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AR Categoría: Indentación | Dureza y elasticidad
Evaluación de la dureza del tejido biológico mediante nanoindentación
Importancia de la nanoindentación de tejidos biológicos
Las pruebas mecánicas tradicionales (dureza, adhesión, compresión, perforación, límite elástico, etc.) requieren una mayor precisión y fiabilidad en los entornos actuales de control de calidad, con una amplia gama de materiales avanzados, desde tejidos hasta materiales frágiles. Los instrumentos mecánicos tradicionales no proporcionan el control de carga sensible y la resolución necesarios para los materiales avanzados. Los retos asociados a los biomateriales requieren el desarrollo de ensayos mecánicos capaces de controlar con precisión la carga en materiales extremadamente blandos. Estos materiales requieren cargas de ensayo muy bajas, inferiores a un mN, con un amplio rango de profundidad para garantizar una medición adecuada de las propiedades. Además, se pueden realizar muchos tipos diferentes de ensayos mecánicos en un solo sistema, lo que permite una mayor funcionalidad. Esto proporciona una serie de mediciones importantes sobre los biomateriales, como la dureza, el módulo de elasticidad, el módulo de pérdida y almacenamiento, y la fluencia, además de la resistencia al rayado y los puntos de fallo del límite elástico.
Objetivo de medición
En esta aplicación, se utiliza el comprobador mecánico de Nanovea en modo de nanoindentación para estudiar la dureza y el módulo de elasticidad de tres áreas distintas de un sustituto biomaterial en las regiones grasas, magras y oscuras del jamón serrano.
La nanoindentación se basa en las normas de indentación instrumentada ASTM E2546 e ISO 14577. Utiliza métodos establecidos en los que se introduce una punta de indentación de geometría conocida en un punto específico del material de ensayo con una carga normal creciente controlada. Cuando se alcanza una profundidad máxima preestablecida, la carga normal se reduce hasta que se produce una relajación completa. La carga se aplica mediante un actuador piezoeléctrico y se mide en un bucle controlado con una célula de carga de alta sensibilidad. Durante los experimentos, la posición del indentador con respecto a la superficie de la muestra se supervisa con un sensor capacitivo de alta precisión. Las curvas de carga y desplazamiento resultantes proporcionan datos específicos sobre la naturaleza mecánica del material sometido a ensayo. Los modelos establecidos calculan los valores cuantitativos de dureza y módulo con los datos medidos. La nanoindentación es adecuada para mediciones de baja carga y profundidad de penetración a escala nanométrica.
Resultados y debate
Las siguientes tablas presentan los valores medidos de dureza y módulo de Young con promedios y desviaciones estándar. Una rugosidad superficial elevada puede provocar grandes variaciones en los resultados debido al pequeño tamaño de la indentación.
La zona grasa tenía aproximadamente la mitad de la dureza de las zonas cárnicas. El tratamiento de la carne hizo que la zona cárnica más oscura fuera más dura que la zona cárnica clara. El módulo de elasticidad y la dureza están directamente relacionados con la textura en boca y la masticabilidad de las zonas grasas y cárnicas. La zona grasa y la zona cárnica clara siguen presentando una deformación continua a un ritmo mayor que la carne oscura después de 60 segundos.
Resultados detallados: grasa
Resultados detallados: carne magra
Resultados detallados: carne oscura
Conclusión
En esta aplicación, Nanovea's probador mecánico En modo de nanoindentación, determinó de manera confiable las propiedades mecánicas de las áreas de grasa y carne, superando la alta rugosidad de la superficie de la muestra. Esto demostró la amplia e inigualable capacidad del medidor mecánico de Nanovea. El sistema proporciona simultáneamente mediciones precisas de las propiedades mecánicas de materiales extremadamente duros y tejidos biológicos blandos.
La célula de carga en control de bucle cerrado con la mesa piezoeléctrica garantiza una medición precisa de materiales gelatinosos duros o blandos de 1 a 5 kPa. Con el mismo sistema, es posible someter a prueba biomateriales con cargas más elevadas, de hasta 400 N. La carga multiciclo se puede utilizar para pruebas de fatiga y se puede obtener información sobre la resistencia al rendimiento en cada zona utilizando una punta de diamante cilíndrica plana. Además, con el análisis mecánico dinámico (DMA), se pueden evaluar con gran precisión las propiedades viscoelásticas de pérdida y los módulos de almacenamiento utilizando el control de carga de bucle cerrado. También se pueden realizar pruebas a diferentes temperaturas y bajo líquidos en el mismo sistema.
El probador mecánico de Nanovea sigue siendo la herramienta más adecuada para aplicaciones biológicas y de polímeros blandos/geles.
