close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14928

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14928
(13) C1
(19)
G 01N 3/00
(2006.01)
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО РАДИУСА
КОНТАКТНОГО НАКОНЕЧНИКА ИНДЕНТОРА ПРИ
НАНОИНДЕНТИРОВАНИИ УПРУГОГО ИЛИ ВЯЗКОУПРУГОГО
ПОЛИМЕРНОГО ИЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
BY 14928 C1 2011.10.30
(21) Номер заявки: a 20080808
(56) BRISCOE B.J. et al. J. Phys. D: Appl. Phys.. (22) 2008.06.18
1994. - No. 27. -P.1156-1162.
(43) 2010.02.28
RU 2002237 C1, 1993.
(71) Заявители: Государственное научное
SU 1302174 A1, 1987.
учреждение "Институт прикладной
SU 1758501 A1, 1992.
физики Национальной академии наук
SU 712737, 1980.
Беларуси"; Государственное научное
SU 1420453 A1, 1988.
учреждение "Институт тепло- и массоРУДНИЦКИЙ В.А. и др. Испытание
обмена имени А.В.Лыкова Национальэластомерных материалов методами
ной академии наук Беларуси" (BY)
индентирования. - Минск: Белорусская
(72) Авторы: Рудницкий Валерий Аркадьнаука, 2007. - С. 142-143.
евич; Крень Александр Петрович;
КРЕНЬ А.П. и др. Заводская лаборатоЧижик Сергей Антонович; Абетковрия // Диагностика материалов. - 2002. ская Светлана Олеговна (BY)
Т. 68. - № 12. - С. 56-60.
(73) Патентообладатели: Государственное
научное учреждение "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси"; Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Способ определения эффективного радиуса контактного наконечника индентора при
наноиндентировании упругого или вязкоупругого полимерного или биологического материала, заключающийся в том, что вначале в образец из упругого или вязкоупругого полимерного или биологического материала вдавливают индентор со сферическим наконечником
с известным радиусом R с заданной скоростью V на заданную глубину αзад, регистрируют
диаграмму вдавливания P(α) индентора со сферическим наконечником в виде зависимости значений контактной силы P от глубины вдавливания индентора α, определяют из
диаграммы вдавливания индентора со сферическим наконечником модуль упругости материала E, затем вдавливают в ту же точку образца с той же скоростью V на ту же глубину
αзад индентор с исследуемым наконечником, регистрируют диаграмму вдавливания P(α)
индентора с исследуемым наконечником в виде зависимости значений контактной силы P
от глубины вдавливания индентора α, определяют из диаграммы вдавливания индентора с
исследуемым наконечником работу деформирования A и определяют эффективный радиус Rэфф исследуемого наконечника из выражения:
BY 14928 C1 2011.10.30
A 2 (1 − µ 2 ) 2
,
E 2α 5зад
где µ - коэффициент Пуассона, для полимерного материала равный 0,5.
R эфф = 3,5
Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к оценке радиуса
контактного наконечника индентора, являющегося основным элементом в установках
наноиндентирования для контроля свойств полимерных материалов, включая биологические объекты, и может использоваться в промышленности и медицине при создании новых видов вязкоупругих материалов.
Известен способ определения радиуса контактного наконечника индентора путем использования сканирующего электронного микроскопа [1]. Недостатком является сложность получения видеоизображения вследствие необходимости покрытия индентора
проводящим материалом. Кроме того, форма индентора, как правило, не является телом
вращения, вследствие чего оценка формы и размеров по изображению в одной плоскости
не позволяет получить достоверные сведения о геометрических параметрах в целом.
Известен способ определения радиуса контактного наконечника индентора при наноиндентировании путем использования оптического микроскопа [2]. Недостатком является
большая погрешность измерения (до 10 %).
Наиболее близким к заявляемому способу является способ [3] для определения модуля
упругости материалов, основанный на использовании атомно-силового микроскопа в режиме квазистатического индентирования, осуществляющего вдавливание индентора в материал, регистрации контактного усилия P и перемещения индентора α, т.е. получение
диаграммы вдавливания P = f(α), и вычислении модуля упругости по наклону прямой, построенной в координатах P–αn (где n - показатель степени, зависящий от формы индентора). Недостатком является невозможность вычисления радиуса наконечника индентора,
если n не является равным 3/2, даже если величина модуля упругости E известна. Если не
определен радиус контактного наконечника индентора, то, следовательно, будет отсутствовать возможность использования различных существующих методик определения физико-механических и реологических характеристик материалов, разработанных для
сферического наконечника.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в определении эффективного радиуса наконечника, значение которого обеспечивает получение
максимально близкой диаграммы вдавливания к диаграмме, получаемой экспериментально, и который может быть принят при расчетах физико-механических свойств материалов
по известным методикам.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что с целью определения эффективного радиуса контактного наконечника индентора вдавливают индентор с известным
радиусом R с заданной скоростью на глубину αзад в образец из упругого или вязкоупругого полимерного или биологического материала, определяют значение модуля упругости
материала E. Затем производят повторное вдавливание индентора, эффективный радиус
которого нужно установить, в ту же точку образца с той же скоростью на ту же глубину
αзад, записывают диаграмму вдавливания P(α), определяют из диаграммы P(α) работу деформирования A, равную площади под кривой вдавливания, и вычисляют эквивалентный
эффективный радиус наконечника индентора по формуле:
A 2 (1 − µ 2 ) 2
R эфф = 3,5
.
