纳米机械测试技术已经成为一个受欢迎的定量方法,满足机械性能的决心。Nanoindentation是一个检测depth-sensing缩进技术,尤其适合表征涂层和其他surface-engineered表面。极低的力和位移噪声地板,随着高度的定位精度,使材料性能的高空间分辨率采集的千分尺single-nanometer长度尺度。

从概念上讲,nanoindentation是一个简单的技术,著名的硬度计压头探针几何是进入和退出了材料表面而力、位移和时间不断记录。噪音极低的力和位移2层100 nN和可从选择仪器制造商和允许定量力学性能测量薄膜的表面处理层和小结构特点。

主要属性提取最常使用nanoindentation试样的弹性模量和硬度。此外,通过使用免费的技术存储和损耗模量,屈服应力、断裂韧性、蠕变和应力松弛的研究中,应变速率敏感性,界面和表面附着力,力学性能依赖于温度,电接触电阻可以方便地测量。横向探头运动可以用来研究表面的摩擦学的行为,包括划痕和mar阻力,磨损性能和摩擦系数。相结合,这些技术允许研究人员容易调查广泛的机械和摩擦学性能的材料在亚微米范围内。188金宝搏bet官网

背景

缩进或硬度测试利用已有一个多世纪对物质特性和质量控制的目的。1通常情况下,这样一个测试包括应用静态加载一段时间的硬度计压头探针,撤出调查和光学测量的面积残余硬度的印象。测量的必要性的面积征收较低的残留印象限制的规模和精度测试,和相对较大的利用部队生产样品材料/几何限制,对薄膜的不敏感和定位精度较差。

相比传统的硬度测试、nanoindentation测试同时记录渗透的深度和应用负载在装卸循环(图1),可以定量测量力学性能即使在压痕太小成像方便。力-位移曲线作为机械指纹,提供了大量的信息关于材料的变形行为在整个缩进周期,使电影失败的考试可能的模式下接触激发压力。

最常用的分析方法获得的硬度和模量的值是首先由Doerner Nix2,后来改进了奥利弗和Pharr.3弹性和塑性变形发生在加载的硬度印象形式,而在卸载它假定只恢复弹性位移。硬度计压头的总位移探针是一笔塑料接触深度、hc,弹性深度,海关,这是表面的弹性挠曲载荷:

表面的弹性位移的周长却提示接触/样品可以获得接触解决方案:

 是 tip-dependant 几何 因子 和 S 卸货 接触 刚度 或 卸载 曲线 的 斜率 最大 load. 吗卸载曲线的形状可以近似幂律的关系:

 和 米 幂 律 拟 合 常数 和 高频 是 最后 的 残余 硬度 impression. 深度的截面示意图表示通过一个缩进显示变形加载期间可以找到如图2所示。

硬度的定义是载荷除以预计接触面积的缩进,A,或材料的平均接触压力载荷将支持:

模量降低,呃,可以确定从最初的卸载曲线的斜率,年代,由方程

是弹性接触的投影面积。降低模量弹性位移占当前缩进时提示和示例。衡量合规(1 / S)的样本和弹簧的硬度计压头尖端可以组合系列:

E 和  的 弹性 模 量 和 poisson's 比 indenter, i, 和 sample, s, respectively. 吗

这个方法已经成为主要的和可能最具吸引力的技术决定机械性能的小材料卷因为压痕硬度和模量降低值可以直接确定载荷和位移测量无需图像残余硬度的印象。因为硬度计压头几何形状从来都不是真正的理想,接触面积与深度之间的关系可以通过执行建立缩进在一系列的渗透深度特征明显的参考材料和使用方程求解接触面积5。

横截面积之间的关系的联系和接触深度称为尖端区域功能,可以适合multi-term多项式函数的形式:

在C0……Cn是常系数确定的曲线拟合。

通常情况下,熔融石英是参考材料用于提示区校准,因为它是弹性各向同性,恒模量作为压痕深度的函数。图3和图4显示地形SPM(扫描探针显微镜)的形象印象造成不同深度缩进在石英和由此产生的力-位移曲线,分别。

汽车的纳米机械测试实验确定Nanoindentation

三个不同的专有聚氨酯汽车实验确定了领先的涂料制造商。涂料是10微米的厚度和粘贴到钢基体上。所有nanoindentation测试使用一下钻石硬度计压头进行调查。利用压痕载荷函数由一个5秒钟线性加载峰值负载,一段20秒控股在最大负载最小化蠕变对测试结果的影响,和一个线性卸载段5秒。十五nanoindentation每个实验测试进行,最多使用500µN的负载。——原地SPM成像是使用每个缩进,以确保测试前放置在没有缺陷区域的涂层最大化测试的准确性和可重复性。

