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AR Archives mensuelles : avril 2020
Analyse des matériaux composites à l'aide de la profilométrie 3D
Importance de la profilométrie sans contact pour les matériaux composites
Il est essentiel de minimiser les défauts pour que les matériaux composites soient aussi solides que possible dans les applications de renforcement. Comme il s'agit d'un matériau anisotrope, il est essentiel que la direction du tissage soit cohérente pour maintenir la prévisibilité des performances. Les matériaux composites présentent l'un des rapports résistance/poids les plus élevés, ce qui les rend plus résistants que l'acier dans certains cas. Il est important de limiter la surface exposée dans les composites pour minimiser la vulnérabilité chimique et les effets de l'expansion thermique. L'inspection de surface par profilométrie est essentielle pour le contrôle de la qualité de la production des composites afin de garantir des performances solides sur une longue période de service.
de Nanovéa Profilomètre 3D sans contact est différent des autres techniques de mesure de surface telles que les sondes tactiles ou l'interférométrie. Nos profilomètres utilisent le chromatisme axial pour mesurer presque toutes les surfaces et l'étagement ouvert permet d'échantillonner des échantillons de toutes tailles sans aucune préparation nécessaire. Les mesures nano à macro sont obtenues lors de la mesure du profil de surface sans aucune influence de la réflectivité ou de l'absorption de l'échantillon. Nos profilomètres mesurent facilement n'importe quel matériau : transparent, opaque, spéculaire, diffusif, poli et rugueux avec la capacité avancée de mesurer des angles de surface élevés sans manipulation logicielle. La technique du profilomètre sans contact offre la capacité idéale et conviviale pour maximiser les études de surface des matériaux composites ; ainsi que les avantages des capacités combinées 2D et 3D.
Objectif de la mesure
Le profilomètre Nanovea HS2000L utilisé dans cette application a mesuré la surface de deux tissages de composites en fibre de carbone. La rugosité de surface, la longueur du tissage, l'isotropie, l'analyse fractale et d'autres paramètres de surface sont utilisés pour caractériser les composites. La surface mesurée a été choisie au hasard et supposée suffisamment grande pour que les valeurs des propriétés puissent être comparées à l'aide du puissant logiciel d'analyse de surface de Nanovea.
Résultats et discussion
Analyse de surface
Les paramètres de hauteur déterminent la rugosité des pièces composites avec un faible rapport fibre/matrice. Nos résultats comparent différents types de tissage et de tissu pour déterminer la finition de surface après traitement. La finition de surface devient critique dans les applications où l'aérodynamisme peut être impliqué.
Isotropie
L'isotropie montre la directionnalité du tissage pour déterminer les valeurs de propriétés attendues. Notre étude montre comment le composite bidirectionnel est ~60% isotrope comme prévu. Pendant ce temps, le composite unidirectionnel est ~13% isotrope en raison de la forte direction du chemin de la fibre unique.
Analyse du tissage
La taille du tissage détermine l'uniformité du tassement et de la largeur des fibres utilisées dans le composite. Notre étude montre qu'il est facile de mesurer la taille du tissage au micron près pour garantir la qualité des pièces.
Analyse des textures
L'analyse de la texture de la longueur d'onde dominante suggère que les brins des deux composites ont une épaisseur de 4,27 microns. L'analyse de la dimension fractale de la surface de la fibre détermine la régularité pour trouver la facilité avec laquelle les fibres se fixent dans une matrice. La dimension fractale de la fibre unidirectionnelle est plus élevée que celle de la fibre bidirectionnelle, ce qui peut affecter le traitement des composites.
Conclusion
Dans cette application, nous avons montré que le profilomètre sans contact Nanovea HS2000L caractérise précisément la surface fibreuse des matériaux composites. Nous avons distingué les différences entre les types de tissage de la fibre de carbone avec les paramètres de hauteur, l'isotropie, l'analyse de la texture et les mesures de distance, et bien plus encore.
Les mesures de surface de nos profilomètres atténuent précisément et rapidement les dommages causés aux composites, ce qui réduit les défauts dans les pièces et maximise la capacité des matériaux composites. La vitesse du profilomètre 3D de Nanovea va de <1mm/s à 500mm/s pour convenir aux applications de recherche jusqu'aux besoins d'inspection à grande vitesse. Le profilomètre Nanovea est la solution
à tout besoin de mesure composite.
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Évaluation de la dureté des tissus biologiques par nanoindentation
Importance de la nanoindentation des tissus biologiques
Les essais mécaniques traditionnels (dureté, adhésion, compression, perforation, limite d'élasticité, etc.) exigent une précision et une fiabilité accrues dans les environnements actuels de contrôle de la qualité, avec un large éventail de matériaux avancés, allant des tissus aux matériaux fragiles. L'instrumentation mécanique traditionnelle ne parvient pas à fournir le contrôle sensible de la charge et la résolution nécessaires pour les matériaux avancés. Les défis associés aux biomatériaux nécessitent le développement de tests mécaniques capables de contrôler précisément la charge sur des matériaux extrêmement mous. Ces matériaux nécessitent des charges d'essai très faibles, inférieures au mN, avec une grande plage de profondeur pour garantir une mesure correcte des propriétés. En outre, de nombreux types d'essais mécaniques différents peuvent être réalisés sur un seul système, ce qui permet une plus grande fonctionnalité. Cela permet d'effectuer une série de mesures importantes sur les biomatériaux, notamment la dureté, le module d'élasticité, le module de perte et de stockage et le fluage, en plus de la résistance aux rayures et des points de rupture de la limite élastique.
Objectif de la mesure
Dans cette application, le testeur mécanique de Nanovea en mode nanoindentation est utilisé pour étudier la dureté et le module d'élasticité de 3 zones distinctes d'un substitut de biomatériau sur les régions de gras, de viande claire et de viande foncée du prosciutto.
La nanoindentation est basée sur les normes d'indentation instrumentée ASTM E2546 et ISO 14577. Elle utilise des méthodes établies où une pointe de pénétration de géométrie connue est enfoncée dans un site spécifique du matériau d'essai avec une charge normale croissante contrôlée. Lorsqu'une profondeur maximale prédéfinie est atteinte, la charge normale est réduite jusqu'à ce qu'une relaxation complète se produise. La charge est appliquée par un actionneur piézoélectrique et mesurée dans une boucle contrôlée avec une cellule de charge à haute sensibilité. Pendant les expériences, la position du pénétrateur par rapport à la surface de l'échantillon est contrôlée par un capteur capacitif de haute précision. Les courbes de charge et de déplacement qui en résultent fournissent des données spécifiques à la nature mécanique du matériau testé. Des modèles établis calculent des valeurs quantitatives de dureté et de module à partir des données mesurées. La nanoindentation est adaptée aux mesures de faible charge et de profondeur de pénétration à l'échelle nanométrique.
Résultats et discussion
Les tableaux ci-dessous présentent les valeurs mesurées de la dureté et du module d'Young avec les moyennes et les écarts types. Une rugosité de surface élevée peut entraîner de grandes variations dans les résultats en raison de la petite taille des empreintes.
La zone grasse présentait une dureté deux fois moindre que celle des zones de viande. Le traitement de la viande a rendu la zone de viande plus foncée plus dure que la zone de viande claire. Le module d'élasticité et la dureté sont en relation directe avec la sensation de mastication des zones de gras et de viande. Après 60 secondes, la graisse et la viande claire continuent à se déformer plus rapidement que la viande foncée.
Résultats détaillés - Graisse
Résultats détaillés - Viande légère
Résultats détaillés - Viande brune
Conclusion
Dans cette application, Nanovea testeur mécanique en mode nanoindentation, les propriétés mécaniques des zones de graisse et de viande ont été déterminées de manière fiable tout en surmontant la rugosité élevée de la surface de l'échantillon. Cela a démontré les capacités étendues et inégalées du testeur mécanique de Nanovea. Le système fournit simultanément des mesures précises des propriétés mécaniques sur des matériaux extrêmement durs et des tissus biologiques mous.
La cellule de charge en boucle fermée avec la table piézoélectrique assure une mesure précise des matériaux en gel dur ou mou de 1 à 5kPa. En utilisant le même système, il est possible de tester des biomatériaux à des charges plus élevées, jusqu'à 400N. Un chargement multi-cycle peut être utilisé pour les essais de fatigue et des informations sur la limite d'élasticité dans chaque zone peuvent être obtenues à l'aide d'une pointe de diamant cylindrique plate. En outre, grâce à l'analyse mécanique dynamique (DMA), les modules de perte et de stockage des propriétés viscoélastiques peuvent être évalués avec une grande précision en utilisant le contrôle de la charge en boucle fermée. Des tests à différentes températures et sous des liquides sont également disponibles sur le même système.
Le testeur mécanique de Nanovea continue d'être l'outil supérieur pour les applications biologiques et les polymères/gel mous.
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Évaluation de l'usure et des rayures d'un fil de cuivre traité en surface
Importance de l'évaluation de l'usure et de la rayure des fils de cuivre
Le cuivre a une longue histoire d'utilisation dans le câblage électrique depuis l'invention de l'électroaimant et du télégraphe. Les fils de cuivre sont utilisés dans une large gamme d'équipements électroniques tels que les panneaux, les compteurs, les ordinateurs, les machines commerciales et les appareils électroménagers, grâce à leur résistance à la corrosion, à leur soudabilité et à leurs performances à des températures élevées (jusqu'à 150 °C). Environ la moitié de tout le cuivre extrait est utilisé pour la fabrication de fils et de câbles électriques.
