対照と比較して静摩擦および滑り摩擦が増大する。さらに、間隔をさらに広げることで、平坦な対照が示す静摩擦の約３〜４倍に急激に増大し、平坦な対照が示す滑り摩擦力の約４〜５倍に急激に増大する。予想外にも、隆起間間隔は、平坦な対照と比較するだけでなく、より小間隔の弾性部材とも比較して、静摩擦および滑り摩擦を増大させることができる。これは、図２８Ｄに示すように、本発明の教示に従った接触薄膜層および隆起部の折り重なりを生じさせる、表面近傍構造物に起因する変形モードの変化による。
図２８Ｅは、７００マイクロメートルの厚さの支持層と、５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、圧子が隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する場合、４０マイクロメートルの隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示している。ただし、このデータは、５マイクロメートル／秒の速度で表面を横断しているときの０．２グラムに増やした負荷を反映している。図２９は、負荷を０．４２グラムに増やした以外は同様のデータを示している。最初に、狭い方の隆起間間隔では、静摩擦力および滑り摩擦力が小さくなるが、次いで、予想外にも、平坦な対照と比較するだけでなく、間隔が狭い方の弾性部材とも比較して、静摩擦力および滑り摩擦力が急激に増大しているという点で、同様の結果パターンが示されている。これは、本発明の教示に従った接触薄膜層および／または隆起部の折り重なりを生じさせる、表面近傍構造物に起因する変形モードの変化による。
図３０は、３０マイクロメートルの隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル〜１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示しており、圧子が隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する場合、７００マイクロメートルの厚さの支持層の、５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、０．１グラムの負荷を受けながら５マイクロメートル／秒の速度で隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する。最初に、狭い方の隆起間間隔では、静摩擦力および滑り摩擦力が小さくなるが、次いで、予想外にも、平坦な対照と比較するだけでなく、間隔が狭い方の弾性部材とも比較して、静摩擦力および滑り摩擦力が急激に増大しているという点で略同じ結果パターンが示されている。これは、本発明の教示に従った接触薄膜層および隆起部の折り重なりを生じさせる、表面近傍構造物に起因する変形モードの変化による。さらに、この図は、図２７に示すデータと比較して、隆起高さがより短い場合に（図３０のＤ３０および図２７のＤ４０）、平坦なサンプルに対して静摩擦および滑り摩擦の増大をもたらすためにより広い間隔が必要とされることと、Ｄ３０Ｓ９５サンプルでは、静摩擦および滑り摩擦が平坦なサンプルよりも小さくなり、Ｄ４０Ｓ９５サンプルでは、静摩擦および滑り摩擦が平坦なサンプルよりも大きくなることとを示している。したがって、このグラフは、隆起高さおよび隆起間隔が共同して静摩擦および滑り摩擦特性に影響を及ぼすことを示している。
図３１は、３０マイクロメートルの隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル〜１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示しており、圧子が隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する場合、７００マイクロメートルの厚さの支持層と、５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、０．２グラムの増大させた負荷を受けながらであるが、５マイクロメートル／秒の速度で隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する。最初に、狭い方の隆起間間隔では、静摩擦力および滑り摩擦力が小さくなるが、次いで、予想外にも、平坦な対照と比較するだけでなく、狭い方の間隔とも比較して、静摩擦力および滑り摩擦力が急激に増大しているという点で略同じ結果パターンが示されている。しかし、この図は、より高い垂直負荷が静摩擦および滑り摩擦をあまり増大させないことをさらに示しており、これは、図３０および図３１においてＤ３０Ｓ９５サンプルの摩擦力を比較することで確認することができる。
