Proprietà meccaniche dell'idrogel

PROPRIETÀ MECCANICHE DELL'IDROGEL

UTILIZZANDO LA NANOINDENTAZIONE

Preparato da

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

INTRODUZIONE

L'idrogel è noto per la sua super capacità di assorbimento dell'acqua, che consente una flessibilità molto simile a quella dei tessuti naturali. Questa somiglianza ha reso l'idrogel una scelta comune non solo nei biomateriali, ma anche nell'elettronica, nell'ambiente e nelle applicazioni di consumo come le lenti a contatto. Ogni singola applicazione richiede specifiche proprietà meccaniche dell'idrogel.

IMPORTANZA DELLA NANOINDENTAZIONE PER GLI IDROGEL

Gli idrogel creano sfide uniche per la nanoindentazione, come la selezione dei parametri di prova e la preparazione dei campioni. Molti sistemi di nanoindentazione presentano limitazioni importanti, in quanto non sono stati originariamente progettati per tali materiali morbidi. Alcuni dei sistemi di nanoindentazione utilizzano un gruppo bobina/magnete per applicare la forza sul campione. Non c'è una misurazione effettiva della forza, il che porta a un carico impreciso e non lineare quando si testano materiali morbidi. materiali. La determinazione del punto di contatto è estremamente difficile, in quanto la La profondità è l'unico parametro che viene effettivamente misurato. È quasi impossibile osservare il cambiamento di pendenza nel Profondità rispetto al tempo durante il periodo in cui la punta del penetratore si avvicina al materiale idrogel.

Per superare le limitazioni di questi sistemi, il nano modulo della NANOVEA Collaudatore meccanico misura il feedback di forza con una cella di carico individuale per garantire un'elevata precisione su tutti i tipi di materiali, morbidi o duri. Lo spostamento piezo-controllato è estremamente preciso e veloce. Ciò consente una misurazione senza eguali delle proprietà viscoelastiche eliminando molti presupposti teorici di cui devono tenere conto i sistemi con un gruppo bobina/magnete e senza feedback di forza.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il NANOVEA Il tester meccanico, in modalità di nanoindentazione, viene utilizzato per studiare la durezza, il modulo elastico e il creep di un campione di idrogel.

NANOVEA PB1000 Collaudatore meccanico

CONDIZIONI DI PROVA

Un campione di idrogel posizionato su un vetrino è stato testato con la tecnica della nanoindentazione utilizzando un NANOVEA Tester meccanico. Per questo materiale morbido è stata utilizzata una punta sferica di 3 mm di diametro. Il carico è aumentato linearmente da 0,06 a 10 mN durante il periodo di carico. Il creep è stato misurato in base alla variazione della profondità di indentazione al carico massimo di 10 mN per 70 secondi.

VELOCITÀ DI AVVICINAMENTO: 100 μm/min

CARICO DEL CONTATTO

0,06 mN

CARICO MASSIMO

10 mN

TASSO DI CARICO

20 mN/min

CREEP

70 s

RISULTATI E DISCUSSIONE

L'evoluzione del carico e della profondità in funzione del tempo è mostrata in FUGURA 1. Si può osservare che sul grafico del Profondità rispetto al tempoÈ molto difficile determinare il punto di variazione della pendenza all'inizio del periodo di carico, che di solito serve a indicare il punto in cui il penetratore inizia a contattare il materiale morbido. Tuttavia, il grafico della Carico rispetto al tempo mostra il particolare comportamento dell'idrogel sotto un carico applicato. Quando l'idrogel inizia a entrare in contatto con il penetratore a sfera, l'idrogel tira il penetratore a sfera a causa della sua tensione superficiale, che tende a diminuire l'area superficiale. Questo comportamento porta al carico negativo misurato all'inizio della fase di carico. Il carico aumenta progressivamente man mano che il penetratore affonda nell'idrogel e viene poi controllato per essere costante al carico massimo di 10 mN per 70 secondi per studiare il comportamento a scorrimento dell'idrogel.

FIGURA 1: Evoluzione del carico e della profondità in funzione del tempo.

La trama del Profondità di scorrimento rispetto al tempo è mostrato in FIGURA 2, e il Carico vs. Spostamento Il grafico della prova di nanoindentazione è mostrato in FIGURA 3. L'idrogel di questo studio possiede una durezza di 16,9 KPa e un modulo di Young di 160,2 KPa, calcolati sulla base della curva di spostamento del carico con il metodo Oliver-Pharr.

Il creep è un fattore importante per lo studio delle proprietà meccaniche di un idrogel. Il controllo di retroazione close-loop tra il piezo e la cella di carico ultrasensibile assicura un carico realmente costante durante il tempo di creep al carico massimo. Come mostrato in FIGURA 2L'idrogel cede ~42 μm per effetto del creep in 70 secondi sotto il carico massimo di 10 mN applicato dalla punta a sfera di 3 mm.

FIGURA 2: Strisciamento a un carico massimo di 10 mN per 70 secondi.

FIGURA 3: Grafico del carico rispetto allo spostamento dell'idrogel.

CONCLUSIONE

In questo studio, abbiamo mostrato che il NANOVEA Il tester meccanico, in modalità di nanoindentazione, fornisce una misura precisa e ripetibile delle proprietà meccaniche di un idrogel, tra cui durezza, modulo di Young e creep. La grande punta a sfera da 3 mm assicura un contatto corretto con la superficie dell'idrogel. Lo stadio del campione motorizzato ad alta precisione consente di posizionare con precisione la faccia piatta del campione di idrogel sotto la punta a sfera. L'idrogel di questo studio presenta una durezza di 16,9 KPa e un modulo di Young di 160,2 KPa. La profondità di scorrimento è di ~42 μm sotto un carico di 10 mN per 70 secondi.

NANOVEA I tester meccanici offrono moduli Nano e Micro multifunzione ineguagliabili su un'unica piattaforma. Entrambi i moduli includono un tester di graffi, un tester di durezza e una modalità di tester di usura, offrendo la più ampia e semplice gamma di test disponibili su un'unica piattaforma.
sistema.

Avete un'applicazione simile?

Test di usura del pistone

TEST DI USURA DEI PISTONIUTILIZZANDO IL TRIBOMETRO NANOVEA

Preparato da

FRANK LIU

Che cos'è il test di usura dei pistoni?

I test di usura dei pistoni valutano l'attrito, la lubrificazione e la durata dei materiali tra le camicie dei pistoni e le canne dei cilindri in condizioni controllate di laboratorio. Utilizzando un tribometro, Gli ingegneri possono replicare il movimento alternativo reale e misurare con precisione il coefficiente di attrito, il tasso di usura e la topografia superficiale 3D. Questi risultati forniscono indicazioni fondamentali sul comportamento tribologico di rivestimenti, lubrificanti e leghe utilizzati nei pistoni dei motori, contribuendo a ottimizzare le prestazioni, l'efficienza dei consumi e l'affidabilità a lungo termine.

