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Bewertung von Kratzern und Abnutzungserscheinungen bei industriellen Beschichtungen

INDUSTRIELLE BESCHICHTUNG

BEWERTUNG VON KRATZERN UND VERSCHLEISS MIT EINEM TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

EINFÜHRUNG

Urethan-Acrylfarbe ist eine schnell trocknende Schutzbeschichtung, die in einer Vielzahl industrieller Anwendungen wie Fußboden- und Autolackierung und anderen eingesetzt wird. Als Bodenfarbe kann sie in Bereichen eingesetzt werden, die stark begangen und befahren werden, z. B. Gehwege, Bordsteine und Parkplätze.

BEDEUTUNG VON KRATZ- UND VERSCHLEISSTESTS FÜR DIE QUALITÄTSKONTROLLE

Traditionell wurden Taber-Abriebtests durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit von Acryl-Urethan-Bodenbelägen gemäß der Norm ASTM D4060 zu bewerten. In der Norm heißt es jedoch: "Bei einigen Materialien können Abriebtests mit dem Taber Abraser aufgrund von Änderungen der Abriebeigenschaften des Rades während des Tests Schwankungen unterliegen. "1 Dies kann zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Testergebnisse führen und den Vergleich der von verschiedenen Labors gemeldeten Werte erschweren. Darüber hinaus wird bei den Taber-Abriebtests die Abriebfestigkeit als Gewichtsverlust bei einer bestimmten Anzahl von Abriebzyklen berechnet. Acryl-Urethan-Bodenfarben haben jedoch eine empfohlene Trockenschichtdicke von 37,5-50 μm2.

Der aggressive Abrieb durch den Taber Abraser kann die Acryl-Urethan-Beschichtung schnell abnutzen und zu einem Massenverlust des Substrats führen, was zu erheblichen Fehlern bei der Berechnung des Gewichtsverlusts der Farbe führt. Die Implantation von Schleifpartikeln in den Lack während des Abriebtests trägt ebenfalls zu Fehlern bei. Daher ist eine gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Messung von entscheidender Bedeutung, um eine reproduzierbare Bewertung der Abnutzung des Lacks zu gewährleisten. Darüber hinaus ist die Kratzertest ermöglicht es den Benutzern, vorzeitige Klebstoff-/Kohäsionsfehler in realen Anwendungen zu erkennen.

MESSZIEL

In dieser Studie stellen wir NANOVEA vor Tribometer und Mechanische Prüfgeräte eignen sich ideal zur Bewertung und Qualitätskontrolle von Industriebeschichtungen.

Mit dem NANOVEA Tribometer wird der Abnutzungsprozess von Acryl-Urethan-Fußbodenlacken mit verschiedenen Decklacken kontrolliert und überwacht simuliert. Mit Hilfe von Mikrokratztests wird die Belastung gemessen, die erforderlich ist, um ein kohäsives oder adhäsives Versagen des Lacks zu verursachen.

Kompaktes pneumatisches Tribometer T100
NANOVEA T100

Das kompakte pneumatische Tribometer

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NANOVEA PB1000

Das mechanische Prüfgerät mit großer Plattform

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TESTVORGANG

In dieser Studie werden vier handelsübliche Acrylbodenbeschichtungen auf Wasserbasis bewertet, die dieselbe Grundierung (Basecoat) und verschiedene Deckbeschichtungen mit derselben Rezeptur aufweisen, wobei die Additivmischungen zur Verbesserung der Haltbarkeit geringfügig geändert wurden. Diese vier Beschichtungen werden als Muster A, B, C und D bezeichnet.

ABNUTZUNGSTEST

Das NANOVEA Tribometer wurde zur Bewertung des tribologischen Verhaltens, z. B. Reibungskoeffizient, COF und Verschleißfestigkeit, eingesetzt. Auf die getesteten Lacke wurde eine SS440-Kugelspitze (Durchmesser 6 mm, Güteklasse 100) aufgetragen. Der COF wurde vor Ort aufgezeichnet. Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) bewertet, wobei V das verschlissene Volumen, F die normale Belastung, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Umdrehungen. Oberflächenrauheit und Verschleißspurprofile wurden von NANOVEA bewertet Optisches Profilometerund die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

PARAMETER DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

NORMALE KRAFT

20 N

SPEED

15 m/min

TESTDAUER

100, 150, 300 und 800 Zyklen

SCRATCH TEST

Mit dem NANOVEA-Mechanikprüfgerät, das mit einer Rockwell-C-Diamantnadel (Radius 200 μm) ausgestattet ist, wurden die Lackproben im Micro Scratch Tester-Modus unter progressiver Belastung geritzt. Es wurden zwei Endbelastungen verwendet: 5 N Endlast zur Untersuchung der Ablösung der Farbe vom Primer und 35 N zur Untersuchung der Ablösung des Primers von den Metallsubstraten. Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden an jeder Probe drei Tests unter denselben Bedingungen durchgeführt.

Panoramabilder der gesamten Kratzspuren wurden automatisch erstellt, und die kritischen Bruchstellen wurden von der Systemsoftware mit den aufgebrachten Lasten korreliert. Diese Softwarefunktion erleichtert es den Anwendern, die Kratzspuren jederzeit zu analysieren, anstatt die kritische Last unmittelbar nach den Kratztests unter dem Mikroskop bestimmen zu müssen.

SCRATCH-TEST-PARAMETER

LADUNGSTYPProgressiv
ANFANGSLADUNG0,01 mN
ENDLADUNG5 N / 35 N
LADUNGSVERFAHREN10 / 70 N/min
SCRATCH LENGTH3 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt6,0 mm/min
EINDRINGKÖRPERGEOMETRIE120º Kegel
INDENTER MATERIAL (Spitze)Diamant
RADIUS DER EINDRINGKÖRPERSPITZE200 μm

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

An jeder Probe wurden vier Stift-auf-Scheibe-Verschleißtests mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen (100, 150, 300 und 800 Zyklen) durchgeführt, um die Entwicklung des Verschleißes zu beobachten. Die Oberflächenmorphologie der Proben wurde mit einem berührungslosen NANOVEA 3D-Profiler gemessen, um die Oberflächenrauheit vor der Durchführung der Verschleißtests zu quantifizieren. Alle Proben wiesen eine vergleichbare Oberflächenrauhigkeit von etwa 1 μm auf, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Die COF wurde während der Verschleißtests vor Ort aufgezeichnet, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. ABBILDUNG 4 zeigt die Entwicklung der Verschleißspuren nach 100, 150, 300 und 800 Zyklen, und ABBILDUNG 3 fasst die durchschnittliche Verschleißrate der verschiedenen Proben in den verschiedenen Phasen des Verschleißprozesses zusammen.

 

Im Vergleich zu einem COF-Wert von ~0,07 für die anderen drei Proben weist Probe A zu Beginn einen viel höheren COF-Wert von ~0,15 auf, der allmählich ansteigt und nach 300 Verschleißzyklen bei ~0,3 stabil wird. Ein solch hoher COF beschleunigt den Abnutzungsprozess und erzeugt eine beträchtliche Menge an Lackresten, wie in ABBILDUNG 4 zu sehen ist - die Deckschicht von Probe A wurde bereits bei den ersten 100 Umdrehungen entfernt. Wie in ABBILDUNG 3 dargestellt, weist Probe A die höchste Verschleißrate von ~5 μm2/N in den ersten 300 Zyklen auf, die aufgrund der besseren Verschleißfestigkeit des Metallsubstrats leicht auf ~3,5 μm2/N abnimmt. Die Deckschicht von Probe C beginnt nach 150 Verschleißzyklen zu versagen, wie in ABBILDUNG 4 dargestellt, was auch durch den Anstieg der COF in ABBILDUNG 2 angezeigt wird.

 

Im Vergleich dazu zeigen Probe B und Probe D verbesserte tribologische Eigenschaften. Probe B behält während des gesamten Tests einen niedrigen COF bei - der COF steigt leicht von ~0,05 auf ~0,1 an. Ein solcher Schmiereffekt erhöht die Verschleißfestigkeit erheblich - die Deckschicht bietet auch nach 800 Verschleißzyklen noch einen besseren Schutz als die darunter liegende Grundierung. Die niedrigste durchschnittliche Abnutzungsrate von nur ~0,77 μm2/N wird für Probe B bei 800 Zyklen gemessen. Die Deckschicht von Probe D beginnt sich nach 375 Zyklen abzulösen, wie der abrupte Anstieg der COF in ABBILDUNG 2 zeigt. Die durchschnittliche Verschleißrate von Probe D beträgt ~1,1 μm2/N bei 800 Zyklen.