図３２は、３０マイクロメートルの隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル〜１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示しており、圧子が隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する場合、７００マイクロメートルの厚さの支持層と、５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、０．４２グラムの増大させた負荷を受けながらであるが、５マイクロメートル／秒の速度で隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する。最初に、狭い方の隆起間間隔では、静摩擦力および滑り摩擦力が小さくなるが、次いで、予想外にも、平坦な対照と比較するだけでなく、狭い方の間隔とも比較して、静摩擦力および滑り摩擦力が急激に増大しているという点で略同じ結果パターンが示されている。
図３３〜図３５は、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材の異方性に関連するデータを示している。より具体的には、これらの図は、圧子が隆起部の伸長方向に移動する場合、５マイクロメートル／秒の速度で隆起部の伸長方向の方向に移動しながら、垂直負荷を受ける弾性部材のデータを示している。図３３は、４０マイクロメートルの隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル〜１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示しており、７００マイクロメートルの厚さの支持層と、５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、０．１グラムの負荷が５マイクロメートル／秒の速度で隆起部の伸長方向に交差する方向に移動する。この方向では、Ｄ４０Ｓ２０、Ｄ４０Ｓ３５、およびＤ４０Ｓ５０サンプルにおいて示すように、最初に、間隔を若干広げることで静摩擦力および滑り摩擦力が平坦なサンプルと比較してごくわずかに増大する。次いで、間隔をさらに広げることで、Ｄ４０Ｓ６５、Ｄ４０Ｓ８０、Ｄ４０Ｓ９５、およびＤ４０Ｓ１１０サンプルに見られるように、静摩擦は概ね増大するが、滑り摩擦は小さくなる。しかし、次いで、間隔をさらに広げることで、Ｄ４０Ｓ１２５サンプルに関して示すように、静摩擦および滑り摩擦が平坦なサンプルおよびより接近した状態で離間したサンプルと比較して予想外に急激に増大する。しかし、増大は、隆起部の伸長方向に交差する方向の移動で見られるよりも安定性および予測可能性が低く、あまり極端でない。
図３４は、４０マイクロメートルの隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル〜１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示しており、圧子が隆起部の伸長方向に移動する場合、７００マイクロメートルの厚さの支持層と、５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、０．４２グラムの増大させた負荷を受けながらであるが、５マイクロメートル／秒の速度で隆起部の伸長方向に移動する。最初に、狭い方の隆起間間隔では、概ね静摩擦力および滑り摩擦力が小さくなるが、次いで、予想外にも、平坦な対照と比較するだけでなく、狭い方の間隔とも比較して、Ｄ４０Ｓ１００およびＤ４０Ｓ１２５サンプルに見られるように、静摩擦力および滑り摩擦力が急激に増大しているという点で略同じ結果パターンが示されている。