Schema del sistema dei cilindri di potenza e delle interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro.

💡 Volete quantificare il tasso di usura e l'attrito dei vostri campioni? Richiedete un test tribologico personalizzato per la vostra applicazione.

Perché le prove di usura dei pistoni sono importanti nello sviluppo dei motori

L'olio motore è un lubrificante ben progettato per la sua applicazione. Oltre all'olio di base, per migliorarne le prestazioni vengono aggiunti additivi come detergenti, disperdenti, miglioratori di viscosità (VI), agenti antiusura/antiattrito e inibitori della corrosione. Questi additivi influenzano il comportamento dell'olio in diverse condizioni operative. Il comportamento dell'olio influisce sulle interfacce P-L-C e determina se si verifica un'usura significativa da contatto metallo-metallo o se si verifica una lubrificazione idrodinamica (usura minima).

È difficile comprendere le interfacce P-L-C senza isolare l'area dalle variabili esterne. È più pratico simulare l'evento con condizioni rappresentative della sua applicazione reale. Il NANOVEA Il Tribometro è l'ideale per questo scopo. Dotato di sensori di forza multipli, di un sensore di profondità, di un modulo di lubrificazione goccia a goccia e di uno stadio lineare alternativo, il tribometro NANOVEA T2000 è in grado di simulare da vicino gli eventi che si verificano all'interno di un blocco motore e di ottenere dati preziosi per comprendere meglio le interfacce P-L-C.

Modulo liquido sul tribometro NANOVEA T2000

Il modulo goccia a goccia è fondamentale per questo studio. Poiché i pistoni possono muoversi a una velocità molto elevata (superiore a 3.000 giri/min), è difficile creare un sottile film di lubrificante immergendo il campione. Per ovviare a questo problema, il modulo goccia a goccia è in grado di applicare in modo costante una quantità di lubrificante sulla superficie della gonna del pistone.

L'applicazione di un lubrificante fresco elimina anche il rischio che i contaminanti dell'usura possano influenzare le proprietà del lubrificante.

Come simulano i tribometri
Usura reale della camicia del pistone

In questa relazione verranno studiate le interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro. Le interfacce saranno riprodotte conducendo una prova di reciprocità lineare. test di usura con modulo di lubrificazione goccia a goccia.

Il lubrificante sarà applicato a temperatura ambiente e in condizioni di riscaldamento per confrontare le condizioni di avviamento a freddo e di funzionamento ottimale. Il COF e il tasso di usura saranno osservati per capire meglio come si comportano le interfacce nelle applicazioni reali.

NANOVEA T2000
Tribometro ad alto carico

Parametri e impostazione del test di usura del pistone

CARICO ............................ 100 N

DURATA DEL TEST ............................ 30 minuti

VELOCITÀ ............................ 2000 giri al minuto

AMPLITUDINE ............................ 10 mm

DISTANZA TOTALE ............................ 1200 m

RIVESTIMENTO DELLA GONNA ............................ Moly-grafite

MATERIALE PERNO ............................ Lega di alluminio 5052

DIAMETRO DEL PIN ............................ 10 mm

LUBRIFICANTE ............................ Olio motore (10W-30)

APPROSSIMATIVA. PORTATA ............................ 60 mL/min

TEMPERATURA ............................ Temperatura ambiente e 90°C

Rilevanza nel mondo reale di
Test di usura del pistone

I test di usura dei pistoni basati sui tribometri forniscono informazioni fondamentali su come le scelte dei materiali e le strategie di lubrificazione influiscono sull'affidabilità reale del motore. Invece di affidarsi a costosi test a motore completo, i laboratori possono valutare rivestimenti, oli e superfici in lega in condizioni realistiche di carico meccanico e temperatura. Il sistema NANOVEA Profilometria 3D e i moduli di tribologia consentono una mappatura precisa della profondità di usura e della stabilità dell'attrito, aiutando i team di ricerca e sviluppo a ottimizzare le prestazioni e a ridurre i cicli di sviluppo.

Risultati e analisi dei test di usura dei pistoni

In questo esperimento è stato utilizzato l'A5052 come materiale di contrasto. Mentre i blocchi motore sono solitamente realizzati in alluminio fuso come l'A356, l'A5052 ha proprietà meccaniche simili all'A356 per questa prova simulativa [1].

Nelle condizioni di prova, è stata osservata un'usura significativa sulla gonna del pistone a temperatura ambiente rispetto a quella a 90°C. I graffi profondi osservati sui campioni suggeriscono che il contatto tra il materiale statico e la gonna del pistone avviene frequentemente durante il test. L'elevata viscosità a temperatura ambiente potrebbe impedire all'olio di riempire completamente gli spazi vuoti alle interfacce e di creare un contatto metallo-metallo. A temperature più elevate, l'olio si assottiglia e riesce a scorrere tra lo spinotto e il pistone. Di conseguenza, a temperature più elevate si osserva un'usura significativamente minore. La FIGURA 5 mostra che un lato della cicatrice da usura si è consumato molto meno dell'altro. Ciò è probabilmente dovuto alla posizione dell'uscita dell'olio. Lo spessore del film di lubrificante era maggiore su un lato rispetto all'altro, causando un'usura non uniforme.

[1] “Alluminio 5052 vs alluminio 356.0”. MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

Il COF dei test tribologici lineari alternativi può essere suddiviso in un passaggio alto e un passaggio basso. Il passaggio alto si riferisce al campione che si muove in avanti, o in senso positivo, mentre il passaggio basso si riferisce al campione che si muove in senso inverso, o in senso negativo. La COF media per l'olio RT è stata osservata inferiore a 0,1 in entrambe le direzioni. I COF medi tra le passate sono stati di 0,072 e 0,080. Il COF medio dell'olio a 90°C è risultato diverso tra le passate. Sono stati osservati valori medi di COF pari a 0,167 e 0,09. La differenza di COF dimostra ulteriormente che l'olio è riuscito a bagnare correttamente solo un lato del perno. Si è ottenuto un COF elevato quando si è formato un film spesso tra lo spinotto e la gonna del pistone, a causa della lubrificazione idrodinamica. Si osserva un COF più basso nell'altra direzione quando si verifica una lubrificazione mista. Per ulteriori informazioni sulla lubrificazione idrodinamica e sulla lubrificazione mista, visitate la nostra nota applicativa su Curve di Stribeck.

Tabella 1: Risultati del test di usura lubrificata sui pistoni.