E 2 α 5зад
Положительный эффект предлагаемого способа заключается в возможности определения эффективного радиуса контактного наконечника индентора на наномасштабном
уровне путем использования атомно-силового микроскопа в режиме индентирования, т.е.
2
BY 14928 C1 2011.10.30
путем вдавливания индентора в любой упругий или вязкоупругий материал, и применения
известных зависимостей для расчета физико-механических характеристик материала.
На фигуре приведены диаграмма вдавливания индентора с известным радиусом наконечника и диаграмма вдавливания индентора, эффективный радиус которого подлежит
определению.
Согласно предлагаемому способу, определение эффективного радиуса контактного
наконечника индентора происходит следующим образом. Вначале в упругий или вязкоупругий материал с помощью атомно-силового микроскопа производят вдавливание индентора со сферическим наконечником с известной величиной радиуса R с заданной
скоростью V на заданную глубину αзад, регистрируют изменение контактной силы P и перемещения α. С помощью формулы Герца:
3
4
E
2 ,
P=
α
R
3
1 − µ2
где µ - коэффициент Пуассона (для полимерных материалов µ принимается равным 0,5),
определяют модуль упругости E испытуемого образца. Затем производят повторное вдавливание индентора, эффективный радиус наконечника которого требуется определить, в
ту же точку образца на глубину αзад с заданной скоростью V, регистрируют при этом диаграмму P(α) изменения контактной силы P и перемещения α, определяют из диаграммы
P(α) работу деформирования A путем интегрирования:
α зад
A=
∫ Pdα ,
0
и вычисляют эквивалентный эффективный радиус наконечника индентора по формуле:
A 2 (1 − µ 2 ) 2
R эфф = 3,5
.
E 2 α 5зад
Рассмотрим определение эффективного радиуса наконечника индентора на конкретном примере испытания образца из полиуретана при скорости перемещения индентора
нм
V = 0,459
. Вначале проводим вдавливание индентора, имеющего известный радиус,
мс
равный 130 нм, до достижения глубины 40 нм и регистрируем диаграмму вдавливания в
виде зависимости контактной силы P от глубины вдавливания α, которая отображена кривой 1 на фигуре. Поскольку используется сферический наконечник, то кривая 1 описывается уравнением Герца:
3
4
E
2 .
P=
α
R
3
1 − µ2
Для того чтобы определить из этого уравнения модуль упругости E, путем логарифмирования преобразовываем его к выражению:
4
E
3
lg P = lg( R
) + lg α .
2
3
1− µ
2
Далее, построив зависимость в координатах: lgP = f(lgα) и аппроксимировав ее по меE
4
тоду наименьших квадратов прямой линией, определяем сначала lg( R
) = 4,46 , и
1− µ2
3
далее, подставив R = 130 нм и µ = 0,5, рассчитаем E = 45 МПа.
Затем производим повторное вдавливание в ту же точку образца индентором, эквивалентный эффективный радиус наконечника которого нужно определить, на глубину
αзад = 40 нм и регистрируем диаграмму вдавливания P(α) (фигура, кривая 2). Полученная
диаграмма P(α), ввиду неизбежных геометрических несовершенств, отличается от диа-
3
BY 14928 C1 2011.10.30
граммы вдавливания чисто сферического наконечника. При этом степенной показатель
при α будет отличаться от 3/2.
Для оценки эквивалентного эффективного радиуса Rэфф производим численный расчет
работы деформирования при вдавливании исследуемого индентора путем интегрирования
полученной экспериментальной диаграммы. Для нашего случая:
A1 =
α max
∫ Pdα = 2,85 ⋅10
−15
Дж .
0
Исходя из сохранения постоянства работы деформирования на глубину αзад, диаграмма Р(α), которая соответствовала бы вдавливанию индентора со сферическим наконечником, имеющим эффективный радиус Rэфф, и которая имела бы минимальное отличие от
реальной диаграммы, будет описываться уравнением:
3
4
E
2.
P=
α
R эфф
3
1 − µ2
Определим работу деформирования для этого индентора:
α зад
5
4
E
E
3
2
2
α
α
=
α
A2 = ∫
R эфф
d
0
,
53
R
эфф
зад .
2
2
3
1− µ
1− µ
0
Приравнивая A1 = A2 = A, с учетом определенного модуля упругости Е = 45 МПа и известной величины αзад = 40 нм определим эквивалентный эффективный радиус наконечника индентора:
A 2 (1 − µ 2 ) 2
= 77,4 нм .
R эфф = 3,5
E 2 α 5max
На фигуре показана расчетная зависимость (кривая 3), описывающая внедрение индентора с принятым эффективным радиусом индентора.
Предлагаемый способ позволяет определять в наномасштабном значении с достаточной для практики точностью эффективный радиус наконечника индентора, который может быть принят при расчетах физико-механических свойств материалов по известным
методикам. Оценка эффективного радиуса наконечника индентора, полученная согласно
предлагаемому способу, не требует применения специального оборудования, а производится с помощью атомно-силового микроскопа, на котором и предполагается дальнейшее
использование индентора для определения свойств вязкоупругих материалов.
Источники информации:
1. Considine R. F. et al., Langmuir, 2001. - Vol. 17 - P. 6325-6335.
2. Neto С. et al., Langmuir, 2001. - Vol. 17. - P. 2097-2099.
3. BRISCOE BJ. et al. J. Phys. D: Appl. Phys. - 1994. - No. 27. - P. 1156-1162.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
120 Кб
Теги
by14928, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа