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Analisi meccanica dinamica del sughero mediante nanoindentazione

ANALISI MECCANICA DINAMICA

DEL SUGHERO MEDIANTE NANOINDENTAZIONE

Preparato da

FRANK LIU

INTRODUZIONE

L'analisi meccanica dinamica (DMA) è una tecnica potente utilizzata per studiare le proprietà meccaniche dei materiali. In questa applicazione, ci concentriamo sull'analisi del sughero, un materiale ampiamente utilizzato nei processi di sigillatura e invecchiamento del vino. Il sughero, ottenuto dalla corteccia della quercia Quercus suber, presenta strutture cellulari distinte che forniscono proprietà meccaniche simili a quelle dei polimeri sintetici. In un asse, il sughero ha una struttura a nido d'ape. Gli altri due assi sono strutturati in prismi multipli di forma rettangolare. Ciò conferisce al sughero proprietà meccaniche diverse a seconda dell'orientamento testato.

IMPORTANZA DELLE PROVE DI ANALISI MECCANICA DINAMICA (DMA) NELLA VALUTAZIONE DELLE PROPRIETÀ MECCANICHE DEL SUGHERO

La qualità dei tappi di sughero dipende in larga misura dalle loro proprietà meccaniche e fisiche, che sono fondamentali per la loro effcacia nella sigillatura del vino. I fattori chiave che determinano la qualità del sughero includono la flessibilità, l'isolamento, la resilienza e l'impermeabilità a gas e liquidi. Utilizzando test di analisi meccanica dinamica (DMA), possiamo valutare quantitativamente le proprietà di flessibilità e resilienza dei tappi di sughero, fornendo un metodo di valutazione affidabile.

Il tester meccanico NANOVEA PB1000 nel Nanoindentazione consente di caratterizzare queste proprietà, in particolare il modulo di Young, il modulo di accumulo, il modulo di perdita e il tan delta (tan (δ)). Il test DMA consente inoltre di raccogliere dati preziosi sullo sfasamento, la durezza, le sollecitazioni e le deformazioni del materiale di sughero. Grazie a queste analisi complete, è possibile approfondire il comportamento meccanico dei tappi di sughero e la loro idoneità per le applicazioni di sigillatura del vino.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, è stata eseguita un'analisi meccanica dinamica (DMA) su quattro tappi di sughero utilizzando il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità di nanoindentazione. La qualità dei tappi di sughero è etichettata come: 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colmato, 4 - Gomma sintetica. Le prove di indentazione DMA sono state condotte sia in direzione assiale che radiale per ciascun tappo di sughero. Analizzando la risposta meccanica dei tappi di sughero, abbiamo cercato di capire il loro comportamento dinamico e di valutare le loro prestazioni in caso di orientamenti diversi.

NANOVEA

PB1000

PARAMETRI DEL TEST

FORZA MASSIMA75 mN
TASSO DI CARICO150 mN/min
TASSO DI SCARICO150 mN/min
AMPLITUDINE5 mN
FREQUENZA1 Hz
CREEP60 s

tipo di penetratore

Palla

51200 Acciaio

Diametro 3 mm

RISULTATI

Nelle tabelle e nei grafici seguenti vengono confrontati il modulo di Young, il modulo di accumulo, il modulo di perdita e il tan delta tra ciascun campione e orientamento.

Modulo di Young: Stiffness; valori elevati indicano stiff, valori bassi indicano flessibilità.

Modulo di stoccaggio: Risposta elastica; energia immagazzinata nel materiale.

Modulo di perdita: Risposta viscosa; energia persa a causa del calore.

Abbronzatura (δ): Smorzamento; valori elevati indicano un maggiore smorzamento.