FIGURA 1: Grafici COF per il test di usura dell'olio a temperatura ambiente A profilo grezzo B passaggio alto C passaggio basso.

FIGURA 2: Grafici COF per il test dell'olio di usura a 90°C A profilo grezzo B passaggio alto C passaggio basso.

FIGURA 3: Immagine ottica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 4: Volume di un foro per l'analisi della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 5: Scansione profilometrica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 6: Immagine ottica di una cicatrice da usura da un test di usura dell'olio motore a 90°C

FIGURA 7: Volume di un foro per l'analisi della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore a 90°C.

FIGURA 8: Scansione profilometrica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore a 90°C.

Conclusione: Valutazione dell'usura del motore con i tribometri NANOVEA

Sono stati condotti test di usura lineare alternata lubrificata su un pistone per simulare gli eventi che si verificano in un motore operativo reale. L'interfaccia pistone-lubrificante-camera del cilindro è fondamentale per il funzionamento di un motore. Lo spessore del lubrificante all'interfaccia è responsabile della perdita di energia dovuta all'attrito o all'usura tra la gonna del pistone e la canna del cilindro. Per ottimizzare il motore, lo spessore del film deve essere il più sottile possibile, senza che il mantello del pistone e la canna del cilindro si tocchino. La sfida, tuttavia, consiste nel capire come le variazioni di temperatura, velocità e forza influiranno sulle interfacce P-L-C.

Grazie all'ampia gamma di carichi (fino a 2000 N) e velocità (fino a 15000 giri/min), il tribometro NANOVEA T2000 è in grado di simulare le diverse condizioni possibili in un motore. Possibili studi futuri su questo argomento includono il comportamento delle interfacce P-L-C in condizioni di carico costante, carico oscillante, temperatura del lubrificante, velocità e metodo di applicazione del lubrificante. Questi parametri possono essere facilmente regolati con il tribometro NANOVEA T2000 per fornire una comprensione completa dei meccanismi delle interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro.

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Topografia della superficie organica con un profilometro 3D portatile

TOPOGRAFIA ORGANICA DELLA SUPERFICIE

UTILIZZANDO UN PROFILOMETRO 3D PORTATILE

Preparato da

CRAIG LEISING

INTRODUZIONE

La natura è diventata una fonte di ispirazione vitale per lo sviluppo di strutture superficiali migliorate. La comprensione delle strutture superficiali presenti in natura ha portato a studi di adesione basati sulle zampe di geco, studi di resistenza basati sulla variazione della struttura di un cetriolo di mare e studi di repellenza basati sulle foglie, oltre a molti altri. Queste superfici hanno una serie di potenziali applicazioni, dal settore biomedico a quello dell'abbigliamento e automobilistico. Affinché queste superfici abbiano successo, è necessario sviluppare tecniche di fabbricazione che consentano di imitare e riprodurre le caratteristiche della superficie. È questo processo che richiede identificazione e controllo.

IMPORTANZA DEL PROFILATORE OTTICO PORTATILE 3D SENZA CONTATTO PER LE SUPERFICI ORGANICHE

Utilizzando la tecnologia Chromatic Light, NANOVEA Jr25 Portable Profilatore ottico ha una capacità superiore di misurare quasi tutti i materiali. Ciò include gli angoli unici e ripidi, le superfici riflettenti e assorbenti che si trovano nell'ampia gamma di caratteristiche superficiali della natura. Le misurazioni 3D senza contatto forniscono un'immagine 3D completa per fornire una comprensione più completa delle caratteristiche della superficie. Senza funzionalità 3D, l’identificazione delle superfici naturali si baserebbe esclusivamente sulle informazioni 2D o sull’imaging al microscopio, che non fornisce informazioni sufficienti per imitare adeguatamente la superficie studiata. Comprendere l'intera gamma delle caratteristiche della superficie, tra cui struttura, forma, dimensione, tra molte altre, sarà fondamentale per il successo della fabbricazione.

La possibilità di ottenere facilmente sul campo risultati di qualità da laboratorio apre le porte a nuove opportunità di ricerca.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il NANOVEA Jr25 viene utilizzato per misurare la superficie di una foglia. Esiste un elenco infinito di parametri di superficie che possono essere calcolati automaticamente dopo la scansione 3D della superficie.

Qui si esamina la superficie 3D e si seleziona
aree di interesse da analizzare ulteriormente, tra cui
quantificare e studiare la rugosità, i canali e la topografia della superficie

NANOVEA

JR25

CONDIZIONI DI PROVA

PROFONDITÀ DELL'ALETTA

Densità media dei solchi: 16,471 cm/cm2
Profondità media dei solchi: 97,428 μm
Profondità massima: 359,769 μm

CONCLUSIONE

In questa applicazione, abbiamo mostrato come il NANOVEA Il Profilatore ottico 3D senza contatto portatile Jr25 è in grado di caratterizzare con precisione sia la topografia che i dettagli su scala nanometrica di una superficie fogliare sul campo. Da queste misurazioni 3D della superficie, è possibile identificare rapidamente le aree di interesse e analizzarle con un elenco di studi infinito (Dimensione, Ruvidità Finitura Struttura, Forma Topografia, Planarità Curvatura Planarità, Area Volume, Altezza Passo e altri). Una sezione trasversale 2D può essere facilmente scelta per analizzare ulteriori dettagli. Grazie a queste informazioni, le superfici organiche possono essere ampiamente studiate con un set completo di risorse per la misurazione delle superfici. Aree speciali di interesse possono essere ulteriormente analizzate con un modulo AFM integrato su modelli da tavolo.

NANOVEA offre anche profilometri portatili ad alta velocità per la ricerca sul campo e un'ampia gamma di sistemi da laboratorio, oltre a fornire servizi di laboratorio.

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Proprietà di adesione del rivestimento d'oro su un substrato di cristallo di quarzo

Proprietà di adesione del rivestimento in oro

su substrato di cristallo di quarzo

Preparato da

DUANJIE LI, Dottore di ricerca

INTRODUZIONE

La microbilancia a cristallo di quarzo (QCM) è un sensore di massa estremamente sensibile in grado di effettuare misure precise di piccole masse nell'ordine dei nanogrammi. Il QCM misura la variazione di massa sulla superficie rilevando le variazioni della frequenza di risonanza del cristallo di quarzo con due elettrodi applicati su ciascun lato della piastra. La capacità di misurare pesi estremamente ridotti lo rende un componente chiave in una varietà di strumenti di ricerca e industriali per rilevare e monitorare la variazione di massa, l'adsorbimento, la densità, la corrosione, ecc.