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Evaluación de la dureza dental mediante nanoindentación
Importancia de la nanoindentación para los biomateriales
Con muchas pruebas mecánicas tradicionales (dureza, adhesión, compresión, perforación, límite elástico, etc.), los entornos actuales de control de calidad con materiales sensibles avanzados, desde geles hasta materiales frágiles, requieren ahora un mayor control de la precisión y la fiabilidad. Los instrumentos mecánicos tradicionales no proporcionan el control de carga sensible y la resolución necesarios, ya que están diseñados para utilizarse con materiales a granel. A medida que el tamaño de los materiales sometidos a prueba cobró mayor interés, se desarrolló Nanoindentación proporcionó un método confiable para obtener información mecánica esencial en superficies más pequeñas, como la investigación que se realiza con biomateriales. Los retos específicos asociados a los biomateriales han requerido el desarrollo de ensayos mecánicos capaces de controlar con precisión la carga en materiales extremadamente blandos o frágiles. Además, se necesitan múltiples instrumentos para realizar diversos ensayos mecánicos que ahora pueden llevarse a cabo en un solo sistema. La nanoindentación proporciona una amplia gama de mediciones con una resolución precisa a cargas controladas a nanoescala para aplicaciones sensibles.
Objetivo de medición
En esta aplicación, Nanovea Comprobador mecánico, en modo nanoindentación, se utiliza para estudiar la dureza y el módulo elástico de la dentina, la caries y la pulpa de un diente. El aspecto más crítico de las pruebas de nanoindentación es asegurar la muestra. En este caso, tomamos un diente cortado y lo montamos con epoxi, dejando expuestas las tres áreas de interés para la prueba.
Resultados y debate
Esta sección incluye una tabla resumen que compara los principales resultados numéricos de las diferentes muestras, seguida de la lista completa de resultados, incluyendo cada indentación realizada, acompañada de micrografías de la indentación, cuando están disponibles. Estos resultados completos presentan los valores medidos de dureza y módulo de Young como la profundidad de penetración con sus promedios y desviaciones estándar. Debe tenerse en cuenta que pueden producirse grandes variaciones en los resultados en caso de que la rugosidad de la superficie se encuentre en el mismo rango de tamaño que la indentación.
Cuadro resumen de los principales resultados numéricos:
Conclusión
En conclusión, hemos demostrado cómo el Nanovea Mechanical Tester, en modo nanoindentación, proporciona una medición precisa de las propiedades mecánicas de un diente. Los datos pueden utilizarse en el desarrollo de empastes que se adapten mejor a las características mecánicas de un diente real. La capacidad de posicionamiento del Nanovea Mechanical Tester permite realizar un mapeo completo de la dureza de los dientes en las distintas zonas.
Utilizando el mismo sistema, es posible probar la resistencia a la fractura del material dental con cargas más elevadas, de hasta 200 N. Se puede realizar una prueba de carga multiciclo en materiales más porosos para evaluar el nivel de elasticidad restante. El uso de una punta de diamante cilíndrica plana puede proporcionar información sobre el límite elástico en cada zona. Además, con el “análisis mecánico dinámico” (DMA), se pueden evaluar las propiedades viscoelásticas, incluidos los módulos de pérdida y almacenamiento.
El nanomódulo Nanovea es ideal para estas pruebas porque utiliza una respuesta de retroalimentación única para controlar con precisión la carga aplicada. Gracias a ello, el nanomódulo también se puede utilizar para realizar pruebas precisas de nanoarañazos. El estudio de la resistencia al rayado y al desgaste de los materiales dentales y de obturación aumenta la utilidad general del probador mecánico. El uso de una punta afilada de 2 micras para comparar cuantitativamente el desgaste de los materiales de obturación permitirá predecir mejor el comportamiento en aplicaciones reales. Las pruebas de desgaste multipaso o de desgaste rotativo directo también son pruebas comunes que proporcionan información importante sobre la viabilidad a largo plazo.
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Caracterización nanomecánica de las constantes elásticas
La capacidad de los resortes para almacenar energía mecánica tiene una larga historia de uso. Desde arcos para cazar hasta cerraduras para puertas, la tecnología de los resortes existe desde hace muchos siglos. Hoy en día dependemos de los resortes, ya sea en colchones, bolígrafos o suspensiones de automóviles, ya que desempeñan un papel fundamental en nuestra vida cotidiana. Con una variedad tan amplia de usos y diseños, es necesario poder cuantificar sus propiedades mecánicas.
Herramienta mecánica de selección de mapas Broadview
Todos hemos oído la expresión «el tiempo es oro». Por eso, muchas empresas buscan constantemente métodos para agilizar y mejorar diversos procesos, ya que así se ahorra tiempo. En lo que respecta a las pruebas de indentación, la velocidad, la eficiencia y la precisión se pueden integrar en un proceso de control de calidad o de I+D utilizando uno de nuestros probadores mecánicos Nanovea. En esta nota de aplicación, mostraremos una forma sencilla de ahorrar tiempo con nuestro probador mecánico Nanovea y las funciones del software Broad View Map y Selection Tool.
Haga clic para leer la nota de aplicación completa.
Transición vítrea localizada con precisión mediante DMA por nanoindentación
Transición vítrea localizada con precisión mediante DMA por nanoindentación
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Imaginemos una situación en la que una muestra a granel se calienta uniformemente a una velocidad constante. A medida que el material a granel se calienta y se acerca a su punto de fusión, comienza a perder rigidez. Si se realizan indentaciones periódicas (ensayos de dureza) con la misma fuerza objetivo, la profundidad de cada indentación debería aumentar constantemente, ya que la muestra se vuelve más blanda (véase la figura 1). Esto continúa hasta que la muestra comienza a fundirse. En ese momento, se observará un gran aumento de la profundidad por indentación. Utilizando este concepto, se puede observar el cambio de fase en un material mediante oscilaciones dinámicas con una amplitud de fuerza fija y midiendo su desplazamiento, es decir, mediante el análisis mecánico dinámico (DMA).
¡Lee sobre la transición vítrea localizada precisa!
Medición de la relajación de tensiones mediante nanoindentación
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Compresión en materiales blandos y flexibles
Importancia de probar materiales blandos y flexibles
Un ejemplo de muestras muy blandas y flexibles son los sistemas microelectromecánicos. Los MEMS se utilizan en productos comerciales de uso cotidiano, como impresoras, teléfonos móviles y automóviles [1]. Sus usos también incluyen funciones especiales, como biosensores [2] y recolección de energía [3]. Para sus aplicaciones, los MEMS deben ser capaces de pasar de forma reversible y repetida de su configuración original a una configuración comprimida [4]. Para comprender cómo reaccionarán las estructuras ante las fuerzas mecánicas, se pueden realizar ensayos de compresión. Los ensayos de compresión se pueden utilizar para probar y ajustar diversas configuraciones de MEMS, así como para probar los límites de fuerza superior e inferior de estas muestras.
La Nanovea Comprobador mecánico Nano La capacidad del módulo para recopilar datos con precisión a cargas muy bajas y desplazarse más de 1 mm lo hace ideal para probar muestras blandas y flexibles. Al contar con sensores de carga y profundidad independientes, el gran desplazamiento del indentador no afecta a las lecturas del sensor de carga. La capacidad de realizar pruebas de baja carga en un rango de más de 1 mm de desplazamiento del indentador hace que nuestro sistema sea único en comparación con otros sistemas de nanoindentación. En comparación, una distancia de desplazamiento razonable para un sistema de indentación a nanoescala suele ser inferior a 250 μm.
Objetivo de medición
En este estudio de caso, Nanovea realizó pruebas de compresión en dos muestras flexibles y elásticas únicas. Mostramos nuestra capacidad para realizar compresiones con cargas muy bajas y registrar grandes desplazamientos, al tiempo que obtenemos datos precisos con cargas bajas, y cómo esto se puede aplicar a la industria de los MEMS. Debido a las políticas de privacidad, las muestras y su origen no se revelarán en este estudio.
Parámetros de medición
Nota: La velocidad de carga de 1 V/min es proporcional a aproximadamente 100 μm de desplazamiento cuando el penetrador se encuentra en el aire.
Resultados y debate
La respuesta de la muestra a las fuerzas mecánicas se puede observar en las curvas de carga frente a profundidad. La muestra A solo muestra una deformación elástica lineal con los parámetros de prueba indicados anteriormente. La figura 2 es un buen ejemplo de la estabilidad que se puede alcanzar para una curva de carga frente a profundidad a 75 μN. Debido a la estabilidad de los sensores de carga y profundidad, sería fácil percibir cualquier respuesta mecánica significativa de la muestra.
La muestra B muestra una respuesta mecánica diferente a la de la muestra A. A partir de los 750 μm de profundidad, comienza a aparecer un comportamiento similar a una fractura en el gráfico. Esto se observa en las fuertes caídas de carga a 850 y 975 μm de profundidad. A pesar de desplazarse a una alta velocidad de carga durante más de 1 mm en un rango de 8 mN, nuestros sensores de carga y profundidad de alta sensibilidad permiten al usuario obtener las elegantes curvas de carga frente a profundidad que se muestran a continuación.