ORIENTAMENTO ASSIALE

TappoMODULO DI YOUNGMODULO DI ACCUMULOMODULO DI PERDITATAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
122.567522.272093.6249470.162964
218.5466418.271533.1623490.17409
323.7538123.472673.6178190.154592
423.697223.580642.3470080.099539



ORIENTAMENTO RADIALE

TappoMODULO DI YOUNGMODULO DI ACCUMULOMODULO DI PERDITATAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
124.7886324.565423.3082240.134865
226.6661426.317394.2862160.163006
344.0786743.614266.3659790.146033
428.0475127.941482.4359780.087173

MODULO DI YOUNG

MODULO DI ACCUMULO

MODULO DI PERDITA

TAN DELTA

Tra i tappi di sughero, il modulo di Young non è molto diverso quando viene testato in direzione assiale. Solo i tappi #2 e #3 mostrano un'apparente differenza nel modulo di Young tra la direzione radiale e quella assiale. Di conseguenza, anche il modulo di accumulo e il modulo di perdita saranno più alti in direzione radiale che in direzione assiale. Il tappo #4 presenta caratteristiche simili a quelle dei tappi in sughero naturale, tranne che per il modulo di perdita. Questo dato è molto interessante perché significa che il sughero naturale ha una proprietà più viscosa rispetto al materiale in gomma sintetica.

CONCLUSIONE

La NANOVEA Collaudatore meccanico nella modalità Nano Scratch Tester consente la simulazione di molti guasti reali dei rivestimenti di vernice e dei rivestimenti duri. Applicando carichi crescenti in modo controllato e attentamente monitorato, lo strumento permette di individuare in quali momenti si verificano cedimenti di carico. Questo può quindi essere utilizzato come metodo per determinare valori quantitativi per la resistenza ai graffi. È noto che il rivestimento testato, senza agenti atmosferici, presenta una prima fessura a circa 22 mN. Con valori più vicini a 5 mN, è chiaro che il giro di 7 anni ha degradato la vernice.

La compensazione del profilo originale consente di ottenere una profondità corretta durante il graffio e di misurare la profondità residua dopo il graffio. Ciò fornisce ulteriori informazioni sul comportamento plastico ed elastico del rivestimento in presenza di un carico crescente. Sia la fessurazione che le informazioni sulla deformazione possono essere di grande utilità per migliorare il rivestimento duro. Le deviazioni standard molto ridotte dimostrano anche la riproducibilità della tecnica dello strumento, che può aiutare i produttori a migliorare la qualità del loro rivestimento/vernice dura e a studiare gli effetti degli agenti atmosferici.

PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE

Test di nano-graffio e mar della vernice su substrato metallico

Test Nano Scratch & Mar

di vernice su substrato metallico

Preparato da

SUSANA CABELLO

INTRODUZIONE

La vernice con o senza strato duro è uno dei rivestimenti più comunemente utilizzati. La vediamo sulle auto, sui muri, sugli elettrodomestici e praticamente su tutto ciò che necessita di un rivestimento protettivo o semplicemente per scopi estetici. Le vernici destinate alla protezione del substrato sottostante spesso contengono sostanze chimiche che impediscono alla vernice di prendere fuoco o semplicemente di perdere il colore o di screpolarsi. Spesso le vernici utilizzate per scopi estetici sono disponibili in vari colori, ma non sono necessariamente destinate alla protezione del substrato o a una lunga durata.

Tuttavia, tutte le vernici subiscono un certo invecchiamento nel corso del tempo. Gli agenti atmosferici sulla vernice possono spesso modificarne le proprietà rispetto a quelle previste dal produttore. Può scheggiarsi più rapidamente, scrostarsi con il calore, perdere colore o creparsi. I diversi cambiamenti di proprietà delle vernici nel tempo sono il motivo per cui i produttori offrono una scelta così ampia. Le vernici sono personalizzate per soddisfare le diverse esigenze dei singoli clienti.

IMPORTANZA DEL NANO SCRATCH TEST PER IL CONTROLLO DI QUALITÀ

Una delle principali preoccupazioni dei produttori di vernici è la capacità del loro prodotto di resistere alle screpolature. Una volta che la vernice inizia a screpolarsi, non riesce a proteggere il substrato su cui è stata applicata e quindi non soddisfa il cliente. Ad esempio, se un ramo dovesse colpire la fiancata di un'auto e subito dopo la vernice iniziasse a scheggiarsi, i produttori di vernice perderebbero l'attività a causa della scarsa qualità della vernice. La qualità della vernice è molto importante perché se il metallo sotto la vernice viene esposto può iniziare ad arrugginirsi o a corrodersi a causa della nuova esposizione.

 

Ragioni simili valgono per molti altri settori, come le forniture per la casa e l'ufficio, l'elettronica, i giocattoli, gli strumenti di ricerca e altro ancora. Anche se la vernice può essere resistente alle crepe quando viene applicata per la prima volta ai rivestimenti metallici, le proprietà possono cambiare nel corso del tempo quando il campione è stato sottoposto agli agenti atmosferici. Per questo motivo è molto importante che i campioni di vernice siano testati allo stato di invecchiamento. Sebbene la fessurazione sotto un elevato carico di stress possa essere inevitabile, il produttore deve prevedere l'indebolimento dei cambiamenti nel tempo e la profondità del graffio da affettuare per fornire ai propri consumatori i migliori prodotti possibili.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

Dobbiamo simulare il processo di graffiatura in modo controllato e monitorato per osservare gli effetti del comportamento del campione. In questa applicazione, il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità Nano Scratch Testing viene utilizzato per misurare il carico necessario a causare il cedimento di un campione di vernice di circa 7 anni di spessore pari a 30-50 μm su un substrato metallico.

Uno stilo con punta di diamante da 2 μm viene utilizzato con un carico progressivo da 0,015 mN a 20,00 mN per graffiare il rivestimento. Abbiamo eseguito una scansione pre e post della vernice con un carico di 0,2 mN per determinare il valore della profondità reale del graffio. La profondità reale analizza la deformazione plastica ed elastica del campione durante il test, mentre la scansione successiva analizza solo la deformazione plastica del graffio. Il punto in cui il rivestimento si rompe per fessurazione è considerato il punto di rottura. Abbiamo utilizzato l'ASTMD7187 come guida per determinare i nostri parametri di prova.

 

Si può concludere che, avendo utilizzato un campione esposto alle intemperie; quindi, testando un campione di vernice al suo stadio più debole, abbiamo ottenuto minori punti di rottura.

 

Su questo campione sono stati eseguiti cinque test al fine di

determinare con esattezza i carichi critici di rottura.

NANOVEA

PB1000

PARAMETRI DEL TEST

a seguire ASTM D7027

La superficie di un campione di rugosità è stata scansionata con un NANOVEA ST400 dotato di un sensore ad alta velocità che genera una linea luminosa di 192 punti, come mostrato in FIGURA 1. Questi 192 punti scansionano contemporaneamente la superficie del campione, aumentando notevolmente la velocità di scansione. Questi 192 punti scansionano la superficie del campione contemporaneamente, aumentando notevolmente la velocità di scansione.

TIPO DI CARICO Progressivo
CARICO INIZIALE 0,015 mN
CARICO FINALE 20 mN
TASSO DI CARICO 20 mN/min
LUNGHEZZA DELLO SCRATCH 1,6 mm
VELOCITÀ DI SCRATCH, dx/dt 1,601 mm/min
CARICAMENTO PRE-SCAN 0,2 mN
CARICAMENTO POST-SCANSIONE 0,2 mN
Indentatore conico 90° Raggio della punta 2 µm

tipo di penetratore

Conico

Cono diamantato a 90°

Raggio della punta di 2 µm

Indentatore conico Diamante 90° Cono 2 µm raggio della punta

RISULTATI

Questa sezione presenta i dati raccolti sui guasti durante la prova di scratch. La prima sezione descrive i cedimenti osservati durante lo scratch e definisce i carichi critici riportati. La parte successiva contiene una tabella riassuntiva dei carichi critici per tutti i campioni e una rappresentazione grafica. L'ultima parte presenta i risultati dettagliati per ogni campione: i carichi critici per ogni graffio, le micrografie di ogni guasto e il grafico della prova.

GUASTI OSSERVATI E DEFINIZIONE DEI CARICHI CRITICI

FALLIMENTO CRITICO:

DANNO INIZIALE

Questo è il primo punto in cui si osserva il danno lungo la traccia del graffio.

nano graffio guasto critico danno iniziale

FALLIMENTO CRITICO:

DANNO COMPLETO

A questo punto, il danno è più significativo: la vernice si sta scheggiando e crepando lungo la traccia dei graffi.

nano graffio guasto critico danno completo

RISULTATI DETTAGLIATI

* I valori di rottura si riferiscono al punto di fessurazione del substrato.

CARICHI CRITICI
SCRATCH DANNO INIZIALE [mN] DANNO COMPLETO [µm]
1 14.513 4.932
2 3.895 4.838
3 3.917 4.930
MEDIA 3.988 4.900
DEV STD 0.143 0.054
Micrografia del graffio completo del test di nano graffio (magnificazione 1000x).

FIGURA 2: Micrografia del graffio completo (ingrandimento 1000x).

Micrografia del danno iniziale del test di nano graffio (magnificazione 1000x)

FIGURA 3: Micrografia del danno iniziale (ingrandimento 1000x).

Micrografia del danno completo da nano-graffio (magnificazione 1000x).

FIGURA 4: Micrografia del danno completo (ingrandimento 1000x).

Forza d'attrito e Coefficiente di attrito del test lineare di nano graffio

FIGURA 5: Forza di attrito e Coefficiente di attrito.

Profilo della superficie a nano-graffio lineare

FIGURA 6: Profilo della superficie.

Linear Nano Scratch Test Profondità reale e profondità residua

FIGURA 7: Profondità vera e profondità residua.

CONCLUSIONE

La NANOVEA Collaudatore meccanico nel Nano Scratch Tester consente di simulare molti guasti reali di vernici e rivestimenti duri. Applicando carichi crescenti in modo controllato e strettamente monitorato, lo strumento consente di identificare a quale carico si verificano i guasti. Questo può essere utilizzato per determinare i valori quantitativi della resistenza ai graffi. È noto che il rivestimento testato, in assenza di agenti atmosferici, presenta una prima cricca a circa 22 mN. Con valori più vicini a 5 mN, è chiaro che il periodo di 7 anni ha degradato la vernice.

La compensazione del profilo originale consente di ottenere una profondità corretta durante il graffio e di misurare la profondità residua dopo il graffio. Ciò fornisce ulteriori informazioni sul comportamento plastico ed elastico del rivestimento in presenza di un carico crescente. Sia la fessurazione che le informazioni sulla deformazione possono essere di grande utilità per migliorare il rivestimento duro. Le deviazioni standard molto ridotte dimostrano anche la riproducibilità della tecnica dello strumento, che può aiutare i produttori a migliorare la qualità del loro rivestimento/vernice dura e a studiare gli effetti degli agenti atmosferici.

PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE

Ispezione della mappatura della rugosità con la profilometria 3D

ISPEZIONE CON MAPPATURA DELLA RUGOSITÀ

USANDO LA PROFILOMETRIA 3D

Preparato da

DUANJIE, PhD

INTRODUZIONE

La rugosità e la consistenza della superficie sono fattori critici che influiscono sulla qualità finale e sulle prestazioni di un prodotto. Una comprensione approfondita della rugosità, della struttura e della consistenza della superficie è essenziale per selezionare le migliori misure di lavorazione e controllo. Per identificare in tempo i prodotti difettosi e ottimizzare le condizioni della linea di produzione, è necessaria un'ispezione in linea rapida, quantificabile e affidabile delle superfici dei prodotti.

IMPORTANZA DEL PROFILOMETRO 3D SENZA CONTATTO PER L'ISPEZIONE IN LINEA DELLE SUPERFICI

I difetti superficiali nei prodotti derivano dalla lavorazione dei materiali e dalla fabbricazione del prodotto. L'ispezione della qualità della superficie in linea garantisce il controllo di qualità più rigoroso dei prodotti finali. NANOVEA Profilatori ottici 3D senza contatto utilizzano la tecnologia della luce cromatica con la capacità unica di determinare la ruvidità di un campione senza contatto. Il sensore di linea consente la scansione del profilo 3D di un'ampia superficie ad alta velocità. La soglia di rugosità, calcolata in tempo reale dal software di analisi, funge da strumento pass/fail veloce e affidabile.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, il NANOVEA ST400, dotato di un sensore ad alta velocità, è stato utilizzato per ispezionare la superficie di un campione di Teflon con un difetto, per mostrare la capacità del NANOVEA di essere in grado di gestire la definizione di un campione di Teflon.

I profilometri senza contatto forniscono un'ispezione rapida e affidabile delle superfici in una linea di produzione.

NANOVEA

ST400

RISULTATI E DISCUSSIONE

Analisi 3D della superficie del Ruvidità Campione standard

La superficie di un campione di rugosità è stata scansionata con un NANOVEA ST400 dotato di un sensore ad alta velocità che genera una linea luminosa di 192 punti, come mostrato in FIGURA 1. Questi 192 punti scansionano contemporaneamente la superficie del campione, aumentando notevolmente la velocità di scansione. Questi 192 punti scansionano la superficie del campione contemporaneamente, aumentando notevolmente la velocità di scansione.