 

Im Vergleich zu den herkömmlichen Taber-Abriebmessungen liefert das NANOVEA Tribometer gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Verschleißbewertungen, die eine reproduzierbare Bewertung und Qualitätskontrolle von kommerziellen Boden-/Autolacken gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit der In-situ-COF-Messungen den Nutzern, die verschiedenen Stadien eines Verschleißprozesses mit der Entwicklung der COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften verschiedener Lackbeschichtungen entscheidend ist.

ABBILDUNG 1: 3D-Morphologie und Rauheit der Lackproben.

ABBILDUNG 2: COF während Pin-on-Disk-Tests.

ABBILDUNG 3: Entwicklung der Verschleißrate verschiedener Lacke.

ABBILDUNG 4: Entwicklung der Verschleißspuren während der Stift-Scheibe-Tests.

SCRATCH-TEST-ERGEBNISSE

ABBILDUNG 5 zeigt das Diagramm der Normalkraft, der Reibungskraft und der wahren Tiefe als Funktion der Kratzerlänge für Probe A als Beispiel. Ein optionales Schallemissionsmodul kann installiert werden, um weitere Informationen zu erhalten. Da die Normalkraft linear ansteigt, sinkt die Eindringspitze allmählich in die geprüfte Probe ein, was sich in der progressiven Zunahme der wahren Tiefe widerspiegelt. Die Veränderung der Steigung der Kurven für die Reibungskraft und die tatsächliche Tiefe kann als eine der Anzeichen für das Auftreten von Beschichtungsfehlern verwendet werden.

ABBILDUNG 5: Normalkraft, Reibungskraft und wahre Tiefe als Funktion der Kratzlänge für Kratztest von Probe A mit einer maximalen Belastung von 5 N.

ABBILDUNG 6 und ABBILDUNG 7 zeigen die vollständigen Kratzer aller vier getesteten Lackproben mit einer maximalen Belastung von 5 N bzw. 35 N. Probe D benötigte eine höhere Belastung von 50 N, um die Grundierung abzulösen. Die Kratztests bei 5 N Endlast (ABBILDUNG 6) bewerten das kohäsive/adhäsive Versagen des Decklacks, während die Kratztests bei 35 N (ABBILDUNG 7) die Delaminierung der Grundierung bewerten. Die Pfeile in den Schliffbildern zeigen den Punkt an, an dem die Deckschicht oder die Grundierung beginnt, sich vollständig von der Grundierung oder dem Substrat zu lösen. Die Belastung an diesem Punkt, die so genannte kritische Last (Critical Load, Lc), wird zum Vergleich der Kohäsions- oder Adhäsionseigenschaften der Farbe verwendet, wie in Tabelle 1 zusammengefasst.

 

Es ist offensichtlich, dass die Lackprobe D die beste Grenzflächenhaftung aufweist - mit den höchsten Lc-Werten von 4,04 N bei der Ablösung des Lacks und 36,61 N bei der Ablösung des Primers. Probe B weist die zweitbeste Kratzfestigkeit auf. Aus der Kratzanalyse geht hervor, dass die Optimierung der Lackrezeptur entscheidend für das mechanische Verhalten, genauer gesagt für die Kratzfestigkeit und die Haftungseigenschaften von Acrylbodenlacken ist.

Tabelle 1: Zusammenfassung der kritischen Belastungen.

ABBILDUNG 6: Mikroskopische Aufnahmen eines vollständigen Kratzers mit einer maximalen Belastung von 5 N.

ABBILDUNG 7: Mikroskopische Aufnahmen eines vollständigen Kratzers mit einer maximalen Belastung von 35 N.

SCHLUSSFOLGERUNG

Im Vergleich zu den herkömmlichen Taber-Abriebmessungen sind der NANOVEA Mechanical Tester und das Tribometer hervorragende Werkzeuge für die Bewertung und Qualitätskontrolle von kommerziellen Boden- und Automobilbeschichtungen. Der NANOVEA Mechanical Tester kann im Scratch-Modus Adhäsions-/Kohäsionsprobleme in einem Beschichtungssystem erkennen. Das NANOVEA Tribometer bietet eine gut kontrollierte, quantifizierbare und wiederholbare tribologische Analyse der Verschleißfestigkeit und des Reibungskoeffizienten der Beschichtungen.

 

Auf der Grundlage der umfassenden tribologischen und mechanischen Analysen der in dieser Studie getesteten wasserbasierten Acrylbodenbeschichtungen zeigen wir, dass Probe B die niedrigste COF- und Verschleißrate und die zweitbeste Kratzfestigkeit aufweist, während Probe D die beste Kratzfestigkeit und die zweitbeste Verschleißfestigkeit zeigt. Diese Bewertung ermöglicht es uns, den besten Kandidaten für die Anforderungen in verschiedenen Anwendungsumgebungen zu bewerten und auszuwählen.

 

Die Nano- und Mikromodule des NANOVEA-Mechanik-Testers beinhalten alle ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungsmodi und bieten damit das breiteste Prüfspektrum für die Lackbewertung in einem einzigen Modul. Das NANOVEA Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Die unübertroffene Produktpalette von NANOVEA ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite mechanischer/tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, E-Modul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen. Optional sind berührungslose optische NANOVEA-Profiler für die hochauflösende 3D-Darstellung von Kratzern und Verschleißspuren sowie für andere Oberflächenmessungen wie z. B. die Rauheit erhältlich.

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Messung der Kratzhärte mit einem mechanischen Prüfgerät

MESSUNG DER RITZHÄRTE

MIT EINEM MECHANISCHEN PRÜFGERÄT

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Im Allgemeinen wird mit Härteprüfungen die Widerstandsfähigkeit von Werkstoffen gegen dauerhafte oder plastische Verformung gemessen. Es gibt drei Arten von Härtemessungen: Ritzhärte, Eindrückhärte und Rückprallhärte. Die Ritzhärteprüfung misst die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Kratzer und Abrieb durch Reibung mit einem scharfen Gegenstand1. Sie wurde ursprünglich von dem deutschen Mineralogen Friedrich Mohs im Jahr 1820 entwickelt und wird immer noch häufig zur Bewertung der physikalischen Eigenschaften von Mineralien verwendet2. Diese Prüfmethode ist auch auf Metalle, Keramiken, Polymere und beschichtete Oberflächen anwendbar.

Bei einer Ritzhärtemessung kratzt ein Diamantstift mit vorgegebener Geometrie unter einer konstanten Normalkraft und mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer linearen Bahn in die Oberfläche eines Materials. Die durchschnittliche Breite des Kratzers wird gemessen und zur Berechnung der Ritzhärtezahl (HSP) verwendet. Diese Technik bietet eine einfache Lösung für die Skalierung der Härte verschiedener Materialien.

MESSZIEL

In dieser Studie wird das mechanische Prüfgerät NANOVEA PB1000 zur Messung der Ritzhärte verschiedener Metalle in Übereinstimmung mit ASTM G171-03 verwendet.

Gleichzeitig zeigt diese Studie die Leistungsfähigkeit des NANOVEA Mechanischer Tester bei der Durchführung von Ritzhärtemessungen mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit.

NANOVEA

PB1000

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Nanoindenter und Kratzprüfgerät Nanovea PB1000

TESTBEDINGUNGEN

Mit dem mechanischen Prüfgerät NANOVEA PB1000 wurden Ritzhärtetests an drei polierten Metallen (Cu110, Al6061 und SS304) durchgeführt. Es wurde eine konische Diamantnadel mit einem Spitzenwinkel von 120° und einem Spitzenradius von 200 µm verwendet. Jede Probe wurde dreimal mit denselben Prüfparametern geritzt, um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Die Prüfparameter sind im Folgenden zusammengefasst. Ein Profilscan bei einer niedrigen Normallast von 10 mN wurde vor und nach der Prüfung durchgeführt. Kratzertest um die Veränderung des Oberflächenprofils des Kratzers zu messen.