IMPORTANZA DELLO SCRATCH TEST PER IL QCM

Essendo un dispositivo estremamente preciso, il QCM misura la variazione di massa fino a 0,1 nanogrammi. Qualsiasi perdita di massa o delaminazione degli elettrodi sulla piastra di quarzo sarà rilevata dal cristallo di quarzo e causerà errori di misura significativi. Di conseguenza, la qualità intrinseca del rivestimento dell'elettrodo e l'integrità interfacciale del sistema rivestimento/substrato svolgono un ruolo essenziale nell'esecuzione di misure di massa accurate e ripetibili. Il test Micro scratch è una misura comparativa ampiamente utilizzata per valutare la coesione relativa o le proprietà di adesione dei rivestimenti in base al confronto dei carichi critici in corrispondenza dei quali si verificano i cedimenti. Si tratta di uno strumento superiore per un controllo di qualità affidabile dei QCM.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il NANOVEA Collaudatore meccanico, in modalità Micro Scratch, viene utilizzato per valutare la forza coesiva e adesiva del rivestimento in oro sul substrato di quarzo di un campione QCM. Vorremmo mostrare la capacità del NANOVEA Tester meccanico per l'esecuzione di prove di micrograffio su un campione delicato con elevata precisione e ripetibilità.

NANOVEA

PB1000

CONDIZIONI DI PROVA

Il NANOVEA Il tester meccanico PB1000 è stato utilizzato per eseguire i test di micrograffiatura su un campione QCM utilizzando i parametri di prova riassunti di seguito. Sono stati eseguiti tre graffi per garantire la riproducibilità dei risultati.

TIPO DI CARICO: Progressivo

CARICO INIZIALE

0.01 N

CARICO FINALE

30 N

ATMOSFERA: Aria 24°C

VELOCITÀ DI SCORRIMENTO

2 mm/min

DISTANZA DI SCORRIMENTO

2 mm

RISULTATI E DISCUSSIONE

La traccia completa del micrograffio sul campione QCM è mostrata in FIGURA 1. I comportamenti di rottura a diversi carichi critici sono mostrati nella FIGURA 2., dove il carico critico, LC1 è definito come il carico al quale si verifica il primo segno di cedimento dell'adesivo nella traccia di graffio, LC2 è il carico dopo il quale si verificano cedimenti adesivi ripetitivi, e LC3 è il carico al quale il rivestimento viene completamente rimosso dal substrato. Si può osservare che la scheggiatura è minima a LC1 di 11,15 N, il primo segno di cedimento del rivestimento.

Poiché il carico normale continua ad aumentare durante il test di micrograffio, si verificano cedimenti ripetitivi dell'adesivo dopo LC2 di 16,29 N. Quando LC3 di 19,09 N, il rivestimento si stacca completamente dal substrato di quarzo. Questi carichi critici possono essere utilizzati per confrontare quantitativamente la forza coesiva e adesiva del rivestimento e selezionare il candidato migliore per applicazioni mirate.

FIGURA 1: Traccia micrografica completa sul campione QCM.

FIGURA 2: Traccia micrograffio a diversi carichi critici.

FIGURA 3 L'evoluzione del coefficiente di attrito e della profondità può fornire maggiori informazioni sulla progressione dei cedimenti del rivestimento durante il test di micrograffio.

FIGURA 3: Evoluzione di COF e profondità durante il test di micrograffio.

CONCLUSIONE

In questo studio, abbiamo mostrato che il NANOVEA Mechanical Tester esegue test di micrograffio affidabili e accurati su un campione QCM. Applicando carichi linearmente crescenti in modo controllato e strettamente monitorato, la misura del graffio consente agli utenti di identificare il carico critico al quale si verifica il tipico cedimento del rivestimento coesivo e adesivo. Si tratta di uno strumento superiore per valutare e confrontare quantitativamente la qualità intrinseca del rivestimento e l'integrità interfacciale del sistema rivestimento/substrato per il QCM.

I moduli Nano, Micro o Macro del sistema NANOVEA Tutti i tester meccanici includono modalità di indentazione, graffiatura e usura conformi alle norme ISO e ASTM, offrendo la più ampia e semplice gamma di test disponibili in un unico sistema. NANOVEAè la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà meccaniche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri, tra cui durezza, modulo di Young, tenacità alla frattura, adesione, resistenza all'usura e molte altre.

Inoltre, sono disponibili un profilatore 3D senza contatto e un modulo AFM opzionali per l'acquisizione di immagini 3D ad alta risoluzione di impronte, graffi e tracce di usura, oltre ad altre misure di superficie, come rugosità e deformazione.

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Il tester micro-meccanico leader nel mondo

ORA IL LEADER MONDIALE

TEST MICRO MECCANICI

Preparato da

PIERRE LEROUX & DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

I microtester di durezza Vickers standard hanno intervalli di carico utilizzabili da 10 a 2000 grammi di forza (gf). I durometri Vickers Macro standard hanno un carico da 1 a 50 Kgf. Questi strumenti non solo sono molto limitati nella gamma di carichi, ma sono anche imprecisi quando si tratta di superfici più ruvide o di carichi bassi, quando le tacche diventano troppo piccole per essere misurate visivamente. Queste limitazioni sono intrinseche alla vecchia tecnologia e di conseguenza l'indentazione strumentale sta diventando la scelta standard grazie alla maggiore precisione e alle prestazioni che offre.

Con La durezza Vickers viene calcolata automaticamente dai dati di profondità rispetto al carico, con il più ampio intervallo di carico mai disponibile su un singolo modulo (da 0,3 grammi a 2 kg o da 6 grammi a 40 kg). Poiché misura la durezza dalle curve di profondità rispetto al carico, il Micro Modulo NANOVEA può misurare qualsiasi tipo di materiale, compresi quelli molto elastici. Inoltre, è in grado di fornire non solo la durezza Vickers, ma anche dati accurati sul modulo elastico e sul creep, oltre ad altri tipi di test come le prove di adesione ai graffi, l'usura, le prove di fatica, la resistenza allo snervamento e la tenacità alla frattura, per una gamma completa di dati di controllo della qualità.

ORA LEADER MONDIALE NEI TEST MICRO MECCANICI

In questa nota applicativa viene spiegato come il Modulo Micro sia stato progettato per offrire il miglior test strumentale di indentazione e graffiatura al mondo. L'ampia gamma di test del Modulo Micro è ideale per molte applicazioni. Ad esempio, l'intervallo di carico consente di misurare con precisione la durezza e il modulo elastico di rivestimenti duri e sottili e di applicare carichi molto più elevati per misurare l'adesione di questi stessi rivestimenti.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

La capacità del micro modulo è evidenziata con la dicitura NANOVEA CB500 Collaudatore meccanico di
che esegue test di indentazione e di graffiatura con una precisione e un'affidabilità superiori, utilizzando un'ampia gamma di carichi da 0,03 a 200 N.