図３５は、３０マイクロメートルのより低い隆起高さ（Ｄ）と、２０マイクロメートル〜１２５マイクロメートルの範囲の一定の隆起間隔（Ｓ）とを有する、図２４に示すものと同様の薄膜終端型隆起配列弾性部材を平坦な対照と比較したデータを示しており、７００マイクロメートルの厚さの支持層と、５〜１０マイクロメートルの厚さの接触薄膜層とを有する、ＰＤＭＳで構成された弾性部材に対して、０．１グラムの負荷を受けながら５マイクロメートル／秒の速度で隆起部の伸長方向に移動する。この場合、静摩擦および滑り摩擦の急激な増大は見られない。この状況で隆起部の方向に移動する場合、３０マイクロメートルの隆起高さを材料特性および他の表面近傍構造物特性と組み合わせたのみでは、０．１グラムの負荷状態で弾性部材が折り重ねを基本とした変形モードに入るには不十分であると考えられる。
図３６−１〜図３６−４は、隆起部の伸長方向に交差する方向の圧子の移動に対応した薄膜終端型隆起構造の変形を示す光学顕微鏡写真を示している。本発明の教示に従った隆起／薄膜構造の折り重なりが図３６−４に示されている。図３７−１〜３７−４は、隆起部の伸長方向の圧子の移動に対応した薄膜終端型隆起構造の変形を示す光学顕微鏡写真を示している。本発明の教示に従った隆起／薄膜構造のゆがみおよび／または折り重なりが図３７−４に示されている。さらに、図３６−１〜３６−４は、１２５マイクロメートルの周期的な間隔を有するサンプルに関する実験映像に番号を付した一連の４つの画像（サンプルを介して見た接触領域）を示している。隣接する図３６−３および図３６−４は、構造が滑りへの移行時に受ける変形を断面で示す図解である。剪断作用を受けた場合に起こる第１の事象は、隆起部の曲がりと、それに伴う終端薄膜の一部と圧子との間の接触の部分喪失とである。周期的な間隔が比較的狭いサンプルは、この状態から抜けず、したがって、サンプルにとって、滑り摩擦力の低下は、隆起の曲がりによる接触の喪失と、接触しなくなった終端薄膜の部分的な分離とに直接関係する。しかし、周期的な間隔が十分に広い場合、表面下の構造は、複雑な一連の内部折り重なりおよび変形を受ける。変形モードのこの特異な変化は、滑り摩擦の大幅な増大と直接的に相互に関係する変形したパターンを特徴とする。（ａ）複数の折り重なりの形成は、開閉サイクルを受ける大きい内部境界面領域を生じさせ、付随する付着ヒステリシスは、摩擦を大きくするエネルギ損失をもたらし、（ｂ）複数の折り重なった内部接触部は、接触領域の後縁で動的に解放される弾性エネルギを蓄積すると考えられる。エネルギは、内部の機械的不安定性の結果として動的に解放されるため、エネルギは浪費され、このエネルギ損失は、滑り摩擦に寄与する。摩擦を小さくする構造を、摩擦を増大させる構造と区別する重要な事象があると考えられる。より詳細には、この事象は、隆起部および薄膜が、折り重なりを形成させる接触を始めたまさにそのときの隆起部および薄膜のゆがみと解釈される。さらに、制限された折り重なりは基本的に単に面接触を減らし、相応して摩擦を小さくするが、付加的な折り重なりは摩擦の顕著な増大に関与することが理解される。
図３７−１〜図３７−４は、隆起部（の方向に）に沿った滑りの摩擦測定に関する。一部のサンプルに対する隆起部に沿った滑り摩擦は、平坦な対照の滑り摩擦よりも多少小さい。しかし、十分に広い間隔を有するサンプルに対して、滑り摩擦は、大幅にかつ再現可能に増大する。図３７−１〜図３７−４の光学顕微鏡写真は、滑り時、接触部が折り重なった終端薄膜の多くの領域を含むことを示している。折り重なりの一部（３および４）は、サンプルが圧子の下で滑るときに同じ状態のままであり、他は、動的に形成され、消滅する。他方で、滑り摩擦が小さい（１および２）場合、滑り時の接触領域は比較的平滑である。