PRÜFPARAMETER

NORMALE KRAFT

10 N

TEMPERATUR

24°C (RT)

GLEITGESCHWINDIGKEIT

20 mm/min

GLEITSTRECKE

10 mm

ATMOSPHÄRE

Luft

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Bilder der Kratzspuren von drei Metallen (Cu110, Al6061 und SS304) nach den Tests sind in ABBILDUNG 1 dargestellt, um die Kratzhärte der verschiedenen Materialien zu vergleichen. Die Mapping-Funktion der NANOVEA Mechanical Software wurde verwendet, um drei parallele Kratzspuren zu erzeugen, die unter den gleichen Bedingungen in einem automatisierten Protokoll getestet wurden. Die gemessene Ritzspurbreite und die berechnete Ritzhärtezahl (HSP) sind in TABELLE 1 zusammengefasst und verglichen. Die Metalle zeigen unterschiedliche Verschleißspurbreiten von 174, 220 und 89 µm für Al6061, Cu110 bzw. SS304, was zu einer berechneten HSP von 0,84, 0,52 und 3,2 GPa führt.

Zusätzlich zu der aus der Ritzspurbreite berechneten Ritzhärte wurden die Entwicklung des Reibungskoeffizienten (COF), der wahren Tiefe und der Schallemission während des Ritzhärtetests in situ aufgezeichnet. Die wahre Tiefe ist die Differenz zwischen der Eindringtiefe des Stiftes während des Kratztests und dem im Pre-Scan gemessenen Oberflächenprofil. Die COF, die wahre Tiefe und die Schallemission von Cu110 sind in ABBILDUNG 2 als Beispiel dargestellt. Diese Informationen geben Aufschluss über mechanische Fehler, die während des Kratzens auftreten, und ermöglichen es dem Benutzer, mechanische Defekte zu erkennen und das Kratzverhalten des geprüften Materials weiter zu untersuchen.

Die Ritzhärteprüfungen können innerhalb weniger Minuten mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit durchgeführt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Eindringverfahren bietet die Ritzhärteprüfung in dieser Studie eine alternative Lösung für Härtemessungen, die für die Qualitätskontrolle und die Entwicklung neuer Werkstoffe nützlich ist.

Al6061

Cu110

SS304

ABBILDUNG 1: Mikroskopische Aufnahme der Kratzspuren nach dem Test (100-fache Vergrößerung).

 Breite der Kratzspur (μm)HSp (GPa)
Al6061174±110.84
Cu110220±10.52
SS30489±53.20

TABELLE 1: Zusammenfassung der Kratzspurbreite und der Kratzhärtezahl.

ABBILDUNG 2: Die Entwicklung des Reibungskoeffizienten, der wahren Tiefe und der akustischen Emissionen während des Ritzhärtetests an Cu110.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Leistungsfähigkeit des NANOVEA Mechanical Testers bei der Durchführung von Ritzhärtetests gemäß ASTM G171-03 unter Beweis gestellt. Neben der Beschichtungshaftung und der Kratzfestigkeit bietet der Kratztest bei konstanter Belastung eine alternative einfache Lösung für den Vergleich der Härte von Materialien. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ritzhärteprüfgeräten bieten die NANOVEA Mechanical Tester optionale Module zur Überwachung der Entwicklung des Reibungskoeffizienten, der Schallemission und der wahren Tiefe in situ.

Die Nano- und Mikromodule eines NANOVEA-Mechanikprüfgeräts umfassen ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungsmodi und bieten das breiteste und benutzerfreundlichste Prüfspektrum in einem einzigen System. Das unübertroffene Angebot von NANOVEA ist eine ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite mechanischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, E-Modul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen.

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Titaniumnitrid-Beschichtung Kratztest

TITAN-NITRID-BESCHICHTUNG KRATZTEST

INSPEKTION DER QUALITÄTSKONTROLLE

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Die Kombination aus hoher Härte, hervorragender Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Inertheit macht Titannitrid (TiN) zu einer idealen Schutzschicht für Metallteile in verschiedenen Branchen. So kann beispielsweise die Kantenfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit einer TiN-Beschichtung die Arbeitseffizienz erheblich steigern und die Lebensdauer von Werkzeugmaschinen wie Rasierklingen, Metallschneidern, Spritzgussformen und Sägen verlängern. Seine hohe Härte, Inertheit und Ungiftigkeit machen TiN zu einem hervorragenden Kandidaten für Anwendungen in medizinischen Geräten wie Implantaten und chirurgischen Instrumenten.

WICHTIGKEIT DER TiN-BESCHICHTUNG RATSCHPRÜFUNG

Eigenspannungen in PVD/CVD-Schutzbeschichtungen spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit und mechanische Integrität des beschichteten Bauteils. Die Eigenspannungen stammen aus mehreren Hauptquellen, darunter Wachstumsspannungen, thermische Gradienten, geometrische Beschränkungen und Betriebsbelastungen¹. Das Missverhältnis zwischen der thermischen Ausdehnung der Beschichtung und des Substrats, das während der Beschichtung bei hohen Temperaturen entsteht, führt zu hohen thermischen Restspannungen. Außerdem werden TiN-beschichtete Werkzeuge oft unter sehr hohen konzentrierten Belastungen eingesetzt, z. B. Bohrer und Lager. Die Entwicklung eines zuverlässigen Qualitätskontrollverfahrens zur quantitativen Prüfung der Kohäsions- und Adhäsionsfestigkeit von funktionalen Schutzschichten ist von entscheidender Bedeutung.

[1] V. Teixeira, Vakuum 64 (2002) 393-399.

MESSZIEL

In dieser Studie zeigen wir, dass NANOVEA Mechanische Prüfgeräte im Scratch-Modus sind ideal für die kontrollierte und quantitative Beurteilung der Kohäsions-/Adhäsionsfestigkeit schützender TiN-Beschichtungen.

NANOVEA

PB1000

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Nanoindenter und Kratzprüfgerät Nanovea PB1000

TESTBEDINGUNGEN

Der NANOVEA PB1000 Mechanical Tester wurde zur Durchführung der Beschichtung verwendet. Scratch-Tests an drei TiN-Beschichtungen mit den gleichen Testparametern wie unten zusammengefasst:

LADEMODUS: Progressiv Linear

ANFANGSLADUNG

0.02 N

ENDLADUNG

10 N

LADUNGSVERFAHREN

20 N/min

SCRATCH LENGTH

5 mm

INDENTER-TYP

Sphäro-Kegel

Diamant, 20 μm Radius

ERGEBNISSE & DISKUSSION

ABBILDUNG 1 zeigt die aufgezeichnete Entwicklung der Eindringtiefe, des Reibungskoeffizienten (COF) und der Schallemission während des Tests. Die vollständigen Mikrokratzspuren auf den TiN-Proben sind in ABBILDUNG 2 dargestellt. Das Versagensverhalten bei verschiedenen kritischen Lasten ist in ABBILDUNG 3 dargestellt, wobei die kritische Last Lc1 als die Last definiert ist, bei der das erste Anzeichen eines kohäsiven Risses in der Kratzspur auftritt, Lc2 ist die Last, nach der wiederholte Abplatzungen auftreten, und Lc3 ist die Last, bei der die Beschichtung vollständig vom Substrat entfernt wird. Die kritischen Lastwerte (Lc) für die TiN-Beschichtungen sind in ABBILDUNG 4 zusammengefasst.

Die Entwicklung von Eindringtiefe, COF und Schallemission gibt Aufschluss über den Mechanismus des Versagens der Beschichtung in verschiedenen Stadien, die in dieser Studie durch die kritischen Belastungen dargestellt werden. Es ist zu beobachten, dass Probe A und Probe B während des Kratztests ein vergleichbares Verhalten zeigen. Der Stift dringt allmählich bis zu einer Tiefe von ~0,06 mm in die Probe ein, und der COF steigt allmählich auf ~0,3 an, während die Normallast zu Beginn des Kratztests linear ansteigt. Wenn die Lc1 von ~3,3 N erreicht wird, treten die ersten Anzeichen eines Abplatzens auf. Dies spiegelt sich auch in den ersten großen Ausschlägen im Diagramm von Eindringtiefe, COF und Schallemission wider. Wenn die Belastung weiter bis zu Lc2 von ~3,8 N ansteigt, kommt es zu weiteren Schwankungen bei Eindringtiefe, COF und Schallemission. Auf beiden Seiten der Kratzspur ist ein kontinuierlicher Abplatzungsschaden zu beobachten. Bei Lc3 löst sich die Beschichtung unter dem hohen Druck, den der Stift ausübt, vollständig vom Metallsubstrat ab, so dass das Substrat frei und ungeschützt ist.

Im Vergleich dazu weist Probe C in verschiedenen Phasen der Kratztests geringere kritische Belastungen auf, was sich auch in der Entwicklung der Eindringtiefe, des Reibungskoeffizienten (COF) und der Schallemission während des Kratztests widerspiegelt. Probe C besitzt eine Haftzwischenschicht mit geringerer Härte und höherer Spannung an der Grenzfläche zwischen der oberen TiN-Schicht und dem Metallsubstrat im Vergleich zu Probe A und Probe B.

Diese Studie zeigt, wie wichtig die richtige Substratunterstützung und Beschichtungsarchitektur für die Qualität des Beschichtungssystems ist. Eine stärkere Zwischenschicht kann Verformungen unter hoher externer Belastung und Konzentrationsstress besser widerstehen und somit die Kohäsions- und Haftfestigkeit des Beschichtungs-/Substratsystems verbessern.

ABBILDUNG 1: Entwicklung von Eindringtiefe, COF und Schallemission der TiN-Proben.

ABBILDUNG 2: Vollständige Kratzspur der TiN-Beschichtungen nach den Tests.

ABBILDUNG 3: Versagen der TiN-Beschichtung bei unterschiedlichen kritischen Belastungen, Lc.

ABBILDUNG 4: Zusammenfassung der kritischen Belastungswerte (Lc) für die TiN-Beschichtungen.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass der NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester zuverlässige und genaue Kratztests an TiN-beschichteten Proben in einer kontrollierten und genau überwachten Weise durchführt. Kratzmessungen ermöglichen es den Anwendern, die kritische Belastung, bei der typische kohäsive und adhäsive Beschichtungen versagen, schnell zu identifizieren. Unsere Geräte sind hervorragende Qualitätskontrollinstrumente, mit denen die intrinsische Qualität einer Beschichtung und die Integrität der Grenzflächen eines Beschichtungs-/Substratsystems quantitativ geprüft und verglichen werden können. Eine Beschichtung mit einer geeigneten Zwischenschicht kann großen Verformungen unter hoher äußerer Belastung und Konzentrationsspannung widerstehen und die Kohäsions- und Haftfestigkeit eines Beschichtungs-/Substratsystems verbessern.

Die Nano- und Mikromodule eines NANOVEA-Mechanikprüfgeräts enthalten alle ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungsmodi und bieten damit das breiteste und benutzerfreundlichste Prüfspektrum, das in einem einzigen System verfügbar ist. Das unübertroffene Angebot von NANOVEA ist eine ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite mechanischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, E-Modul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen.

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Fraktographie-Analyse mit 3D-Profilometrie

FRAKTOGRAPHIE-ANALYSE

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Unter Fraktographie versteht man die Untersuchung von Merkmalen auf gebrochenen Oberflächen und wurde in der Vergangenheit mittels Mikroskop oder REM untersucht. Abhängig von der Größe des Merkmals werden für die Oberflächenanalyse ein Mikroskop (Makromerkmale) oder ein REM (Nano- und Mikromerkmale) ausgewählt. Beides ermöglicht letztlich die Identifizierung des Frakturmechanismustyps. Obwohl das Mikroskop effektiv ist, weist es klare Einschränkungen auf, und das REM ist in den meisten Fällen, abgesehen von der Analyse auf atomarer Ebene, für die Messung von Bruchflächen unpraktisch und verfügt nicht über eine breitere Einsatzmöglichkeit. Mit Fortschritten in der optischen Messtechnik ist das NANOVEA Berührungsloses 3D-Profilometer gilt heute als das Instrument der Wahl, da es in der Lage ist, 2D- und 3D-Oberflächenmessungen im Nano- bis Makromaßstab durchzuführen

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE BRUCHPRÜFUNG

Im Gegensatz zu einem SEM kann ein berührungsloses 3D-Profilometer nahezu jede Oberfläche und Probengröße mit minimaler Probenvorbereitung messen und bietet dabei bessere vertikale/horizontale Abmessungen als ein SEM. Mit einem Profilometer werden Merkmale im Nano- bis Makrobereich in einer einzigen Messung erfasst, ohne dass die Reflektivität der Probe eine Rolle spielt. Sie können problemlos jedes Material messen: transparent, undurchsichtig, spiegelnd, diffus, poliert, rau usw. Das berührungslose 3D-Profilometer bietet umfassende und benutzerfreundliche Funktionen zur Maximierung von Oberflächenbruchstudien zu einem Bruchteil der Kosten eines REM.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das NANOVEA ST400 zur Messung der gebrochenen Oberfläche einer Stahlprobe verwendet. In dieser Studie werden wir eine 3D-Fläche, eine 2D-Profilextraktion und eine Richtungskarte der Oberfläche zeigen.

NANOVEA

ST400

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ERGEBNISSE

OBERFLÄCHE

3D-Oberflächentextur Richtung

Isotropie51.26%
Erste Richtung123.2º
Zweite Richtung116.3º
Dritte Richtung0.1725º

Oberfläche, Volumen, Rauheit und viele andere können automatisch aus dieser Extraktion berechnet werden.

2D-Profil-Extraktion

ERGEBNISSE

SEITENOBERFLÄCHE

3D-Oberflächentextur Richtung

Isotropie15.55%
Erste Richtung0.1617º
Zweite Richtung110.5º
Dritte Richtung171.5º

Oberfläche, Volumen, Rauheit und viele andere können automatisch aus dieser Extraktion berechnet werden.

2D-Profil-Extraktion

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie das berührungslose 3D-Profilometer NANOVEA ST400 die gesamte Topografie (Nano-, Mikro- und Makromerkmale) einer gebrochenen Oberfläche präzise charakterisieren kann. Aus dem 3D-Bereich kann die Oberfläche eindeutig identifiziert werden, und Teilbereiche oder Profile/Querschnitte können schnell extrahiert und mit einer endlosen Liste von Oberflächenberechnungen analysiert werden. Oberflächenmerkmale im Subnanometerbereich können mit einem integrierten AFM-Modul weiter analysiert werden.

Darüber hinaus hat NANOVEA eine tragbare Version seines Profilometers entwickelt, die sich besonders für Feldstudien eignet, bei denen die Bruchfläche nicht bewegt werden kann. Mit dieser umfangreichen Liste von Oberflächenmessfunktionen war die Analyse von Bruchflächen noch nie so einfach und bequem mit einem einzigen Gerät.

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Oberflächentopographie von Glasfasern mit 3D-Profilometrie

GLASFASER-OBERFLÄCHENTOPOGRAPHIE

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Glasfaser ist ein Material, das aus extrem feinen Glasfasern hergestellt wird. Es wird als Verstärkungsmittel für viele Polymerprodukte verwendet; das daraus resultierende Verbundmaterial, das eigentlich als faserverstärktes Polymer (FRP) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GRP) bezeichnet wird, wird im allgemeinen Sprachgebrauch "Fiberglas" genannt.

BEDEUTUNG DER MESSTECHNISCHEN OBERFLÄCHENPRÜFUNG FÜR DIE QUALITÄTSKONTROLLE

Obwohl es viele Verwendungsmöglichkeiten für Glasfaserverstärkungen gibt, ist es bei den meisten Anwendungen entscheidend, dass sie so stark wie möglich sind. Glasfaserverbundwerkstoffe haben eines der höchsten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse auf dem Markt, und in einigen Fällen sind sie sogar fester als Stahl. Abgesehen von der hohen Festigkeit ist es auch wichtig, dass die exponierte Oberfläche so klein wie möglich ist. Große Glasfaseroberflächen können die Struktur anfälliger für chemische Angriffe und eine mögliche Materialausdehnung machen. Daher ist die Oberflächenprüfung für die Qualitätskontrolle der Produktion von entscheidender Bedeutung.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das NANOVEA ST400 verwendet, um die Rauheit und Ebenheit einer Glasfaserverbundoberfläche zu messen. Durch die Quantifizierung dieser Oberflächenmerkmale ist es möglich, ein stärkeres und langlebigeres Glasfaserverbundmaterial zu entwickeln oder zu optimieren.

NANOVEA

ST400

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MESSPARAMETER

PROBE 1 mm
ERFASSUNGSRATE300 Hz
MITTELWERT1
GEMESSENE OBERFLÄCHE5 mm x 2 mm
SCHRITTGRÖSSE5 µm x 5 µm
SCANING-MODUSKonstante Geschwindigkeit

SONDEN-SPEZIFIKATIONEN

MASSNAHMEN BEREICH1 mm
Z軸分解能 25 nm
Z GENAUIGKEIT200 nm
LATERALE AUFLÖSUNG 2 μm

ERGEBNISSE

FALSCHE FARBANSICHT

3D-Oberflächenebenheit

3D-Oberflächenrauhigkeit

Sa15,716 μmArithmetischer Mittelwert Höhe
Sq19,905 μmWurzelmittelwert der Höhe
Sp116,74 μmMaximale Spitzenhöhe
Sv136,09 μmMaximale Grubenhöhe
Sz252,83 μmMaximale Höhe
Ssk0.556Schrägheit
Ssu3.654Kurtosis

SCHLUSSFOLGERUNG

Wie die Ergebnisse zeigen, ist der NANOVEA ST400 Optical Profiler konnte die Rauheit und Ebenheit der Glasfaserverbundoberfläche genau messen. Daten können über mehrere Chargen von Faserverbundwerkstoffen und/oder über einen bestimmten Zeitraum gemessen werden, um entscheidende Informationen über verschiedene Glasfaserherstellungsprozesse und deren Reaktion im Laufe der Zeit zu liefern. Somit ist der ST400 eine praktikable Option zur Stärkung des Qualitätskontrollprozesses von Glasfaserverbundwerkstoffen.

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Polymerriemenverschleiß und Reibung mit einem Tribometer

POLYMER-GURTE

Abnutzung und Reibung mit einem TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Riemenantriebe übertragen Leistung und verfolgen die Relativbewegung zwischen zwei oder mehr rotierenden Wellen. Als einfache und kostengünstige Lösung mit minimalem Wartungsaufwand sind Riemenantriebe in einer Vielzahl von Anwendungen weit verbreitet, z. B. bei Bügelsägen, Sägewerken, Dreschmaschinen, Silogebläsen und Förderanlagen. Riemenantriebe können die Maschinen vor Überlast schützen sowie Schwingungen dämpfen und isolieren.

BEDEUTUNG DER VERSCHLEISSBEWERTUNG FÜR RIEMENANTRIEBE

Reibung und Verschleiß sind für die Riemen in einer riemengetriebenen Maschine unvermeidlich. Eine ausreichende Reibung sorgt für eine effektive Kraftübertragung ohne Schlupf, aber eine übermäßige Reibung kann den Riemen schnell verschleißen. Während des Betriebs des Riemenantriebs treten verschiedene Arten von Verschleiß auf, wie Ermüdung, Abrieb und Reibung. Um die Lebensdauer des Riemens zu verlängern und die Kosten und den Zeitaufwand für die Reparatur und den Austausch des Riemens zu senken, ist eine zuverlässige Bewertung des Verschleißverhaltens der Riemen wünschenswert, um die Lebensdauer des Riemens, die Produktionseffizienz und die Anwendungsleistung zu verbessern. Die genaue Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate des Riemens erleichtert die Forschung und Entwicklung sowie die Qualitätskontrolle der Riemenproduktion.

Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir das Verschleißverhalten von Riemen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen simuliert und verglichen, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren. NANOVEA T2000 Tribometer bei der kontrollierten und überwachten Simulation des Verschleißprozesses des Riemens.

NANOVEA

T2000

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PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von zwei Riemen mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit und -struktur wurden mit dem NANOVEA Hohe Belastung Tribometer unter Verwendung des linear hin- und hergehenden Verschleißmoduls. Als Gegenmaterial wurde eine Kugel aus Stahl 440 (10 mm Durchmesser) verwendet. Die Oberflächenrauheit und die Verschleißspur wurden mit einem integrierten Prüfgerät untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=Vl(Fxs), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normalbelastung und s ist die Gleitstrecke.

 

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie eine glatte 440er Stahlkugel als Beispiel verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen und Oberflächenbeschaffenheiten kann mit Hilfe spezieller Vorrichtungen verwendet werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Der strukturierte Gürtel und der glatte Gürtel haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 33,5 bzw. 8,7 um, wie aus den analysierten Oberflächenprofilen hervorgeht, die mit einer NANOVEA Berührungsloser optischer 3D-Profiler. Der COF und die Verschleißrate der beiden getesteten Riemen wurden bei 10 N bzw. 100 N gemessen, um das Verschleißverhalten der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen zu vergleichen.

ABBILDUNG 1 zeigt die Entwicklung des COF der Riemen während der Verschleißtests. Die Riemen mit unterschiedlichen Texturen weisen ein deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten auf. Interessanterweise erreicht der strukturierte Riemen nach der Einlaufphase, in der der COF allmählich ansteigt, einen niedrigeren COF von ~0,5 in beiden Tests, die mit einer Last von 10 N und 100 N durchgeführt wurden. Im Vergleich dazu weist der glatte Riemen, der mit einer Last von 10 N getestet wurde, einen deutlich höheren COF von ~1,4 auf, wenn der COF stabil wird, und bleibt für den Rest des Tests über diesem Wert. Der mit einer Belastung von 100 N getestete Glattriemen wurde durch die Stahlkugel 440 schnell verschlissen und bildete eine große Verschleißspur. Der Test wurde daher bei 220 Umdrehungen abgebrochen.

ABBILDUNG 1: Entwicklung des COF der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen.

ABBILDUNG 2 vergleicht die 3D-Verschleißspurenbilder nach den Tests mit 100 N. Das berührungslose 3D-Profilometer NANOVEA bietet ein Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, das weitere Einblicke in das grundlegende Verständnis des Verschleißmechanismus ermöglicht.

TABELLE 1: Ergebnis der Analyse der Verschleißspuren.

ABBILDUNG 2:  3D-Ansicht der beiden Bänder
nach den Tests bei 100 N.

Das 3D-Verschleißspurprofil ermöglicht eine direkte und genaue Bestimmung des von der fortschrittlichen Analysesoftware berechneten Verschleißspurvolumens, wie in TABELLE 1 dargestellt. Bei einem Verschleißtest mit 220 Umdrehungen weist der Glattriemen eine viel größere und tiefere Verschleißspur mit einem Volumen von 75,7 mm3 auf, während das Verschleißvolumen des Strukturriemens nach einem Verschleißtest mit 600 Umdrehungen 14,0 mm3 beträgt. Die deutlich höhere Reibung des Glattriemens an der Stahlkugel führt zu einer 15-fach höheren Verschleißrate im Vergleich zum strukturierten Riemen.

 

Ein solch drastischer Unterschied der COF zwischen dem strukturierten und dem glatten Gürtel hängt möglicherweise mit der Größe der Kontaktfläche zwischen dem Gürtel und der Stahlkugel zusammen, was auch zu ihrem unterschiedlichen Verschleißverhalten führt. ABBILDUNG 3 zeigt die Verschleißspuren der beiden Riemen unter dem Lichtmikroskop. Die Untersuchung der Verschleißspuren stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Der strukturierte Gurt, der einen niedrigen COF von ~0,5 aufweist, zeigt nach dem Verschleißtest bei einer Belastung von 10 N keine Anzeichen von Verschleiß. Der glatte Gurt zeigt eine kleine Verschleißspur bei 10 N. Die Verschleißtests bei 100 N erzeugen sowohl auf dem strukturierten als auch auf dem glatten Gurt wesentlich größere Verschleißspuren, und die Verschleißrate wird anhand von 3D-Profilen berechnet, wie im folgenden Abschnitt erläutert wird.

ABBILDUNG 3:  Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA T2000 Tribometers aufgezeigt, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate von Riemen kontrolliert und quantitativ zu bestimmen. Die Oberflächentextur spielt eine entscheidende Rolle für die Reibung und den Verschleißwiderstand der Riemen während ihres Einsatzes. Der strukturierte Riemen weist einen stabilen Reibungskoeffizienten von ~0,5 auf und besitzt eine lange Lebensdauer, was zu einem geringeren Zeit- und Kostenaufwand für die Reparatur oder den Austausch von Werkzeugen führt. Die übermäßige Reibung des glatten Riemens an der Stahlkugel führt dagegen zu einer schnellen Abnutzung des Riemens. Außerdem ist die Belastung des Riemens ein entscheidender Faktor für seine Lebensdauer. Eine Überlastung erzeugt eine sehr hohe Reibung, die zu einem beschleunigten Verschleiß des Riemens führt.

Das NANOVEA T2000 Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System. NANOVEAs unmatched ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

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Fossiles Mikrogefüge mit 3D-Profilometrie

FOSSILES GEFÜGE

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Fossilien sind die konservierten Überreste von Pflanzen, Tieren und anderen Organismen, die im Sediment unter alten Meeren, Seen und Flüssen vergraben sind. Das weiche Körpergewebe zerfällt normalerweise nach dem Tod, aber die harten Schalen, Knochen und Zähne versteinern. Mikrostrukturelle Oberflächenmerkmale bleiben oft erhalten, wenn die ursprünglichen Schalen und Knochen durch Mineralien ersetzt werden, was Aufschluss über die Entwicklung der Witterung und den Entstehungsmechanismus der Fossilien gibt.

BEDEUTUNG EINES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE UNTERSUCHUNG VON FOSSILIEN

3D-Profile des Fossils ermöglichen es uns, die detaillierten Oberflächenmerkmale der Fossilprobe aus einem näheren Blickwinkel zu betrachten. Die hohe Auflösung und Genauigkeit des NANOVEA-Profilometers sind mit bloßem Auge möglicherweise nicht erkennbar. Die Analysesoftware des Profilometers bietet eine breite Palette von Studien, die auf diese einzigartigen Oberflächen anwendbar sind. Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Touch Probes bietet der NANOVEA Berührungsloses 3D-Profilometer Misst die Oberflächenmerkmale, ohne die Probe zu berühren. Dies ermöglicht die Erhaltung der wahren Oberflächenmerkmale bestimmter empfindlicher Fossilienproben. Darüber hinaus ermöglicht das tragbare Profilometer Modell Jr25 3D-Messungen an Fossilienstandorten, was die Fossilanalyse und den Schutz nach der Ausgrabung erheblich erleichtert.

MESSZIEL

In dieser Studie wird das NANOVEA Jr25 Profilometer verwendet, um die Oberfläche von zwei repräsentativen Fossilienproben zu messen. Die gesamte Oberfläche jedes Fossils wurde gescannt und analysiert, um die Oberflächenmerkmale zu charakterisieren, darunter Rauheit, Kontur und Texturrichtung.

NANOVEA

Jr25

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FOSSIL EINES BRACHIOPODEN

Die erste fossile Probe, die in diesem Bericht vorgestellt wird, ist ein Brachiopod-Fossil, das von einem Meerestier stammt, das an der Ober- und Unterseite harte "Klappen" (Schalen) hat. Sie traten erstmals im Kambrium auf, das heißt vor mehr als 550 Millionen Jahren.

Die 3D-Ansicht des Scans ist in ABBILDUNG 1 und die Falschfarbenansicht in ABBILDUNG 2 dargestellt. 

ABBILDUNG 1: 3D-Ansicht der fossilen Brachiopodenprobe.

ABBILDUNG 2: Falschfarbenansicht der fossilen Brachiopodenprobe.

Die Gesamtform wurde dann von der Oberfläche entfernt, um die lokale Oberflächenmorphologie und -kontur des Brachiopodenfossils zu untersuchen (siehe ABBILDUNG 3). Auf dem Brachiopoden-Fossil ist nun eine eigentümliche, divergierende Rillentextur zu beobachten.

ABBILDUNG 3: Falschfarbenansicht und Konturlinienansicht nach dem Entfernen der Form.

Aus dem strukturierten Bereich wird ein Linienprofil extrahiert, um eine Querschnittsansicht der fossilen Oberfläche zu zeigen (ABBILDUNG 4). Die Stufenhöhenstudie misst die genauen Abmessungen der Oberflächenmerkmale. Die Rillen weisen eine durchschnittliche Breite von ~0,38 mm und eine Tiefe von ~0,25 mm auf.

ABBILDUNG 4: Studien zum Linienprofil und zur Stufenhöhe der strukturierten Oberfläche.

SEELILIENSTAMM-FOSSIL

Bei der zweiten fossilen Probe handelt es sich um ein Stammfossil einer Seelilie. Stachelhäuter tauchten erstmals in den Meeren des mittleren Kambriums auf, etwa 300 Millionen Jahre vor den Dinosauriern. 

 

Die 3D-Ansicht des Scans ist in ABBILDUNG 5 und die Falschfarbenansicht in ABBILDUNG 6 dargestellt. 

ABBILDUNG 5: 3D-Ansicht der fossilen Crinoidenprobe.

Die Isotropie der Oberflächentextur und die Rauheit des Crinoiden-Stammfossils werden in ABBILDUNG 7 analysiert. 

 Dieses Fossil weist eine bevorzugte Texturrichtung in einem Winkel nahe 90° auf, was zu einer Isotropie der Textur von 69% führt.

ABBILDUNG 6: Falschfarbenansicht des Stiel einer Seelilie Probe.

 

ABBILDUNG 7: Isotropie der Oberflächentextur und Rauheit des Stammfossils der Crinoide.

Das 2D-Profil entlang der axialen Richtung des Crinoiden-Stammfossils ist in ABBILDUNG 8 dargestellt. 

Die Größe der Spitzen der Oberflächentextur ist ziemlich einheitlich.

ABBILDUNG 8: 2D-Profilanalyse des Crinoiden-Stammfossils.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir die 3D-Oberflächenmerkmale eines fossilen Brachiopoden- und Crinoidenstamms mit dem tragbaren berührungslosen Profilometer NANOVEA Jr25 umfassend untersucht. Wir zeigen, dass das Gerät die 3D-Morphologie der fossilen Proben präzise charakterisieren kann. Die interessanten Oberflächenmerkmale und Texturen der Proben werden dann weiter analysiert. Die Brachiopodenprobe weist eine divergente Rillentextur auf, während das Crinoidenstammfossil eine bevorzugte Texturisotropie zeigt. Die detaillierten und präzisen 3D-Oberflächenscans erweisen sich als ideale Werkzeuge für Paläontologen und Geologen, um die Entwicklung des Lebens und die Entstehung von Fossilien zu untersuchen.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar. NANOVEA Profilometer messen praktisch jede Oberfläche in Bereichen wie Halbleiter, Mikroelektronik, Solar, Faseroptik, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Metallurgie, Bearbeitung, Beschichtungen, Pharmazeutik, Biomedizin, Umwelt und vielen anderen.

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Abriebverhalten von Sandpapier mit einem Tribometer

SCHLEIFPAPIER ABRIEBLEISTUNG

MIT EINEM TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Schleifpapier besteht aus Schleifpartikeln, die auf eine Seite eines Papiers oder Gewebes geklebt sind. Für die Partikel können verschiedene Schleifmaterialien verwendet werden, z. B. Granat, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Diamant. Schleifpapier wird in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, um bestimmte Oberflächen auf Holz, Metall und Trockenbauwänden zu bearbeiten. Sie arbeiten oft unter hohem Druck, der mit Hand- oder Elektrowerkzeugen ausgeübt wird.

BEDEUTUNG DER BEWERTUNG DES ABRIEBVERHALTENS VON SCHLEIFPAPIER

Die Wirksamkeit von Schleifpapier wird häufig durch seine Abriebleistung unter verschiedenen Bedingungen bestimmt. Die Korngröße, d. h. die Größe der im Schleifpapier eingebetteten Schleifpartikel, bestimmt die Abnutzungsrate und die Kratzergröße des zu schleifenden Materials. Schleifpapiere mit höheren Kornzahlen haben kleinere Partikel, was zu niedrigeren Schleifgeschwindigkeiten und feineren Oberflächen führt. Schleifpapiere mit der gleichen Körnungszahl, aber aus unterschiedlichen Materialien, können sich unter trockenen oder nassen Bedingungen unterschiedlich verhalten. Zuverlässige tribologische Bewertungen sind erforderlich, um sicherzustellen, dass das hergestellte Schleifpapier das gewünschte Schleifverhalten aufweist. Diese Auswertungen ermöglichen es den Anwendern, das Verschleißverhalten verschiedener Schleifpapiersorten kontrolliert und überwacht quantitativ zu vergleichen, um den besten Kandidaten für die jeweilige Anwendung auszuwählen.

Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

MESSZIEL

In dieser Studie zeigen wir die Fähigkeit des NANOVEA Tribometers, die Abriebleistung verschiedener Sandpapierproben unter trockenen und nassen Bedingungen quantitativ zu bewerten.

NANOVEA

T2000

MEHR LERNEN

PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient (COF) und die Abriebleistung von zwei Arten von Schleifpapieren wurden mit dem NANOVEA T100 Tribometer bewertet. Als Gegenmaterial wurde eine Kugel aus 440er Edelstahl verwendet. Die Ballverschleißnarben wurden nach jedem Verschleißtest mit dem NANOVEA untersucht Berührungsloser optischer 3D-Profiler um präzise Volumenverlustmessungen zu gewährleisten.

Bitte beachten Sie, dass eine 440er Edelstahlkugel als Gegenmaterial gewählt wurde, um eine vergleichende Studie zu erstellen, aber jedes feste Material könnte ersetzt werden, um eine andere Anwendungsbedingung zu simulieren.