NANOVEA

CB500

CONDIZIONI DI PROVA

È stata eseguita una serie (3×4, 12 indentature in totale) di microindentazioni su un campione di acciaio standard utilizzando un penetratore Vickers. Il carico e la profondità sono stati misurati e registrati per l'intero ciclo di prova di indentazione. Le indentazioni sono state eseguite con carichi massimi diversi, da 0,03 N a 200 N (da 0,0031 a 20,4 kgf), per dimostrare la capacità del micro modulo di eseguire test di indentazione accurati a carichi diversi. Vale la pena notare che è disponibile anche una cella di carico opzionale da 20 N per fornire una risoluzione 10 volte superiore per i test nella gamma di carico inferiore da 0,3 gf a 2 kgf.

Sono stati eseguiti due test di graffiatura con il modulo Micro con un carico aumentato linearmente da 0,01 N a 200 N e da 0,01 N a 0,5 N, rispettivamente, utilizzando uno stilo diamantato conico-sferico con raggio della punta di 500 μm e 20 μm.

Venti Microindentazione I test sono stati eseguiti sul campione standard di acciaio a 4 N, dimostrando la superiore ripetibilità dei risultati del Micro Module, in contrasto con le prestazioni dei tradizionali misuratori di durezza Vickers.

*microindentatore sul campione di acciaio

PARAMETRI DEL TEST

della mappatura dell'indentazione

MAPPATURA: 3 PER 4 INDENTI

RISULTATI E DISCUSSIONE

Il nuovo modulo micro presenta una combinazione unica di motore Z, cella di carico ad alta forza e sensore di profondità capacitivo ad alta precisione. L'utilizzo esclusivo di sensori di profondità e di carico indipendenti garantisce un'elevata precisione in tutte le condizioni.

Le prove di durezza Vickers convenzionali utilizzano punte di penetrazione piramidali a base quadrata di diamante che creano impronte di forma quadrata. Misurando la lunghezza media della diagonale, d, è possibile calcolare la durezza Vickers.

In confronto, la tecnica di indentazione strumentale utilizzata da NANOVEAIl modulo micro misura direttamente le proprietà meccaniche dalle misure di carico e spostamento dell'indentazione. Non è necessaria l'osservazione visiva dell'indentazione. In questo modo si eliminano gli errori di elaborazione delle immagini da parte dell'utente o del computer nel determinare i valori d dell'indentazione. Il sensore di profondità a condensatore ad alta precisione, con un livello di rumore molto basso di 0,3 nm, è in grado di misurare con precisione la profondità di tacche che sono difficili o impossibili da misurare visivamente al microscopio con i tradizionali misuratori di durezza Vickers.

Inoltre, la tecnica del cantilever utilizzata dai concorrenti applica il carico normale su una trave a sbalzo tramite una molla, e questo carico viene a sua volta applicato al penetratore. Questo tipo di progettazione presenta un difetto nel caso in cui venga applicato un carico elevato: la trave a sbalzo non è in grado di fornire una rigidità strutturale sufficiente, con conseguente deformazione della trave a sbalzo e conseguente disallineamento del penetratore. In confronto, il Modulo Micro applica il carico normale tramite il motore Z che agisce sulla cella di carico e poi sul penetratore per l'applicazione diretta del carico. Tutti gli elementi sono allineati verticalmente per garantire la massima rigidità, assicurando misure di indentazione e graffiatura ripetibili e accurate nell'intera gamma di carichi.

Vista ravvicinata del nuovo modulo Micro

RIENTRANZA DA 0,03 A 200 N

L'immagine della mappa di indentazione è riportata in FIGURA 1. La distanza tra le due indentature adiacenti al di sopra di 10 N è di 0,5 mm, mentre quella a carichi inferiori è di 0,25 mm. Il controllo di posizione ad alta precisione dello stadio del campione consente agli utenti di selezionare la posizione di destinazione per la mappatura delle proprietà meccaniche. Grazie all'eccellente rigidità del micro modulo dovuta all'allineamento verticale dei suoi componenti, il penetratore Vickers mantiene un perfetto orientamento verticale mentre penetra nel campione di acciaio con un carico fino a 200 N (400 N opzionale). Questo crea impronte di forma quadrata simmetrica sulla superficie del campione a diversi carichi.

Le singole indentature a diversi carichi al microscopio sono visualizzate insieme ai due graffi, come mostrato nella FIGURA 2, per mostrare la capacità del nuovo micro modulo di eseguire test di indentazione e graffiatura in un ampio intervallo di carico con un'elevata precisione. Come mostrato nei grafici del carico normale rispetto alla lunghezza del graffio, il carico normale aumenta linearmente quando lo stilo diamantato conico-sferico scorre sulla superficie del campione di acciaio. Si crea così una traccia di graffio rettilinea e liscia di larghezza e profondità progressivamente maggiori.

FIGURA 1: Mappa di indentazione

Sono state eseguite venti prove di microindentazione sul campione standard di acciaio a 4 N, dimostrando la superiore ripetibilità dei risultati del modulo Micro, in contrasto con le prestazioni dei tradizionali tester di durezza Vickers.

A: INDENTAZIONE E GRAFFIO AL MICROSCOPIO (360X)

B: INDENTAZIONE E GRAFFIO AL MICROSCOPIO (3000X)

FIGURA 2: Grafici carico-spostamento a diversi carichi massimi.

Le curve carico-spostamento durante l'indentazione a diversi carichi massimi sono mostrate in FIGURA 3. La durezza e il modulo elastico sono riassunti e confrontati nella FIGURA 4. Il campione di acciaio presenta un modulo elastico costante per tutto il carico di prova che va da 0,03 a 200 N (possibile intervallo da 0,003 a 400 N), con un valore medio di ~211 GPa. La durezza presenta un valore relativamente costante di ~6,5 GPa misurato con un carico massimo superiore a 100 N. Quando il carico diminuisce fino a un intervallo compreso tra 2 e 10 N, si misura una durezza media di ~9 GPa.

FIGURA 3: Grafici carico-spostamento a diversi carichi massimi.

FIGURA 4: Durezza e modulo di Young del campione di acciaio misurati con diversi carichi massimi.

RIENTRANZA DA 0,03 A 200 N

Sono state eseguite venti prove di microindentazione con un carico massimo di 4N. Le curve di carico-spostamento sono visualizzate in FIGURA 5 e la durezza Vickers e il modulo di Young risultanti sono mostrati in FIGURA 6.

FIGURA 5: Curve carico-spostamento per prove di microindentazione a 4 N.

FIGURA 6: Durezza Vickers e modulo di Young per 20 microindentazioni a 4 N.

Le curve di carico-spostamento dimostrano la superiore ripetibilità del nuovo Modulo Micro. L'acciaio standard ha una durezza Vickers di 842±11 HV misurata dal nuovo Modulo Micro, rispetto a 817±18 HV misurata con il tester di durezza Vickers convenzionale. La piccola deviazione standard della misura della durezza garantisce una caratterizzazione affidabile e riproducibile delle proprietà meccaniche nella ricerca e sviluppo e nel controllo di qualità dei materiali sia nel settore industriale che nella ricerca accademica.

Inoltre, dalla curva carico-spostamento è stato calcolato un modulo di Young di 208±5 GPa, che non è disponibile per il tester di durezza Vickers convenzionale a causa della mancata misurazione della profondità durante l'indentazione. Al diminuire del carico e delle dimensioni dell'indentazione, il modulo di Young s è stato calcolato in base alla curva carico-spostamento. NANOVEA I vantaggi di Micro Module in termini di ripetibilità rispetto ai durometri Vickers aumentano fino a quando non è più possibile misurare il rientro attraverso l'ispezione visiva.

Il vantaggio di misurare la profondità per calcolare la durezza diventa evidente anche quando si ha a che fare con campioni più ruvidi o più difficili da osservare con i microscopi standard in dotazione ai durometri Vickers.

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo dimostrato come il nuovo modulo NANOVEA Micro (gamma 200 N), leader a livello mondiale, esegua misure di indentazione e graffiatura riproducibili e precise in un'ampia gamma di carichi da 0,03 a 200 N (da 3 gf a 20,4 kgf). Un modulo micro opzionale a gamma inferiore può fornire test da 0,003 a 20 N (da 0,3 gf a 2 kgf). L'esclusivo allineamento verticale del motore Z, della cella di carico ad alta forza e del sensore di profondità garantisce la massima rigidità strutturale durante le misurazioni. Le indentature misurate a diversi carichi hanno tutte una forma quadrata simmetrica sulla superficie del campione. Nel test di graffiatura con un carico massimo di 200 N viene creata una traccia rettilinea di larghezza e profondità progressivamente crescenti.

Il nuovo modulo Micro può essere configurato sulla base meccanica PB1000 (150 x 200 mm) o CB500 (100 x 50 mm) con una motorizzazione z (portata 50 mm). In combinazione con un potente sistema di telecamere (precisione di posizione di 0,2 micron), i sistemi offrono le migliori capacità di automazione e mappatura del mercato. NANOVEA offre anche un'esclusiva funzione brevettata (EP n. 30761530) che consente di verificare e calibrare i penetratori Vickers eseguendo un singolo rientro sull'intera gamma di carichi. Al contrario, i durometri Vickers standard possono fornire la calibrazione a un solo carico.

Inoltre, il software NANOVEA consente all'utente di misurare la durezza Vickers con il metodo tradizionale di misurazione delle diagonali del rientro, se necessario (per ASTM E92 ed E384). Come mostrato in questo documento, le prove di durezza in profondità rispetto al carico (ASTM E2546 e ISO 14577) eseguite da un Micro Modulo NANOVEA sono precise e riproducibili rispetto ai durometri tradizionali. Soprattutto per i campioni che non possono essere osservati/misurati con un microscopio.

In conclusione, la maggiore precisione e ripetibilità del progetto del Micro Modulo, con la sua ampia gamma di carichi e test, l'elevata automazione e le opzioni di mappatura rendono obsoleti i tradizionali durometri Vickers. Ma lo stesso vale per i tester per graffi e micrograffi, attualmente ancora disponibili, ma progettati con i difetti degli anni '80.

Il continuo sviluppo e miglioramento di questa tecnologia fa di NANOVEA un leader mondiale nei test micro meccanici.

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Carta vetrata: Analisi della rugosità e del diametro delle particelle

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CARTA VETRATA

Analisi della rugosità e del diametro delle particelle

Preparato da

FRANK LIU

INTRODUZIONE

La carta vetrata è un prodotto comunemente disponibile in commercio utilizzato come abrasivo. L'uso più comune della carta vetrata è quello di rimuovere i rivestimenti o di lucidare una superficie grazie alle sue proprietà abrasive. Queste proprietà abrasive sono classificate in grane, ognuna delle quali si riferisce a quanto è liscia o
finitura superficiale che si otterrà. Per ottenere le proprietà abrasive desiderate, i produttori di carta vetrata devono garantire che le particelle abrasive abbiano una dimensione specifica e una deviazione minima. Per quantificare la qualità della carta vetrata, il sistema 3D senza contatto di NANOVEA Profilometro può essere utilizzato per ottenere il parametro dell'altezza media aritmetica (Sa) e il diametro medio delle particelle di un'area campione.

IMPORTANZA DEL PROFILATORE OTTICO 3D SENZA CONTATTO PROFILATORE PER CARTA VETRATA

Quando si usa la carta vetrata, l'interazione tra le particelle abrasive e la superficie da levigare deve essere uniforme per ottenere finiture superficiali coerenti. Per quantificare questo aspetto, la superficie della carta vetrata può essere osservata con il profilatore ottico 3D senza contatto di NANOVEA per vedere le deviazioni nelle dimensioni, nell'altezza e nella distanza delle particelle.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, cinque diverse grane di carta vetrata (120,
180, 320, 800 e 2000) vengono scannerizzati con l'apparecchio
Profilatore ottico senza contatto NANOVEA ST400 3D.
La Sa viene estratta dalla scansione e la particella
La dimensione viene calcolata conducendo un'analisi dei Motifs per
trovare il loro diametro equivalente

NANOVEA

ST400

RISULTATI E DISCUSSIONE

La carta vetrata diminuisce la rugosità superficiale (Sa) e la dimensione delle particelle all'aumentare della grana, come previsto. La Sa varia da 42,37 μm a 3,639 μm. La dimensione delle particelle varia da 127 ± 48,7 a 21,27 ± 8,35. Le particelle più grandi e le alte variazioni di altezza creano un'azione abrasiva più forte sulle superfici rispetto alle particelle più piccole con basse variazioni di altezza.
Tutte le definizioni dei parametri di altezza indicati sono riportate a pagina A.1.

TABELLA 1: Confronto tra le grane della carta vetrata e i parametri di altezza.

TABELLA 2: Confronto tra le grane della carta vetrata e il diametro delle particelle.

VISTA 2D E 3D DELLA CARTA VETRATA

Di seguito sono riportate le viste in falso colore e in 3D dei campioni di carta vetrata.
Per rimuovere la forma o l'ondulazione è stato utilizzato un filtro gaussiano di 0,8 mm.