図３８は、付着試験での変位に応じた力のグラフを示しており、この付着試験では、平滑な圧子を平坦な外側／接触面を有する構造と接触させ、次いで平坦な面の平面に垂直な方向に構造／面から圧子を引き上げて、サンプルの面内に向かう変位に応じた付着力を測定した。より具体的には、図３８は、４つの異なる実験から得た力−変位線を示しており、それぞれ同じ圧子を用いるが、異なるサンプル／試料、すなわち平坦な構造化されていない対照（図３８、線Ａ）と、薄膜終端型小繊維／ピラー試料（小繊維高さ３０μｍ、間隔９０μｍ）（図３８、線Ｂ）と、薄膜終端型隆起／チャネル試料（隆起高さ４０μｍ、間隔９５μｍ）（図３８、線Ｃ）と、薄膜終端型隆起／チャネル試料（隆起高さ３０μｍ、間隔９５μｍ）（図３８、線Ｄ）とを用いる。
図３８に示すように、第１の線Ａは、対照サンプルを用いて行われた試験からのデータを示しており、この例示的な試験では、対照サンプルは、表面近傍構造物のない平坦で構造化されていない対照サンプルとした。次いで、上記のタイプの角張った薄膜／小繊維接合部を有し、３０マイクロメートルの小繊維高さ（Ｄ）と、四角形パターンの小繊維と、９０マイクロメートルの小繊維間隔（Ｓ）とを有するが、それ以外は対照サンプルと同じ材料でできた例示的なＤ３０Ｓ９０薄膜終端型小繊維構造を用いて同様の試験を行った。この試験から得たデータが図３８に第２の線Ｂとして示されている。線Ｂから分かるように、この薄膜終端型小繊維構造は、圧子がサンプルから引き上げられたときに、ピーク付着力約−５ｍＮの比較的高い付着力を示した。そのような強力な付着力は、取付けまたは把持装置、サンプル取出し装置などの特定の用途、および輸送用途で、または基本的に粘着テープを使用することができる任意の用途で有益である。
図３８にさらに示すように、上記のタイプの薄膜終端型隆起／谷構造で同様の試験を行った。これらの試験の最初のものを高さ４０マイクロメートルおよび間隔９０マイクロメートルの構造で行い（線Ｃ）、高さ３０マイクロメートルおよび間隔９５マイクロメートルの例示的なサンプルで第２の試験を行った（線Ｄ）。両方のサンプルを対照サンプルと同じ材料で構成した。図３８の線Ｃ、Ｄで示すように、これらのサンプルは共に、比較的低い付着力曲線、特に各３つの線が約−１．５ｍＮのピーク付着力を示す点で、線Ａに示す平坦な対照サンプルの付着力と同様の付着力を示した。薄膜終端型隆起／谷構造は、このように付着力が比較的低いが、平坦なサンプルと比較して比較的高い滑り摩擦力を示す。そのような特徴は、低い付着性が転がり抵抗を小さくするが、高い滑り摩擦が制動に有用である自動車両タイヤなど、および滑りに対する抵抗が包帯を所定の位置に保持するが、弱い付着性が剥離による容易な取り外しを可能にする医療用包帯などの特定の用途で有益である。例えば、本発明に従った薄膜終端型隆起／谷構造を含む自動車両タイヤは、低い付着力特性による低い転がり抵抗、およびそれに伴う低いエネルギ損失と、高い滑り抵抗と、高い滑り摩擦力特性によって高められた停止／制動作用とを示す。
図３９は、本発明による薄膜終端型隆起構造の周期的な隆起間隔に応じた正規化付着力の図表である。この図表では、表面近傍構造物を有する各構造化サンプルで測定した付着力は、その付着力を平坦な対照サンプルＡの付着力で除することで正規化されている。この図表は、３０マイクロメートル（Ｄ３０）または４０マイクロメートル（Ｄ４０）の異なる隆起高さを有する例示的な薄膜終端型隆起／谷構造の場合、正規化した力が実質的に一定のままであり、広範な隆起間隔（０〜１２０マイクロメートル）にわたり、平坦な構造化されていない対照の正規化した力と実質的に等しいことを示している。これは、小繊維間の間隔が広がるにつれて、平坦な対照と比較して大幅に増大する薄膜終端型小繊維構造の付着力と異なっている。
なお、一般的に、所与の隆起高さに対してより狭い隆起間の間隔は、折り重なり変形モードを引き起こすのに不十分なことがある。隆起間の間隔が広がると、この間隔は、特定の負荷状態に応じて薄膜／隆起部がゆがみ、一連の折り重なりが形成される限界値に達する。他の固定パラメータの場合、薄膜の厚さを薄くすることで、通常、曲げ剛性の低下によってこの効果が高められる。隆起高さが不十分な場合、薄膜は基材上で崩壊して基材に付着し、折り重なり変形モードが得られない。さらに、隆起間の間隔が広すぎる場合、同様のことが起こり、薄膜が基材上で崩壊して基材に付着し、折り重なり変形モードが得られない。