TESTERGEBNISSE & DISKUSSION

ABBILDUNG 1 zeigt einen COF-Vergleich von Sandpapier 1 und 2 unter trockenen und nassen Umgebungsbedingungen. Sandpapier 1 weist unter trockenen Bedingungen zu Beginn des Tests einen COF von 0,4 auf, der dann schrittweise abnimmt und sich auf 0,3 stabilisiert. Unter nassen Bedingungen weist diese Probe einen niedrigeren durchschnittlichen COF von 0,27 auf. Im Gegensatz dazu zeigen die COF-Ergebnisse von Probe 2 einen trockenen COF von 0,27 und einen nassen COF von ~ 0,37. 

Bitte beachten Sie, dass die Oszillation in den Daten aller COF-Diagramme durch die Vibrationen verursacht wird, die durch die Gleitbewegung der Kugel auf den rauen Sandpapieroberflächen entstehen.

ABBILDUNG 1: Entwicklung der COF während der Verschleißtests.

ABBILDUNG 2 fasst die Ergebnisse der Verschleißnarbenanalyse zusammen. Die Verschleißnarben wurden mit einem optischen Mikroskop und einem berührungslosen optischen 3D-Profiler NANOVEA gemessen. ABBILDUNG 3 und ABBILDUNG 4 vergleichen die Verschleißnarben der abgenutzten SS440-Kugeln nach Verschleißtests auf Sandpapier 1 und 2 (nass und trocken). Wie in ABBILDUNG 4 zu sehen ist, erfasst der NANOVEA Optical Profiler präzise die Oberflächentopographie der vier Kugeln und ihre jeweiligen Verschleißspuren, die anschließend mit der NANOVEA Mountains Advanced Analysis Software verarbeitet wurden, um den Volumenverlust und die Verschleißrate zu berechnen. Auf dem Mikroskop- und Profilbild der Kugel ist zu erkennen, dass die für den Test mit Sandpapier 1 (trocken) verwendete Kugel im Vergleich zu den anderen eine größere abgeflachte Verschleißnarbe mit einem Volumenverlust von 0,313 mm3. Im Gegensatz dazu betrug der Volumenverlust bei Schleifpapier 1 (nass) 0,131 mm3. Bei Schleifpapier 2 (trocken) betrug der Volumenverlust 0,163 mm3 und für Sandpapier 2 (nass) stieg der Volumenverlust auf 0,237 mm3.

Darüber hinaus ist es interessant zu beobachten, dass der COF eine wichtige Rolle für die Abriebleistung der Schleifpapiere spielte. Schleifpapier 1 wies im trockenen Zustand einen höheren COF auf, was zu einer höheren Abriebrate für die im Test verwendete SS440-Kugel führte. Im Vergleich dazu führte der höhere COF von Sandpapier 2 im nassen Zustand zu einer höheren Abriebrate. Die Verschleißspuren der Schleifpapiere nach den Messungen sind in ABBILDUNG 5 dargestellt.

Beide Schleifpapiere 1 und 2 sollen sowohl in trockenen als auch in nassen Umgebungen funktionieren. Sie zeigten jedoch deutlich unterschiedliche Abriebleistungen unter trockenen und nassen Bedingungen. NANOVEA Tribometer bieten gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Funktionen zur Verschleißbewertung, die reproduzierbare Verschleißbewertungen gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit der In-situ-COF-Messung Benutzern, verschiedene Phasen eines Verschleißprozesses mit der Entwicklung des COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften von Schleifpapier von entscheidender Bedeutung ist

ABBILDUNG 2: Verschleißnarbenvolumen der Kugeln und durchschnittliche COF unter verschiedenen Bedingungen.

ABBILDUNG 3: Abnutzungsspuren der Bälle nach den Tests.

ABBILDUNG 4: 3D-Morphologie der Verschleißnarben auf den Kugeln.

ABBILDUNG 5: Abnutzungsspuren auf den Schleifpapieren unter verschiedenen Bedingungen.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie wurde die Schleifleistung von zwei Arten von Schleifpapieren mit derselben Körnungszahl unter trockenen und nassen Bedingungen bewertet. Die Einsatzbedingungen des Schleifpapiers spielen eine entscheidende Rolle für die Effektivität der Arbeitsleistung. Schleifpapier 1 wies unter trockenen Bedingungen ein deutlich besseres Abriebverhalten auf, während Schleifpapier 2 unter nassen Bedingungen besser abschnitt. Die Reibung während des Schleifvorgangs ist ein wichtiger Faktor, der bei der Bewertung der Abriebleistung zu berücksichtigen ist. Der NANOVEA Optical Profiler misst präzise die 3D-Morphologie jeder Oberfläche, wie z.B. die Verschleißnarben auf einer Kugel, und ermöglicht so eine zuverlässige Bewertung des Abriebverhaltens des Sandpapiers in dieser Studie. Das NANOVEA Tribometer misst den Reibungskoeffizienten an Ort und Stelle während eines Verschleißtests und gibt so einen Einblick in die verschiedenen Phasen eines Verschleißprozesses. Es bietet außerdem wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Hochtemperaturverschleiß- und Schmiermodule in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Mit diesem unübertroffenen Angebot können Benutzer verschiedene schwere Arbeitsumgebungen für Kugellager simulieren, darunter hohe Belastung, Verschleiß und hohe Temperaturen usw. Es ist auch ein ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens von hochverschleißfesten Materialien unter hohen Belastungen.

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Bearbeitete Lederoberfläche mit 3D-Profilometrie

VERARBEITETES LEDER

OBERFLÄCHENGÜTE MIT 3D-PROFILOMETRIE

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Sobald der Gerbungsprozess einer Lederhaut abgeschlossen ist, kann die Lederoberfläche verschiedenen Veredelungsprozessen unterzogen werden, um eine Vielfalt von Aussehen und Haptik zu erzielen. Zu diesen mechanischen Verfahren gehören Dehnen, Schwabbeln, Schleifen, Prägen, Beschichten usw. Je nach Verwendungszweck des Leders kann eine präzisere, kontrollierte und wiederholbare Bearbeitung erforderlich sein.

BEDEUTUNG DER PROFILOMETRISCHEN PRÜFUNG FÜR FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG UND QUALITÄTSKONTROLLE

Aufgrund der großen Schwankungen und der Unzuverlässigkeit visueller Inspektionsmethoden können Werkzeuge, die in der Lage sind, mikro- und nanoskalige Merkmale genau zu quantifizieren, die Lederzurichtungsverfahren verbessern. Das Verständnis der Oberflächenbeschaffenheit von Leder in einem quantifizierbaren Sinne kann zu einer verbesserten datengesteuerten Auswahl der Oberflächenbearbeitung führen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. NANOVEA 3D Berührungslos Profilometer nutzen die chromatisch konfokale Technologie zur Messung fertiger Lederoberflächen und bieten die höchste Wiederholbarkeit und Genauigkeit auf dem Markt. Wo andere Techniken aufgrund von Sondenkontakt, Oberflächenvariationen, Winkeln, Absorption oder Reflektivität keine zuverlässigen Daten liefern, sind die NANOVEA Profilometer erfolgreich.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das NANOVEA ST400 zur Messung und zum Vergleich der Oberflächenbeschaffenheit von zwei unterschiedlichen, aber eng bearbeiteten Lederproben eingesetzt. Mehrere Oberflächenparameter werden automatisch aus dem Oberflächenprofil berechnet.

Hier konzentrieren wir uns auf die Oberflächenrauhigkeit, die Grübchentiefe, den Grübchenabstand und den Grübchendurchmesser für eine vergleichende Bewertung.

NANOVEA

ST400

MEHR LERNEN

ERGEBNISSE: PROBE 1

ISO 25178

HÖHENPARAMETER

ANDERE 3D-PARAMETER

ERGEBNISSE: STICHPROBE 2

ISO 25178

HÖHENPARAMETER

ANDERE 3D-PARAMETER

TIEFENKOMPARATIV

Tiefenverteilung für jede Probe.
Eine große Anzahl tiefer Grübchen wurde beobachtet in BEISPIEL 1.

