Cosa fa un nanoindentatore
Durezza e rigidezza decidono come una superficie resiste al danno da contatto, al graffio e all’usura. I durometri convenzionali misurano la dimensione di un’impronta al microscopio, il che li limita a impronte abbastanza grandi da essere viste e alla sola durezza. Un nanoindentatore registra la profondità dell’impronta per tutta la prova, quindi può misurare film spessi una frazione di micrometro, singoli grani e fasi, polimeri e tessuti biologici, e fornire dalla stessa impronta il modulo elastico e il comportamento nel tempo.
Come funziona la nanoindentazione
- La punta si avvicina alla superficie e rileva il contatto.
- Il carico aumenta fino a un massimo impostato a velocità controllata, mentre si registra la profondità.
- Il carico viene mantenuto, spesso per lasciar esaurire il creep, poi rimosso continuando a registrare la profondità.
- La curva di scarico fornisce la rigidezza di contatto e la profondità di contatto. Con la funzione d’area dell’indentatore, danno durezza e modulo elastico (il metodo Oliver & Pharr di ISO 14577 e ASTM E2546).
Ripetendo la prova su una griglia si ottiene una mappa delle proprietà; mantenendo il carico si misura il creep; facendolo oscillare si ottengono modulo conservativo e dissipativo.
Cosa valutare in un tester di nanoindentazione
- Misura diretta del carico. I moduli NANOVEA applicano il carico verticalmente con un attuatore piezoelettrico e lo misurano con una cella di carico indipendente, in anello chiuso con un sensore di profondità capacitivo. Il carico è misurato, non dedotto, e non ci sono leve né fulcri.
- Risoluzione e rumore in fondo al campo. Sul campo più sensibile, il modulo nano risolve 0,006 µN e 0,003 nm (24 bit), con rumore di fondo di 0,5 µN e 0,04 nm.
- Campo di carico. I campi da 80, 400, 1800 e 4800 mN coprono dai gel morbidi ai rivestimenti duri; aggiungendo il modulo micro lo stesso sistema arriva a 400 N.
- Calibrazione della punta. La Single Indent Area Function (brevetto europeo n. 3076153) calibra l’area della punta e fornisce un controllo di qualità quantificabile dell’indentatore.
- Posizionamento e immagini. Precisione della tavola inferiore a 0,2 µm, videomicroscopio fino a 100x e, sul PB1000, AFM o profilometro 3D integrati per riprendere l’impronta residua.
- Produttività. FastMap esegue 100 impronte in 5 minuti; le prove automatiche su più campioni gestiscono campioni di altezze diverse.
Geometria dell’indentatore
La punta determina il campo di sforzo sotto l’impronta. La Berkovich è la punta standard della nanoindentazione; la Vickers dà valori confrontabili con la microdurezza e resiste a carichi elevati; la Knoop è allungata, per strati sottili e differenze direzionali di durezza, come nei compositi fibrosi. Il cube corner cricca i materiali fragili a bassi carichi per la tenacità alla frattura. Le punte sfero-coniche sono adatte a metalli teneri, plastiche e materiali porosi. I punzoni piatti schiacciano le particelle e misurano lo snervamento, e le punte a lama provano la rottura di parti cilindriche come le fibre.
Oltre la durezza
La stessa misura carico-profondità supporta un’ampia serie di prove: creep e rilassamento di polimeri e gel, DMA in nanoindentazione da 0,1 a 100 Hz con scansioni in frequenza e temperatura, tenacità alla frattura di vetro e ceramiche, sforzo-deformazione da indentazione sferica e ciclica, e snervamento e fatica con punzoni piatti. Sullo stesso modulo, gli scratch test misurano l’adesione dei rivestimenti.
Prove in condizioni di esercizio
Molti materiali cambiano con temperatura e umidità, i polimeri soprattutto. Lo studio NANOVEA a umidità controllata ha misurato la durezza di un film polimerico scendere da circa 0,60 GPa al 25% di umidità relativa a 0,31 GPa al 75%. Il modulo nano lavora nei moduli per alta temperatura, bassa temperatura, umidità e liquido, e nei sistemi per il vuoto, così le proprietà si misurano dove il materiale lavora.