现场SPM成像技术,利用硬度计压头探针提供地形图像通过光栅扫描探针在样品表面。图5显示了每个缩进的力-位移图进行涂层,B和c,可以看到从原始的力和位移数据有明显的差异三个聚氨酯涂料的力学性能测试。

平均每个涂层的硬度和模量降低值测试可以在图6中找到。大量属性差异之间的涂料。测试深度,涂料A, B和C平均模量的值降低3.54±0.01 GPa, GPa 5.20±0.08, 5.84±0.05绩点和平均硬度值为196.6±1.6 MPa, 328.3±7.1 MPa和424.9±9.5 MPa,分别。

高分子材料在自由表面188金宝搏bet官网附近可以有属性,大大偏离散装材料属性。4 Nanoindentation深度剖析每个实验来确定机械性能实验进行深度的函数到涂层。压痕载荷之间的增量变化20µN和8500年µN获得大范围的穿透深度。图7和8显示了模量和硬度值作为深度的函数分别从涂层的表面。硬度和模量降低减少压痕深度的函数对所有三种涂料。涂层B和C具有相对稳定性质的穿透深度约300海里,而涂层显示不断减少属性。确定和调整的能力这样的房地产趋势可以起到重要的辅助作用改变涂料配方和工艺条件最大化产品性能和可靠性。

纳米划痕测试/ Mar阻力

涂层外观和可靠性的重要因素是能够抵抗抓挠和破坏。有很多测试方法量化的划痕和mar电阻涂料,但允许更精确地控制条件比纳米划痕测试技术。划痕测试是理解的基础变形之间的关系,消除机制和形态。5能力评估损害发生的类型和预测划痕的行为是重视tribologists和高分子材料科学家。

在scratch中测试,一个力应用于抓探测器在正常的方向是同时在样品表面横向移动。法向力和侧向位移控制,而同时侧向力和正常的位移记录作为时间的函数。从这些力和位移测量,综合信息有关材料的nanoscratch属性可以推导出。

几个增加执行力划痕测试涂层样品使用60°圆锥划痕探针与5µm曲率半径的小费。抓探针几何和材料可以根据模拟实际滑动艰苦的条件。抓加载函数由一个线性增加的应用正常负载从0 mN 50 mN的侧向位移500µm在50秒。图9显示的正常位移抓调查涂层作为侧向位移的函数。底部的曲线代表的正常位移探针在实际周期,而顶部的曲线显示了残留表面变形的程度。平均每个曲线获得五个划痕测试每个涂层样品。涂层B和C具有几乎相同的初始渗透率和残余划痕深度,而涂层显示瞬时和残余划痕深度要大得多。图10显示了代表微分干涉对比(DIC)的光学显微镜图从头划痕形貌测试进行三个实验样本。

划痕深度复苏的百分比计算,以恢复位移(ds - dr)和除以瞬时穿透深度在抓挠,ds:

图11显示了百分比穿透深度恢复侧向位移的函数50 mN增加力划痕进行聚氨酯涂料。约100µm深度复苏的百分比稳定三个涂层系统,涉及10 mN应用正常的力量。这一点后,残余抓跟踪深度仍然是一个固定比例的瞬时穿透深度达到在挠。

从图10中我们可以看到划伤变形是一种韧性50 mN耕作过程增加力量划痕在所有三个聚氨酯实验确定。一些表面特征导致划伤变形行为,包括摩擦系数。聚合物具有高摩擦系数往往出现龟裂,开裂、脱胶和空化类型的脆性破坏。6此外,增加摩擦系数会移动的位置抓过程中产生的塑性区向表面的涂层。图12显示了DIC光学显微图100 mN的增加迫使划痕在每个涂层样品。

在图12中显然可以看出,同一组抓条件产生不同程度的变形在每个涂层。图13显示了耕作摩擦或侧向力测量的应用比正常负载超过50 mN增加力量的持续时间周期。

结论

三个聚氨酯汽车使用nanoindentation和nanoscratch测试技术实验进行了测试。实质性的差异测量其力学性能梯度和属性,最终可以与涂层性能和可靠性。纳米机械测试包含一组强大的技术用于定量描述满足力学性能和材料变形行为。这些技术可以很容易地允许研究人员容易结合起来研究广泛的机械和摩擦学性能的材料在亚微米尺度。188金宝搏bet官网

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