TONHÖHE VERGLEICHEND

Abstand zwischen den Vertiefungen auf BEISPIEL 1 ist etwas kleiner
als BEISPIEL 2aber beide haben eine ähnliche Verteilung

 MITTLERER DURCHMESSER VERGLEICHEND

Ähnliche Verteilungen des mittleren Durchmessers der Grübchen,
mit BEISPIEL 1 mit durchschnittlich etwas kleineren Durchmessern.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie das NANOVEA ST400 3D-Profilometer die Oberflächenbeschaffenheit von verarbeitetem Leder präzise charakterisieren kann. In dieser Studie konnten wir dank der Möglichkeit, Oberflächenrauheit, Grübchentiefe, Grübchenabstand und Grübchendurchmesser zu messen, Unterschiede zwischen der Oberfläche und der Qualität der beiden Proben quantifizieren, die bei einer visuellen Inspektion möglicherweise nicht offensichtlich sind.

Insgesamt gab es keine sichtbaren Unterschiede im Aussehen der 3D-Scans zwischen PROBE 1 und PROBE 2. In der statistischen Analyse gibt es jedoch einen klaren Unterschied zwischen den beiden Proben. PROBE 1 enthält im Vergleich zu PROBE 2 eine größere Anzahl von Grübchen mit kleineren Durchmessern, größerer Tiefe und geringerem Abstand zwischen den Grübchen.

Bitte beachten Sie, dass zusätzliche Studien verfügbar sind. Spezielle Bereiche von Interesse können mit einem integrierten AFM- oder Mikroskop-Modul weiter analysiert werden. Die Geschwindigkeiten des NANOVEA 3D-Profilometers reichen von 20 mm/s bis 1 m/s für Labor- oder Forschungszwecke, um den Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsprüfung gerecht zu werden.

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Mechanische Eigenschaften des Hydrogels

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DES HYDROGELS

MIT NANOINDENTATION

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

EINFÜHRUNG

Hydrogel ist dafür bekannt, dass es sehr viel Wasser aufnehmen kann und daher in seiner Flexibilität dem natürlichen Gewebe sehr ähnlich ist. Diese Ähnlichkeit hat dazu geführt, dass Hydrogele nicht nur in Biomaterialien, sondern auch in der Elektronik, im Umweltbereich und bei Verbrauchsgütern wie Kontaktlinsen häufig eingesetzt werden. Jede einzelne Anwendung erfordert spezifische mechanische Eigenschaften des Hydrogels.

BEDEUTUNG DER NANOINDENTATION FÜR HYDROGELE

Hydrogele stellen besondere Anforderungen an die Nanoindentation, wie z. B. die Auswahl der Testparameter und die Probenvorbereitung. Viele Nanoindentationssysteme weisen erhebliche Einschränkungen auf, da sie ursprünglich nicht für folgende Zwecke entwickelt wurden solche weichen Materialien. Einige der Nanoindentationssysteme verwenden eine Spulen-/Magnetanordnung, um Kraft auf die Probe auszuüben. Es erfolgt keine tatsächliche Kraftmessung, was bei der Prüfung weicher Materialien zu ungenauen und nicht linearen Belastungen führt. Materialien. Die Bestimmung des Kontaktpunktes ist äußerst schwierig, da die Die Tiefe ist der einzige Parameter, der tatsächlich gemessen wird. Es ist fast unmöglich, die Veränderung des Gefälles in der Tiefe vs. Zeit Handlung während der Zeitraum, in dem sich die Eindringspitze dem Hydrogelmaterial nähert.

Um die Einschränkungen dieser Systeme zu überwinden, wurde das Nanomodul des NANOVEA Mechanischer Tester Misst die Kraftrückkopplung mit einer einzelnen Kraftmessdose, um eine hohe Genauigkeit bei allen Arten von Materialien, ob weich oder hart, zu gewährleisten. Die piezogesteuerte Verschiebung erfolgt äußerst präzise und schnell. Dies ermöglicht eine beispiellose Messung viskoelastischer Eigenschaften, indem viele theoretische Annahmen eliminiert werden, die Systeme mit einer Spulen-/Magnetanordnung und ohne Kraftrückkopplung berücksichtigen müssen.

MESSZIEL

Bei dieser Anwendung ist die NANOVEA Das mechanische Prüfgerät im Nanoindentationsmodus wird zur Untersuchung der Härte, des Elastizitätsmoduls und des Kriechverhaltens einer Hydrogelprobe verwendet.

NANOVEA

PB1000

Nanoindenter und Kratzprüfgerät Nanovea PB1000
TESTBEDINGUNGEN

Eine auf einem Glasobjektträger platzierte Hydrogelprobe wurde mittels Nanoindentationstechnik mit einem NANOVEA Mechanischer Tester. Für dieses weiche Material wurde eine kugelförmige Spitze mit 3 mm Durchmesser verwendet. Die Belastung stieg während des Belastungszeitraums linear von 0,06 bis 10 mN an. Das Kriechen wurde dann durch die Änderung der Eindringtiefe bei der maximalen Belastung von 10 mN für 70 Sekunden gemessen.

ANNÄHERUNGSGESCHWINDIGKEIT: 100 μm/min

KONTAKT LADUNG
0,06 mN
MAX BELASTUNG
10 mN
LADUNGSVERFAHREN

20 mN/min

CREEP
70 s
ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Entwicklung der Belastung und der Tiefe in Abhängigkeit von der Zeit ist dargestellt in FUGUR 1. Es ist zu beobachten, dass auf dem Diagramm der Tiefe vs. ZeitWenn man den Punkt der Neigungsänderung zu Beginn der Belastungsperiode bestimmt, ist es sehr schwierig, den Punkt zu bestimmen, an dem der Eindringkörper beginnt, das weiche Material zu berühren. Allerdings ist die Darstellung der Last vs. Zeit zeigt das eigentümliche Verhalten des Hydrogels unter einer Belastung. Sobald das Hydrogel mit dem Kugeleindringkörper in Berührung kommt, zieht das Hydrogel den Kugeleindringkörper aufgrund seiner Oberflächenspannung an, was zu einer Verringerung der Oberfläche führt. Dieses Verhalten führt dazu, dass die gemessene Belastung zu Beginn der Belastungsphase negativ ist. Die Belastung nimmt allmählich zu, wenn der Eindringkörper in das Hydrogel eindringt, und wird dann 70 Sekunden lang konstant auf die maximale Belastung von 10 mN geregelt, um das Kriechverhalten des Hydrogels zu untersuchen.

ABBILDUNG 1: Entwicklung der Belastung und der Tiefe in Abhängigkeit von der Zeit.

Die Handlung des Kriechtiefe vs. Zeit wird gezeigt in ABBILDUNG 2und die Last vs. Verdrängung Das Diagramm des Nanoindentationstests ist dargestellt in ABBILDUNG 3. Das Hydrogel in dieser Studie besitzt eine Härte von 16,9 KPa und einen Elastizitätsmodul von 160,2 KPa, wie anhand der Lastverschiebungskurve nach der Oliver-Pharr-Methode berechnet.

Kriechen ist ein wichtiger Faktor für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften eines Hydrogels. Die enge Rückkopplungsschleife zwischen Piezo und ultrasensibler Kraftmesszelle gewährleistet eine wirklich konstante Belastung während der Kriechzeit bei maximaler Belastung. Wie in ABBILDUNG 2Bei der maximalen Belastung von 10 mN, die von der 3 mm langen Kugelspitze ausgeübt wird, sinkt das Hydrogel in 70 Sekunden um ~42 μm durch Kriechen ab.

ABBILDUNG 2: Kriechen bei einer maximalen Belastung von 10 mN für 70 Sekunden.

ABBILDUNG 3: Das Diagramm von Belastung und Verdrängung des Hydrogels.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass die NANOVEA Der Mechanik-Tester im Nanoindentationsmodus ermöglicht eine präzise und wiederholbare Messung der mechanischen Eigenschaften eines Hydrogels, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul und Kriechverhalten. Die große 3 mm-Kugelspitze sorgt für den richtigen Kontakt mit der Hydrogeloberfläche. Der hochpräzise motorisierte Probentisch ermöglicht eine genaue Positionierung der flachen Seite der Hydrogelprobe unter der Kugelspitze. Das Hydrogel in dieser Studie weist eine Härte von 16,9 KPa und einen Elastizitätsmodul von 160,2 KPa auf. Die Kriechtiefe beträgt ~42 μm bei einer Belastung von 10 mN für 70 Sekunden.

NANOVEA Mechanische Prüfgeräte bieten unübertroffene Multifunktions-Nano- und -Mikro-Module auf einer einzigen Plattform. Beide Module umfassen einen Kratzertester, einen Härtetester und einen Verschleißtestermodus und bieten damit das breiteste und benutzerfreundlichste Spektrum an Tests, das auf einer einzigen Plattform verfügbar ist.
System.

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