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AR Monatliches Archiv: April 2020
Analyse von Verbundwerkstoffen mit 3D-Profilometrie
Die Bedeutung der berührungslosen Profilometrie für Verbundwerkstoffe
Es ist von entscheidender Bedeutung, dass Defekte minimiert werden, damit die Verbundwerkstoffe bei Verstärkungsanwendungen so stark wie möglich sind. Da es sich um ein anisotropes Material handelt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Geweberichtung konsistent ist, um eine hohe Leistungsvorhersage zu gewährleisten. Verbundwerkstoffe haben eines der höchsten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse und sind daher in einigen Fällen stärker als Stahl. Es ist wichtig, die exponierte Oberfläche von Verbundwerkstoffen zu begrenzen, um die chemische Anfälligkeit und die Auswirkungen der Wärmeausdehnung zu minimieren. Die profilometrische Oberflächenprüfung ist für die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Leistungsfähigkeit über eine lange Nutzungsdauer zu gewährleisten.
Nanoveas Berührungsloses 3D-Profilometer unterscheidet sich von anderen Oberflächenmesstechniken wie Tastsonden oder Interferometrie. Unsere Profilometer verwenden axialen Chromatismus, um nahezu jede Oberfläche zu messen, und die offene Lagerung ermöglicht Proben jeder Größe, ohne dass eine Vorbereitung erforderlich ist. Nano- bis Makromessungen werden während der Oberflächenprofilmessung ohne Einfluss des Probenreflexionsvermögens oder der Probenabsorption erzielt. Unsere Profilometer messen problemlos jedes Material: transparent, undurchsichtig, spiegelnd, diffusiv, poliert und rau, mit der erweiterten Fähigkeit, große Oberflächenwinkel ohne Softwaremanipulation zu messen. Die berührungslose Profilometertechnik bietet die ideale und benutzerfreundliche Möglichkeit, die Oberflächenuntersuchungen von Verbundwerkstoffen zu maximieren. zusammen mit den Vorteilen der kombinierten 2D- und 3D-Fähigkeit.
Messung Zielsetzung
Das Nanovea HS2000L Profilometer, das in dieser Anwendung verwendet wird, misst die Oberfläche von zwei Geweben aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Oberflächenrauhigkeit, Gewebelänge, Isotropie, Fraktalanalyse und andere Oberflächenparameter werden zur Charakterisierung der Verbundwerkstoffe verwendet. Der gemessene Bereich wurde nach dem Zufallsprinzip ausgewählt und als groß genug angenommen, damit die Eigenschaftswerte mit der leistungsstarken Oberflächenanalyse-Software von Nanovea verglichen werden können.
Ergebnisse und Diskussion
Oberflächenanalyse
Die Höhenparameter bestimmen, wie rau Verbundwerkstoffteile mit einem geringen Faser-Matrix-Verhältnis sein werden. Unsere Ergebnisse vergleichen verschiedene Gewebetypen und Gewebe zur Bestimmung der Oberflächengüte nach der Verarbeitung. Die Oberflächenbeschaffenheit wird bei Anwendungen kritisch, bei denen die Aerodynamik eine Rolle spielen kann.
Isotropie
Isotropie zeigt die Richtungsabhängigkeit des Gewebes, um die erwarteten Eigenschaftswerte zu bestimmen. Unsere Studie zeigt, dass der bidirektionale Verbundwerkstoff wie erwartet ~60% isotrop ist. In der Zwischenzeit ist der unidirektionale Verbundwerkstoff ~13% isotrop, was auf die starke Einzelfaserrichtung der Faser zurückzuführen ist.
Webart-Analyse
Die Größe des Gewebes bestimmt die Konsistenz der Packung und die Breite der im Verbundstoff verwendeten Fasern. Unsere Studie zeigt, wie einfach es ist, die Gewebegröße bis auf den Mikrometer genau zu messen, um die Qualität der Teile sicherzustellen.
Textur-Analyse
Die Texturanalyse der dominanten Wellenlänge deutet darauf hin, dass die Strähnengröße bei beiden Verbundwerkstoffen 4,27 Mikrometer dick ist. Die Analyse der fraktalen Dimension der Faseroberfläche bestimmt die Glätte, um herauszufinden, wie leicht sich die Fasern in einer Matrix verfestigen. Die fraktale Dimension der unidirektionalen Faser ist höher als die der bidirektionalen Faser, was sich auf die Verarbeitung der Verbundwerkstoffe auswirken kann.