表面近傍構造物のパラメータは、摩擦力を増大させることが望ましい場合、特定の負荷状態下で折り重なりが生じるのを保証するか、摩擦力を小さくすることが望ましい場合、特定の負荷状態下で折り重なりが生じないのを保証するかのいずれかのために、パラメータの組み合わせを選択することで本発明に従って制御することができる。
隆起高さを超える隆起間隔を有する薄膜終端型隆起構造は、平坦な対照サンプルと比較して、高められた滑り摩擦特性を示す構造をもたらすことが確認された。しかし、終端薄膜が崩壊してその下の基材に付着する前に、どの程度の広い間隔をあけることができるかに関する限界、および平坦な対照サンプルと比較して滑り摩擦特性が強化されないか、実質的に強化されない限界があることが理解される。
高められた滑り摩擦特性を示し、薄膜崩壊を回避する薄膜終端型隆起／谷構造は、以下の条件が満たされるように、以下のパラメータの組み合わせを選択することで設計することができる。
Ｓは隆起の間隔周期（隆起の中心線間の距離）であり（ｍ）、
Ｇはエラストマーの剪断弾性係数であり（Ｎ／ｍ２）、
ｈは終端薄膜の厚さであり（ｍ）、
Ｄはメートルで表した隆起高さである（ｍ）。
さらに、パラメータは、接触領域に入ったばかりの終端薄膜が、負荷がかかっている間に終端薄膜に伝達される圧縮負荷を受けてゆがむ効果をもたらして、内部の折り重なりおよび高い滑り摩擦を生じさせるように選択されなければならない。このゆがみは、滑り摩擦を増大させるか、増大した滑り摩擦の特徴を示している。これは、以下の条件が満たされるように、以下のパラメータの組み合わせを選択することで達成することができる。
τは接触領域の平均摩擦応力であり（Ｎ／ｍ２）、
Ｅ＊は材料の弾性の平面歪みヤング率であり（Ｎ／ｍ２）、
Ｓは隆起の間隔周期であり（ｍ）、
ｈは薄膜の厚さであり（ｍ）、
Ｄは隆起高さであり（ｍ）、
ｃは隆起幅である（ｍ）。
適切な組み合わせでパラメータを選択することで、滑り摩擦を３倍以上増大させることができる。例として、τの典型的な値は２００ｋＰａ（２００，０００Ｎ／ｍ２）であり、ゴム平面歪み弾性係数の典型的な値は１０ＭＰａである。ｈ＝ｃ＝１０μｍおよびＤ＝３０μｍを選択した場合、この式から、間隔Ｓは約１００μｍを超えなければならないことが分かる。別の例として、同じ摩擦および平面歪み弾性係数に対してｈ＝ｃ＝１００μｍおよびＤ＝３００μｍを選択した場合、Ｓは１ｍｍを超える必要がある。例として、乗用車に共通のサイズの範囲内の自動車両は、以下の範囲に入るパラメータを有する隆起／谷構造を導入することにより、低い転がり抵抗と高い滑り摩擦とを示す薄膜終端型隆起／谷表面近傍構造物を組み込むことができる。
多くの商業的用途に対して、これらのパラメータの典型的な値として、τは５０ｋＰａ〜１０００ｋＰａの範囲を取り、Ｅ＊は一般的に数ＭＰａであり、Ｓは１００μｍ〜１０ｍｍの範囲を取り、ｈは１０μｍ〜１ｍｍの範囲を取り、Ｄは１０μｍ〜１ｍｍの範囲を取る。
本発明による特定の実施形態が説明されたが、本発明は、説明した実施形態にのみ限定されるものではない。本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、説明した実施形態の任意のものに対する様々な変更形態および／または修正形態がなされる。また、説明した実施形態の要素、ステップ、特徴、および／または態様の様々な組み合わせが、本明細書に明示されていないとしても可能でありかつ企図されている。
Claims (29)
- 異方性の表面近傍構造物を有する弾性部材であって、
エラストマー材料で構成された単体を含み、前記単体は、
下面および上面を有する支持層と、
前記支持層の上面から延びる複数の隆起部材であって、前記複数の隆起部材はそれぞれ前記上面に沿って伸長しかつ先端部で終端する複数の隆起部材と、
前記複数の隆起部材の先端部に接合された接触薄膜層と
を備える、弾性部材。 - 請求項１に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材のうち隣接する隆起部材は、間にある谷部によって分離されている、弾性部材。 - 請求項２に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材のうち隣接する隆起部材間に画定された前記谷部はそれぞれ、共通する長方形の断面を有している、弾性部材。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材は、平行に離間した関係で延びている、弾性部材。 - 請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材はそれぞれ、その全長に沿って実質的に一定である幅を有している、弾性部材。 - 請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材は、共通の幅を有している、弾性部材。 - 請求項１〜６のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材は、共通する長方形の断面を有している、弾性部材。 - 請求項１〜７のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記弾性部材はエラストマー材料で構成され、前記エラストマー材料の平坦なサンプルは滑り摩擦特性を示し、前記弾性部材は前記平坦なサンプルの滑り摩擦特性よりも約１．１〜約４．０倍だけ大きくなる滑り摩擦特性を示す表面近傍構造物を有している、弾性部材。 - 請求項１〜７のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記弾性部材はエラストマー材料で構成され、前記エラストマー材料の平坦なサンプルは滑り摩擦特性を示し、前記弾性部材は前記平坦なサンプルの滑り摩擦特性の約０．９９〜約０．２倍だけ小さくなる滑り摩擦特性を示す表面近傍構造物を有している、弾性部材。 - 請求項１〜９のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記弾性部材は、前記接触薄膜層との接触面の滑り接触時において所定の負荷状態の下で接触領域の前縁に隣接する前記接触薄膜層のゆがみを引き起こすように組み合わせて選択される材料特性、隆起幅、隆起間隔、隆起高さ、および接触薄膜厚さを有するように構成されている、弾性部材。 - 異方性の表面近傍構造物を有する弾性部材であって、
下面および上面を有し、前記下面と前記上面との間の厚さを画定する支持層と、
前記支持層の上面から延びる複数の隆起部材であって、前記複数の隆起部材はそれぞれ前記上面に沿って伸長しかつ約２μｍ〜約１０００μｍの幅を有し、前記複数の隆起部材はそれぞれ前記幅の約２〜約７倍の距離だけ延びかつ先端部で終端し、前記複数の隆起部材のうち隣接する隆起部材は前記幅の約２〜約１５倍の間隔で分離されている複数の隆起部材と、
前記複数の隆起部材の先端部に接合され、前記隆起部材の幅の約０．２５〜約５倍の厚さを有する接触薄膜層と
を備える、弾性部材。 - 請求項１１に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材はそれぞれ、約５μｍ〜約１００μｍの幅を有している、弾性部材。 - 請求項１１または１２に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材はそれぞれ前記上面に沿って均一に離間され、前記複数の隆起部材のうち隣接する隆起部材間の間隔はそれぞれの谷部を画定している、弾性部材。 - 請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材のうち隣接する隆起部材は、約１００μｍ〜約１３０μｍの間隔で分離されている、弾性部材。 - 請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記複数の隆起部材はそれぞれ、略長方形の断面を有している、弾性部材。 - 高められた摩擦特性を提供するための表面近傍構造物を有する弾性部材であって、
下面および上面を有する支持層と、
支持部材の配列であって、前記配列の各支持部材は前記支持層の上面から距離（Ｄ）だけ延びかつ断面形状を有し、離間された支持部材の配列のうち隣接する支持部材は間隔（Ｓ）で分離されている支持部材の配列と、
複数の支持部材の先端部に接合され、厚さを有する薄膜層と
を含み、
前記支持層、前記支持部材の配列、および前記薄膜層は、それぞれの材料特性を有する材料で構成され、
材料、距離、前記断面形状、前記間隔、および前記薄膜層の厚さは、前記弾性部材の所定の負荷状態に応じて、前記支持部材の配列および前記薄膜層の少なくとも１つの折り重なりを生じさせるように組み合わせて選択される、弾性部材。 - 請求項１６に記載の弾性部材において、
前記弾性部材はエラストマー材料で構成され、前記エラストマー材料の平坦なサンプルは滑り摩擦特性を示し、前記弾性部材は前記平坦なサンプルの滑り摩擦特性よりも約１．１〜約４．０倍だけ大きくなる滑り摩擦特性を示す表面近傍構造物を有している、弾性部材。 - 請求項１６に記載の弾性部材において、
前記弾性部材はエラストマー材料で構成され、前記エラストマー材料の平坦なサンプルは滑り摩擦特性を示し、前記弾性部材は前記平坦なサンプルの滑り摩擦特性の約０．９９〜約０．２倍だけ小さくなる滑り摩擦特性を示す表面近傍構造物を有している、弾性部材。 - 高められた静摩擦特性を与える表面近傍構造物を有する弾性部材であって、
下面および上面を有し、前記下面と前記上面との間の厚さを画定する支持層と、
配列として配置された複数の小繊維であって、前記複数の小繊維はそれぞれ前記支持層の上面から延びかつ先端部で終端する複数の小繊維と、
角張った接合部で前記複数の小繊維の先端部に接合された接触薄膜層と
を備える、弾性部材。 - 請求項１９に記載の弾性部材において、
前記角張った接合部はそれぞれ半径を有するものとして近似的に表わされるフィレットを画定し、前記半径は約２マイクロメートル未満である、弾性部材。 - 請求項１９に記載の弾性部材において、
前記複数の小繊維はそれぞれ幅を有し、前記角張った接合部はそれぞれ前記小繊維の幅の約５０％未満の半径を有するものとして近似的に表わされるフィレットを画定している、弾性部材。 - 請求項１９に記載の弾性部材において、
前記複数の小繊維はそれぞれ幅を有し、前記角張った接合部はそれぞれ前記小繊維の幅の約２０％未満の半径を有するものとして近似的に表わされるフィレットを画定している、弾性部材。 - 請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記角張った接合部は、
未硬化の接触薄膜層を部分的に硬化させて、それを液体状態から実質的に固体であるが完全には硬化していない状態にし、
前記実質的に固体であるが完全には硬化していない接触薄膜層を前記複数の小繊維の先端部と接触させ、
前記接触薄膜層をさらに硬化させて、前記小繊維の接触薄膜層への接合を引き起こすことによって形成される、弾性部材。 - 請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記角張った接合部は、前記弾性部材を、前記角張った接合部を含むように一体部材とすることによって形成される、弾性部材。 - 請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記複数の小繊維はそれぞれ、前記接触薄膜層との接合部に隣接する変化しない実質的に一定の断面を有している、弾性部材。 - 請求項１９〜２５のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記弾性部材はエラストマー材料で構成され、前記エラストマー材料の平坦なサンプルは滑り摩擦特性を示し、前記弾性部材は前記平坦なサンプルの滑り摩擦特性よりも約１．１〜約２．５倍だけ大きくなる滑り摩擦特性を示す表面近傍構造物を有している、弾性部材。 - 請求項１９〜２６のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記弾性部材はエラストマー材料で構成され、前記エラストマー材料の平坦なサンプルは静摩擦特性を示し、前記弾性部材は前記平坦なサンプルの静摩擦特性よりも約１．１〜約３．０倍だけ大きくなる静摩擦特性を示す表面近傍構造物を有している、弾性部材。 - 請求項１９〜２７のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記配列は、四角形パターンで配置された小繊維を含む、弾性部材。 - 請求項１９〜２７のいずれか一項に記載の弾性部材において、
前記配列は、六角形パターンで配置された小繊維を含む、弾性部材。
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