ANALISI DEL MOTIVO

Per individuare con precisione le particelle in superficie, la soglia della scala di altezza è stata ridefinita per mostrare solo lo strato superiore della carta vetrata. È stata quindi condotta un'analisi dei motivi per individuare i picchi.

CONCLUSIONE

Il profilatore ottico 3D senza contatto di NANOVEA è stato utilizzato per ispezionare le proprietà superficiali di varie grane di carta vetrata, grazie alla sua capacità di scansionare con precisione superfici con caratteristiche micro e nano.

I parametri di altezza superficiale e i diametri equivalenti delle particelle sono stati ottenuti da ciascuno dei campioni di carta vetrata utilizzando un software avanzato per analizzare le scansioni 3D. È stato osservato che, all'aumentare della grana, la rugosità superficiale (Sa) e la dimensione delle particelle sono diminuite, come previsto.

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Misura del confine di superficie

Misurazione dei confini di superficie con la profilometria 3D

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MISURAZIONE DEI CONFINI DELLA SUPERFICIE

USANDO LA PROFILOMETRIA 3D

Preparato da

Craig Leising

INTRODUZIONE

Negli studi in cui l'interfaccia di caratteristiche superficiali, modelli, forme ecc. viene valutata per l'orientamento, sarà utile identificare rapidamente le aree di interesse sull'intero profilo di misura. Segmentando una superficie in aree significative, l'utente può valutare rapidamente i confini, i picchi, le fosse, le aree, i volumi e molti altri elementi per comprendere il loro ruolo funzionale nell'intero profilo della superficie in esame. Ad esempio, come nel caso dell'imaging dei confini dei grani dei metalli, l'importanza dell'analisi è l'interfaccia di molte strutture e il loro orientamento complessivo. La comprensione di ciascuna area di interesse consente di identificare difetti o anomalie all'interno dell'area complessiva. Sebbene l'imaging dei bordi dei grani sia tipicamente studiato a una distanza superiore alle capacità del Profilometro e sia solo un'analisi di immagini 2D, è un utile riferimento per illustrare il concetto di ciò che verrà mostrato qui su una scala più ampia, insieme ai vantaggi della misurazione di superfici 3D.

IMPORTANZA DEL PROFILOMETRO 3D NON A CONTATTO PER LO STUDIO DELLA SEPARAZIONE DELLE SUPERFICI

A differenza di altre tecniche come i tastatori o l'interferometria, il Profilometro 3D senza contatto, utilizzando il cromatismo assiale, può misurare quasi tutte le superfici, le dimensioni dei campioni possono variare ampiamente a causa della stadiazione aperta e non è necessaria alcuna preparazione del campione. L'intervallo da nano a macro si ottiene durante la misurazione del profilo di superficie senza alcuna influenza da parte della riflettività o dell'assorbimento del campione, ha una capacità avanzata di misurare angoli superficiali elevati e non è prevista alcuna manipolazione dei risultati da parte del software. Misura facilmente qualsiasi materiale: trasparente, opaco, speculare, diffusivo, lucido, ruvido ecc. La tecnica del profilometro senza contatto fornisce una capacità ideale, ampia e facile da usare per massimizzare gli studi di superficie quando sarà necessaria l'analisi dei confini della superficie; insieme ai vantaggi della funzionalità combinata 2D e 3D.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione il profilometro Nanovea ST400 viene utilizzato per misurare l'area superficiale del polistirolo. I confini sono stati stabiliti combinando un file di intensità riflessa con la topografia, acquisiti simultaneamente con il NANOVEA ST400. Questi dati sono stati poi utilizzati per calcolare diverse informazioni sulla forma e sulle dimensioni di ciascun "granello" di polistirolo.

NANOVEA

ST400

RISULTATI E DISCUSSIONE: Misura del limite di superficie 2D

Immagine topografica (sotto a sinistra) mascherata dall'immagine dell'intensità riflessa (sotto a destra) per definire chiaramente i confini dei grani. Tutti i grani di diametro inferiore a 565 µm sono stati ignorati applicando il filtro.

Numero totale di grani: 167
Area totale di proiezione occupata dai grani: 166,917 mm² (64,5962 %)
Area totale prevista occupata dai confini: (35.4038 %)
Densità dei grani: 0,646285 grani / mm2

Area = 0,999500 mm² +/- 0,491846 mm²
Perimetro = 9114,15 µm +/- 4570,38 µm
Diametro equivalente = 1098,61 µm +/- 256,235 µm
Diametro medio = 945,373 µm +/- 248,344 µm
Diametro minimo = 675,898 µm +/- 246,850 µm
Diametro massimo = 1312,43 µm +/- 295,258 µm

RISULTATI E DISCUSSIONE: Misurazione dei confini della superficie 3D

Utilizzando i dati topografici 3D ottenuti, è possibile analizzare il volume, l'altezza, il picco, il rapporto d'aspetto e le informazioni generali sulla forma di ciascun grano. Area 3D totale occupata: 2,525 mm3

CONCLUSIONE

In questa applicazione, abbiamo dimostrato come il profilometro senza contatto NANOVEA 3D possa caratterizzare con precisione la superficie del polistirolo. È possibile ottenere informazioni statistiche sull'intera superficie di interesse o su singoli grani, siano essi picchi o buchi. In questo esempio sono stati utilizzati tutti i grani più grandi di una dimensione definita dall'utente per mostrare l'area, il perimetro, il diametro e l'altezza. Le caratteristiche qui illustrate possono essere fondamentali per la ricerca e il controllo di qualità di superfici naturali e pre-fabbricate che spaziano dalle applicazioni bio-mediche a quelle di microlavorazione, oltre a molte altre.

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Test di usura del rivestimento in vetro con l'umidità tramite tribometro

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UMIDITÀ DEL RIVESTIMENTO DEL VETRO

TEST DI USURA CON TRIBOMETRO

Preparato da

DUANJIE LI, Dottore di ricerca

INTRODUZIONE

Il rivestimento di vetro autopulente crea una superficie di vetro facile da pulire che previene l'accumulo di sporcizia e macchie. La sua caratteristica autopulente riduce significativamente la frequenza, il tempo, l'energia e i costi di pulizia, rendendolo una scelta attraente per una varietà di applicazioni residenziali e commerciali, come facciate in vetro, specchi, vetri di docce, finestre e parabrezza.