Schlussfolgerung
In dieser Anwendung haben wir gezeigt, dass das berührungslose Profilometer Nanovea HS2000L die faserige Oberfläche von Verbundwerkstoffen präzise charakterisiert. Wir haben Unterschiede zwischen den Gewebetypen von Kohlenstofffasern mit Höhenparametern, Isotropie, Texturanalyse und Abstandsmessungen und vieles mehr unterschieden.
Unsere Profilometer-Oberflächenmessungen mildern präzise und schnell Schäden an Verbundwerkstoffen, wodurch Defekte in Teilen verringert und die Leistungsfähigkeit von Verbundwerkstoffen maximiert werden. Die Geschwindigkeit der 3D-Profilometer von Nanovea reicht von <1mm/s bis 500mm/s und eignet sich für Forschungsanwendungen ebenso wie für die Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsinspektion. Das Nanovea-Profilometer ist die Lösung
für jeden Bedarf an zusammengesetzten Messungen.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Bewertung der Härte von biologischem Gewebe durch Nanoindentation
Bedeutung der Nanoindentierung von biologischem Gewebe
Herkömmliche mechanische Prüfungen (Härte, Adhäsion, Druck, Durchstoß, Streckgrenze usw.) erfordern in den heutigen Qualitätskontrollumgebungen mit einem breiten Spektrum fortschrittlicher Materialien - von Gewebe bis hin zu spröden Werkstoffen - mehr Präzision und Zuverlässigkeit. Herkömmliche mechanische Messgeräte bieten nicht die empfindliche Lastkontrolle und Auflösung, die für hochentwickelte Materialien erforderlich sind. Die Herausforderungen, die mit Biomaterialien verbunden sind, erfordern die Entwicklung mechanischer Tests, die eine genaue Kraftkontrolle bei extrem weichen Materialien ermöglichen. Diese Materialien erfordern sehr niedrige Prüfkräfte unter mN mit einem großen Tiefenbereich, um eine korrekte Messung der Eigenschaften zu gewährleisten. Darüber hinaus können mit einem einzigen System viele verschiedene mechanische Prüfungen durchgeführt werden, was eine größere Funktionalität ermöglicht. Dies ermöglicht eine Reihe wichtiger Messungen an Biomaterialien, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul, Verlust- und Speichermodul und Kriechen, sowie Kratzfestigkeit und Streckgrenze.
Messung Zielsetzung
In dieser Anwendung wird das mechanische Prüfgerät von Nanovea im Nanoindentationsmodus verwendet, um die Härte und den Elastizitätsmodul von 3 separaten Bereichen eines Biomaterialersatzes an fetten, hellen und dunklen Fleischbereichen von Prosciutto zu untersuchen.
Die Nanoindentation basiert auf den Normen für instrumentierte Eindrücke ASTM E2546 und ISO 14577. Dabei werden etablierte Methoden verwendet, bei denen eine Eindringspitze mit bekannter Geometrie mit einer kontrolliert ansteigenden Normallast in eine bestimmte Stelle des Prüfmaterials getrieben wird. Bei Erreichen einer voreingestellten Maximaltiefe wird die Normalkraft reduziert, bis eine vollständige Entspannung eintritt. Die Kraft wird von einem Piezoaktor aufgebracht und in einem Regelkreis mit einer hochempfindlichen Kraftmessdose gemessen. Während der Versuche wird die Position des Eindringkörpers relativ zur Probenoberfläche mit einem hochpräzisen kapazitiven Sensor überwacht. Die sich daraus ergebenden Kraft- und Verschiebungskurven liefern spezifische Daten über die mechanische Beschaffenheit des geprüften Materials. Mit Hilfe etablierter Modelle werden aus den Messdaten quantitative Härte- und Modulwerte berechnet. Die Nanoindentation eignet sich für Messungen mit geringer Belastung und Eindringtiefe im Nanometerbereich.
Ergebnisse und Diskussion
In den nachstehenden Tabellen sind die gemessenen Werte für Härte und Elastizitätsmodul mit Durchschnittswerten und Standardabweichungen aufgeführt. Eine hohe Oberflächenrauhigkeit kann aufgrund der geringen Größe des Eindrucks zu großen Abweichungen bei den Ergebnissen führen.