La qualité de la surface des fils de cuivre est essentielle pour les performances et la durée de vie des applications. Les micro-défauts des fils peuvent entraîner une usure excessive, l'apparition et la propagation de fissures, une diminution de la conductivité et une soudabilité inadéquate. Un traitement de surface approprié des fils de cuivre élimine les défauts de surface générés lors du tréfilage, améliorant ainsi la résistance à la corrosion, aux rayures et à l'usure. De nombreuses applications aérospatiales utilisant des fils de cuivre nécessitent un comportement contrôlé afin d'éviter une défaillance inattendue de l'équipement. Des mesures quantifiables et fiables sont nécessaires pour évaluer correctement la résistance à l'usure et aux rayures de la surface des fils de cuivre.
Objectif de la mesure
Dans cette application, nous simulons un processus d'usure contrôlée de différents traitements de surface de fils de cuivre. Essais par rayures mesure la charge nécessaire pour provoquer une rupture sur la couche de surface traitée. Cette étude présente le Nanovea Tribomètre et Testeur Méchanique comme outils idéaux pour l’évaluation et le contrôle qualité des fils électriques.
Procédure d'essai et procédures
Le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure de deux traitements de surface différents sur des fils de cuivre (fil A et fil B) ont été évalués par le tribomètre Nanovea à l'aide d'un module d'usure linéaire alternatif. Une bille d'Al₂O₃ (diamètre 6 mm) est le contre-matériau utilisé dans cette application. La trace d'usure a été examinée à l'aide du système Nanovea Profilomètre 3D sans contact. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1.
Une bille lisse en Al₂O₃ comme contre-matériau a été utilisée comme exemple dans cette étude. Tout matériau solide de forme et de finition de surface différentes peut être appliqué à l'aide d'un dispositif de fixation personnalisé pour simuler la situation d'application réelle.
Le testeur mécanique de Nanovea équipé d'un stylet en diamant Rockwell C (rayon de 100 μm) a effectué des tests de rayure à charge progressive sur les fils revêtus en utilisant le mode micro-rayure. Les paramètres du test de rayure et la géométrie de la pointe sont indiqués dans le tableau 2.
Résultats et discussion
Usure du fil de cuivre :
La figure 2 montre l'évolution du COF des fils de cuivre pendant les tests d'usure. Le fil A présente un COF stable de ~0,4 tout au long de l'essai d'usure tandis que le fil B présente un COF de ~0,35 dans les 100 premiers tours et augmente progressivement jusqu'à ~0,4.
La figure 3 compare les traces d'usure des fils de cuivre après les tests. Le profilomètre 3D sans contact de Nanovea a offert une analyse supérieure de la morphologie détaillée des traces d'usure. Il permet une détermination directe et précise du volume des traces d'usure en fournissant une compréhension fondamentale du mécanisme d'usure. La surface du fil B présente des traces d'usure significatives après un test d'usure de 600 tours. La vue 3D du profilomètre montre que la couche traitée en surface du fil B a été complètement retirée, ce qui a considérablement accéléré le processus d'usure. Cela a laissé une trace d'usure aplatie sur le fil B, là où le substrat de cuivre est exposé. Cela peut entraîner une réduction significative de la durée de vie des équipements électriques dans lesquels le fil B est utilisé. En comparaison, le fil A présente une usure relativement faible, comme le montre une trace d'usure peu profonde sur la surface. La couche traitée en surface sur le fil A ne s'est pas retirée comme la couche sur le fil B dans les mêmes conditions.
Résistance à la rayure de la surface du fil de cuivre :
La figure 4 montre les traces de rayures sur les fils après les tests. La couche protectrice du fil A présente une très bonne résistance aux rayures. Elle se délamine à une charge de ~12,6 N. En comparaison, la couche protectrice du fil B s'est rompue à une charge de ~1,0 N. Une telle différence significative dans la résistance à la rayure de ces fils contribue à leur performance d'usure, où le fil A possède une résistance à l'usure considérablement améliorée. L'évolution de la force normale, du COF et de la profondeur au cours des tests de rayure illustrés à la Fig. 5 fournit un meilleur aperçu de la rupture du revêtement pendant les tests.
Conclusion
Dans cette étude contrôlée, nous avons présenté le tribomètre Nanovea qui effectue une évaluation quantitative de la résistance à l'usure des fils de cuivre traités en surface et le testeur mécanique Nanovea qui fournit une évaluation fiable de la résistance à la rayure des fils de cuivre. Le traitement de surface des fils joue un rôle essentiel dans les propriétés tribo-mécaniques pendant leur durée de vie. Le traitement de surface approprié du fil A a considérablement amélioré la résistance à l'usure et aux rayures, ce qui est essentiel pour la performance et la durée de vie des fils électriques dans des environnements difficiles.
Le tribomètre de Nanovea offre des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de Nanovea est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.