La FIGURA 2 mostra viste in falsi colori della mappa dell'altezza della superficie e della mappa di distribuzione della rugosità del campione standard di rugosità. In FIGURA 2a, il campione di rugosità presenta una superficie leggermente inclinata, come rappresentato dal gradiente di colore variabile in ciascuno dei blocchi di rugosità standard. In FIGURA 2b, la distribuzione omogenea della rugosità è mostrata in blocchi di rugosità diversi, il cui colore rappresenta la rugosità nei blocchi.

La FIGURA 3 mostra esempi di Mappe Pass/Fail generate dal software di analisi in base a soglie di rugosità diverse. I blocchi di rugosità sono evidenziati in rosso quando la loro rugosità superficiale è superiore a un determinato valore di soglia. In questo modo l'utente può impostare una soglia di rugosità per determinare la qualità della finitura superficiale di un campione.

FIGURA 1: Scansione del sensore ottico a linee sul campione Roughness Standard

a. Mappa dell'altezza della superficie:

b. Mappa di rugosità:

FIGURA 2: Viste in falsi colori della mappa dell'altezza superficiale e della mappa di distribuzione della rugosità del campione standard di rugosità.

FIGURA 3: Mappa Passa/Scarta in base alla soglia di ruvidità.

Ispezione superficiale di un campione di Teflon con difetti

La mappa dell'altezza della superficie, la mappa della distribuzione della rugosità e la mappa della soglia di rugosità Passa/Scarta del campione di Teflon sono mostrate in FIGURA 4. Il campione di Teflon presenta una cresta al centro destro del campione, come mostrato nella mappa dell'altezza della superficie. Il campione di Teflon presenta una cresta al centro destro del campione, come mostrato nella mappa dell'altezza superficiale.

a. Mappa dell'altezza della superficie:

I differenti colori della palette di FIGURA 4b rappresentano il valore di rugosità della superficie locale. La mappa di rugosità mostra una rugosità omogenea nell'area intatta del campione di Teflon. Tuttavia, i difetti, sotto forma di un anello frastagliato e di una cicatrice da usura, sono evidenziati con colori brillanti. L'utente può facilmente impostare una soglia di rugosità Pass/Fail per individuare i difetti superficiali, come mostrato nella FIGURA 4c. Questo strumento consente agli utenti di monitorare in loco la qualità della superficie del prodotto nella linea di produzione e di scoprire in tempo i prodotti difettosi. Il valore di rugosità in tempo reale viene calcolato e registrato al passaggio dei prodotti dal sensore ottico in linea, che può servire come strumento rapido ma affidabile per il controllo della qualità.

b. Mappa di rugosità:

c. Mappa di soglia di ruvidità Pass/Fail:

FIGURA 4: Mappa dell'altezza della superficie, mappa della distribuzione della rugosità e Mappa di soglia di ruvidità Pass/Fail della superficie del campione di Teflon.

CONCLUSIONE

In questa applicazione, abbiamo dimostrato come il profilatore ottico senza contatto NANOVEA ST400 3D, dotato di un sensore ottico di linea, funzioni come strumento affidabile di controllo della qualità in modo efficace ed efficiente.

Il sensore ottico a linea genera una linea luminosa di 192 punti che scansionano contemporaneamente la superficie del campione, aumentando notevolmente la velocità di scansione. Può essere installato nella linea di produzione per monitorare la rugosità superficiale dei prodotti in loco. La soglia di rugosità funziona come criterio affidabile per determinare la qualità della superficie dei prodotti, consentendo agli utenti di notare in tempo i prodotti difettosi.

I dati qui riportati rappresentano solo una parte dei calcoli disponibili nel software di analisi. I profilometri NANOVEA misurano virtualmente qualsiasi superficie in campi come quello dei semiconduttori, della microelettronica, del solare, delle fibre ottiche, dell'automotive, dell'aerospaziale, della metallurgia, della lavorazione, dei rivestimenti, del farmaceutico, del biomedicale, dell'ambientale e molti altri.

PARLIAMO ORA DELLA VOSTRA APPLICAZIONE