Der Fettbereich hatte etwa die Hälfte der Härte der Fleischbereiche. Die Fleischbehandlung bewirkte, dass der dunklere Fleischbereich härter war als der helle Fleischbereich. Elastizitätsmodul und Härte stehen in direktem Zusammenhang mit dem Kaugefühl der Fett- und Fleischbereiche. Der Fett- und der helle Fleischbereich haben nach 60 Sekunden eine höhere Kriechrate als das dunkle Fleisch.
Detaillierte Ergebnisse - Fett
Detaillierte Ergebnisse - Leichtes Fleisch
Detaillierte Ergebnisse - Dunkles Fleisch
Schlussfolgerung
In dieser Anwendung ist Nanovea's mechanischer Prüfer Im Nanoindentationsmodus wurden die mechanischen Eigenschaften der Fett- und Fleischbereiche zuverlässig bestimmt und gleichzeitig die hohe Rauheit der Probenoberfläche überwunden. Dies demonstrierte die umfassende und unübertroffene Leistungsfähigkeit des mechanischen Testers von Nanovea. Das System ermöglicht gleichzeitig präzise Messungen der mechanischen Eigenschaften von extrem harten Materialien und weichen biologischen Geweben.
Die Kraftmesszelle im geschlossenen Regelkreis mit dem Piezotisch gewährleistet eine präzise Messung von harten oder weichen Gelmaterialien von 1 bis 5 kPa. Mit demselben System ist es möglich, Biomaterialien bei höheren Belastungen bis zu 400N zu testen. Für Ermüdungsprüfungen können mehrere Belastungszyklen verwendet werden, und mit einer flachen zylindrischen Diamantspitze können Informationen über die Streckgrenze in jeder Zone gewonnen werden. Darüber hinaus können mit der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) die viskoelastischen Eigenschaften, der Verlust und die Speichermodule mit hoher Genauigkeit unter Verwendung der Laststeuerung im geschlossenen Regelkreis bewertet werden. Tests bei verschiedenen Temperaturen und unter Flüssigkeiten sind mit demselben System ebenfalls möglich.
Das mechanische Prüfgerät von Nanovea ist nach wie vor das beste Werkzeug für biologische und weiche Polymer/Gel-Anwendungen.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Bewertung der Abnutzung und des Kratzens von oberflächenbehandeltem Kupferdraht
Bedeutung der Bewertung von Verschleiß und Kratzern bei Kupferdraht
Kupfer wird seit der Erfindung des Elektromagneten und des Telegrafen seit langem für die elektrische Verdrahtung verwendet. Kupferdrähte werden dank ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Lötbarkeit und ihrer Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen von bis zu 150 °C in einer Vielzahl elektronischer Geräte wie Schalttafeln, Messgeräten, Computern, Geschäftsmaschinen und Haushaltsgeräten eingesetzt. Ungefähr die Hälfte des gesamten geförderten Kupfers wird für die Herstellung von elektrischen Drähten und Kabeln verwendet.
Die Oberflächenqualität von Kupferdrähten ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Anwendung. Mikrodefekte in Drähten können zu übermäßigem Verschleiß, Rissentstehung und -ausbreitung, verminderter Leitfähigkeit und unzureichender Lötbarkeit führen. Eine ordnungsgemäße Oberflächenbehandlung von Kupferdrähten beseitigt die beim Drahtziehen entstandenen Oberflächenfehler und verbessert die Korrosions-, Kratz- und Verschleißfestigkeit. Viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt mit Kupferdrähten erfordern ein kontrolliertes Verhalten, um unerwartete Ausfälle zu vermeiden. Um die Verschleiß- und Kratzfestigkeit der Kupferdrahtoberfläche richtig zu bewerten, sind quantifizierbare und zuverlässige Messungen erforderlich.
Messung Zielsetzung
In dieser Anwendung simulieren wir einen kontrollierten Verschleißprozess verschiedener Kupferdrahtoberflächenbehandlungen. Kratztests misst die Last, die erforderlich ist, um einen Ausfall der behandelten Oberflächenschicht zu verursachen. Diese Studie stellt den Nanovea vor Tribometer und Mechanischer Tester als ideale Werkzeuge zur Bewertung und Qualitätskontrolle elektrischer Leitungen.
Testverfahren und -abläufe
Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von zwei verschiedenen Oberflächenbehandlungen auf Kupferdrähten (Draht A und Draht B) wurden mit dem Nanovea-Tribometer unter Verwendung eines linear hin- und hergehenden Verschleißmoduls bewertet. Als Gegenmaterial kommt bei dieser Anwendung eine Al₂O₃-Kugel (6 mm Durchmesser) zum Einsatz. Die Verschleißspur wurde mit Nanovea untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Eine glatte Al₂O₃-Kugel als Gegenmaterial wurde in dieser Studie als Beispiel verwendet. Jedes feste Material mit unterschiedlicher Form und Oberflächenbeschaffenheit kann mit einer kundenspezifischen Vorrichtung aufgebracht werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.
Mit dem mechanischen Prüfgerät von Nanovea, das mit einer Rockwell-C-Diamantnadel (Radius 100 μm) ausgestattet ist, wurden Kratztests mit progressiver Belastung an den beschichteten Drähten im Mikrokratzmodus durchgeführt. Die Parameter des Kratztests und die Geometrie der Spitze sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Ergebnisse und Diskussion
Abnutzung von Kupferdraht:
Abbildung 2 zeigt die COF-Entwicklung der Kupferdrähte während der Verschleißtests. Draht A zeigt während des gesamten Verschleißtests einen stabilen COF von ~0,4, während Draht B in den ersten 100 Umdrehungen einen COF von ~0,35 aufweist, der dann schrittweise auf ~0,4 ansteigt.
Abbildung 3 vergleicht die Verschleißspuren der Kupferdrähte nach den Tests. Das berührungslose 3D-Profilometer von Nanovea bietet eine hervorragende Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren. Es ermöglicht eine direkte und genaue Bestimmung des Volumens der Verschleißspuren, indem es ein grundlegendes Verständnis für den Verschleißmechanismus liefert. Die Oberfläche von Draht B weist nach einem Verschleißtest mit 600 Umdrehungen erhebliche Verschleißspurenschäden auf. Die 3D-Ansicht des Profilometers zeigt, dass die oberflächenbehandelte Schicht von Draht B vollständig entfernt wurde, was den Verschleißprozess erheblich beschleunigte. Dies hinterließ eine abgeflachte Verschleißspur auf Draht B, wo das Kupfersubstrat freiliegt. Dies kann zu einer erheblich verkürzten Lebensdauer von elektrischen Geräten führen, in denen Draht B verwendet wird. Im Vergleich dazu weist Draht A einen relativ geringen Verschleiß auf, der sich in einer flachen Verschleißspur auf der Oberfläche zeigt. Die oberflächenbehandelte Schicht auf Draht A ließ sich nicht wie die Schicht auf Draht B unter denselben Bedingungen abtragen.
Kratzfestigkeit der Kupferdrahtoberfläche:
Abbildung 4 zeigt die Kratzspuren auf den Drähten nach der Prüfung. Die Schutzschicht von Draht A weist eine sehr gute Kratzfestigkeit auf. Sie delaminiert bei einer Belastung von ~12,6 N. Im Vergleich dazu versagt die Schutzschicht von Draht B bei einer Belastung von ~1,0 N. Ein solch signifikanter Unterschied in der Kratzfestigkeit dieser Drähte trägt zu ihrer Verschleißleistung bei, wobei Draht A eine wesentlich höhere Verschleißfestigkeit aufweist. Die Entwicklung der Normalkraft, des COF und der Tiefe während der Kratztests, die in Abb. 5 dargestellt sind, geben weitere Einblicke in das Versagen der Beschichtung während der Tests.
Schlussfolgerung
In dieser kontrollierten Studie stellten wir das Tribometer von Nanovea vor, das eine quantitative Bewertung der Verschleißfestigkeit von oberflächenbehandelten Kupferdrähten durchführt, und den mechanischen Tester von Nanovea, der eine zuverlässige Beurteilung der Kratzfestigkeit von Kupferdrähten ermöglicht. Die Oberflächenbehandlung von Drähten spielt eine entscheidende Rolle für die tribomechanischen Eigenschaften während ihrer Lebensdauer. Durch die richtige Oberflächenbehandlung von Drähten wird die Verschleiß- und Kratzfestigkeit erheblich verbessert, was für die Leistung und Lebensdauer elektrischer Drähte in rauen Umgebungen von entscheidender Bedeutung ist.
Das Tribometer von Nanovea bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Das unübertroffene Sortiment von Nanovea ist eine ideale Lösung zur Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme und Substrate.