La rigidez se calculó a partir de la parte de descarga de las curvas de carga frente a profundidad. La rigidez refleja la fuerza necesaria para deformar la muestra. Para este cálculo de rigidez, se utilizó un coeficiente de Poisson pseudo de 0,3, ya que se desconoce el coeficiente real del material. En este caso, la muestra B resultó ser más rígida que la muestra A.
Conclusión
Se sometieron a prueba dos muestras flexibles diferentes bajo compresión utilizando el módulo Nano del Nanovea Mechanical Tester. Las pruebas se realizaron con cargas muy bajas (1 mm). Las pruebas de compresión a nanoescala con el módulo Nano han demostrado la capacidad del módulo para probar muestras muy blandas y flexibles. Las pruebas adicionales para este estudio podrían abordar cómo la carga cíclica repetida afecta al aspecto de recuperación elástica de las muestras elásticas a través de la opción de carga múltiple del Nanovea Mechanical Tester.
Para obtener más información sobre este método de prueba, no dude en ponerse en contacto con nosotros en [email protected] y, si desea consultar otras notas de aplicación, visite nuestra amplia biblioteca digital de notas de aplicación.
Referencias
[1] “Introducción y áreas de aplicación de los MEMS”. EEHerald, 1 de marzo de 2017., www.eeherald.com/section/design-guide/mems_application_introduction.html.
[2] Louizos, Louizos-Alexandros; Athanasopoulos, Panagiotis G.; Varty, Kevin (2012). “Sistemas microelectromecánicos y nanotecnología. Una plataforma para la próxima era tecnológica de los stents”. Vasc Endovascular Surg. 46 (8): 605-609. doi:10.1177/1538574412462637. PMID 23047818.
[3] Hajati, Arman; Sang-Gook Kim (2011). “Recolección de energía piezoeléctrica de ancho de banda ultraamplio”. Applied Physics Letters. 99 (8): 083105. doi:10.1063/1.3629551.
[4] Fu, Haoran, et al. “Mesostructuras 3D moldeables y dispositivos microelectrónicos mediante mecánica de pandeo multiestable”. Nature materials 17.3 (2018): 268.
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Propiedades mecánicas de los recubrimientos de obleas de carburo de silicio
Es fundamental comprender las propiedades mecánicas de los recubrimientos de las obleas de carburo de silicio. El proceso de fabricación de dispositivos microelectrónicos puede constar de más de 300 pasos diferentes y durar entre seis y ocho semanas. Durante este proceso, el sustrato de la oblea debe ser capaz de soportar las condiciones extremas de la fabricación, ya que un fallo en cualquier paso supondría una pérdida de tiempo y dinero. Las pruebas de dureza, La adhesión/resistencia a los rayones y el COF/índice de desgaste de la oblea deben cumplir ciertos requisitos para soportar las condiciones impuestas durante el proceso de fabricación y aplicación, a fin de garantizar que no se produzcan fallas.
Propiedades mecánicas de los recubrimientos de obleas de carburo de silicio
Propiedades mecánicas y tribológicas de la fibra de carbono
Combinado con la prueba de desgaste por Tribómetro y análisis de superficies mediante perfilómetro óptico 3D, nos
mostrar la versatilidad y precisión de los instrumentos Nanovea en el ensayo de materiales compuestos
con propiedades mecánicas direccionales.
Evaluación biomecánica de la dureza de los tejidos
La capacidad de medir con precisión las propiedades mecánicas en el campo de las ciencias de la vida se ha convertido recientemente en un aspecto importante de muchos estudios actuales. En algunos casos, comprender las propiedades mecánicas de las superficies biológicas blandas ha ayudado a descubrir los efectos mecánicos de las enfermedades. Comprender las propiedades mecánicas proporciona un contexto para identificar el comportamiento mecánico local relacionado con cambios específicos. También es fundamental en el desarrollo de biomateriales artificiales. En esta aplicación, el Nanovea Comprobador mecánico, en Nanoindentación modo, se utiliza para estudiar la dureza biomecánica y el módulo de elasticidad de tres áreas distintas del jamón (grasa, carne clara y carne oscura).
Evaluación de la dureza dental mediante nanoindentación
En esta aplicación, Nanovea Comprobador mecánico, en Nanoindentación modo, se utiliza para estudiar la dureza y el módulo de elasticidad de la dentina, la caries y la pulpa de un diente. El aspecto más crítico de las pruebas de nanoindentación es asegurar la muestra; en este caso, tomamos un diente cortado y lo montamos con epoxi, dejando expuestas las tres áreas de interés para su análisis.