IMPORTANZA DELLA RESISTENZA ALL'USURA DEL RIVESTIMENTO AUTOPULENTE DEL VETRO

Una delle principali applicazioni del rivestimento autopulente è la superficie esterna della facciata di vetro dei grattacieli. La superficie di vetro è spesso attaccata da particelle ad alta velocità trasportate da forti venti. Anche le condizioni atmosferiche giocano un ruolo importante nella durata di vita del rivestimento di vetro. Può essere molto difficile e costoso trattare la superficie del vetro e applicare un nuovo rivestimento quando quello vecchio si guasta. Pertanto, la resistenza all'usura del rivestimento di vetro sotto
Le diverse condizioni meteorologiche sono critiche.

Per simulare le condizioni ambientali realistiche del rivestimento autopulente in diverse condizioni atmosferiche, è necessaria una valutazione ripetibile dell'usura in un'umidità controllata e monitorata. Questo permette agli utenti di confrontare correttamente la resistenza all'usura dei rivestimenti autopulenti esposti a diverse umidità e di selezionare il miglior candidato per l'applicazione desiderata.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, abbiamo mostrato che il NANOVEA Il tribometro T100 dotato di un controllore di umidità è uno strumento ideale per studiare la resistenza all'usura dei rivestimenti di vetro autopulenti in diverse condizioni di umidità.

NANOVEA

T100

PROCEDURE DI TEST

I vetrini da microscopio in vetro soda-calcico sono stati rivestiti con rivestimenti di vetro autopulenti con due diverse ricette di trattamento. Questi due rivestimenti sono identificati come Rivestimento 1 e Rivestimento 2. Un vetrino di vetro nudo non rivestito è stato testato anche per il confronto.

NANOVEA Tribometro dotato di un modulo di controllo dell'umidità è stato utilizzato per valutare il comportamento tribologico, ad esempio coefficiente di attrito, COF e resistenza all'usura dei rivestimenti di vetro autopulenti. Una punta sferica WC (6 mm di diametro) è stata applicata sui campioni testati. Il COF è stato registrato in situ. Il controller di umidità collegato alla tribocamera controllava con precisione il valore di umidità relativa (RH) nell'intervallo di ±1 %. La morfologia della traccia di usura è stata esaminata al microscopio ottico dopo le prove di usura.

CARICO MASSIMO 40 mN

RISULTATI E DISCUSSIONE

I test di usura pin-on-disk in diverse condizioni di umidità sono stati condotti sul vetro rivestito e non rivestito
campioni. Il COF è stato registrato in situ durante le prove di usura come mostrato in FIGURA 1 e il COF medio è riassunto in FIGURA 2. FIGURA 4 confronta le tracce di usura dopo i test di usura.

Come mostrato in FIGURA 1Il vetro non rivestito mostra un COF elevato di ~0,45 una volta che il movimento di scorrimento inizia nel 30% RH, e aumenta progressivamente a ~0,6 alla fine del test di usura a 300 giri. In confronto, il
I campioni di vetro rivestiti Coating 1 e Coating 2 mostrano un basso COF inferiore a 0,2 all'inizio del test. Il COF
del rivestimento 2 si stabilizza a ~0,25 durante il resto della prova, mentre il rivestimento 1 mostra un forte aumento di COF a
~250 giri e il COF raggiunge un valore di ~0,5. Quando le prove di usura sono effettuate nel 60% RH, il
Il vetro non rivestito mostra ancora un COF più alto di ~0,45 durante tutto il test di usura. I rivestimenti 1 e 2 mostrano i valori COF di 0,27 e 0,22, rispettivamente. Nel 90% RH, il vetro non rivestito possiede un COF elevato di ~0,5 alla fine del test di usura. I rivestimenti 1 e 2 mostrano un COF comparabile di ~0,1 all'inizio del test di usura. Il rivestimento 1 mantiene un COF relativamente stabile di ~0,15. Il rivestimento 2, tuttavia, fallisce a ~ 100 giri, seguito da un aumento significativo del COF a ~0,5 verso la fine del test di usura.

Il basso attrito del rivestimento di vetro autopulente è causato dalla sua bassa energia superficiale. Crea una statica molto alta
angolo di contatto con l'acqua e basso angolo di roll-off. Porta alla formazione di piccole goccioline d'acqua sulla superficie del rivestimento nel 90% RH come mostrato al microscopio in FIGURA 3. Risulta anche una diminuzione del COF medio da ~0,23 a ~0,15 per il rivestimento 2 quando il valore RH aumenta da 30% a 90%.

FIGURA 1: Coefficiente di attrito durante le prove pin-on-disk in diverse umidità relative.

FIGURA 2: COF medio durante i test pin-on-disk in diverse umidità relative.

FIGURA 3: Formazione di piccole gocce d'acqua sulla superficie di vetro rivestita.

FIGURA 4 confronta le tracce di usura sulla superficie del vetro dopo i test di usura in diverse umidità. Il rivestimento 1 mostra segni di lieve usura dopo i test di usura in RH di 30% e 60%. Possiede una grande traccia di usura dopo il test nella RH 90%, in accordo con il significativo aumento di COF durante il test di usura. Il rivestimento 2 non mostra quasi nessun segno di usura dopo i test di usura sia in ambiente asciutto che bagnato, e mostra anche un basso COF costante durante i test di usura in diverse umidità. La combinazione di buone proprietà tribologiche e bassa energia superficiale rende il rivestimento 2 un buon candidato per applicazioni di rivestimento del vetro autopulente in ambienti difficili. In confronto, il vetro non rivestito mostra tracce di usura più grandi e un COF più alto in diverse condizioni di umidità, dimostrando la necessità della tecnica di rivestimento autopulente.

FIGURA 4: Tracce di usura dopo i test pin-on-disk in diverse umidità relative (ingrandimento 200x).

CONCLUSIONE

NANOVEA Il tribometro T100 è uno strumento superiore per la valutazione e il controllo di qualità dei rivestimenti di vetro autopulenti in diverse condizioni di umidità. La capacità di misurare il COF in situ permette agli utenti di correlare le diverse fasi del processo di usura con l'evoluzione del COF, che è fondamentale per migliorare la comprensione fondamentale del meccanismo di usura e delle caratteristiche tribologiche dei rivestimenti di vetro. Sulla base dell'analisi tribologica completa sui rivestimenti di vetro autopulenti testati in diverse condizioni di umidità, dimostriamo che il rivestimento 2 possiede un COF basso e costante e una resistenza all'usura superiore sia in ambienti asciutti che bagnati, il che lo rende un candidato migliore per applicazioni di rivestimenti di vetro autopulenti esposti a diverse condizioni atmosferiche.

NANOVEA I tribometri offrono test di usura e attrito precisi e ripetibili utilizzando modalità rotative e lineari conformi a ISO e ASTM, con moduli opzionali di usura ad alta temperatura, lubrificazione e tribocorrosione disponibili in un sistema pre-integrato. Il profilatore 3D senza contatto opzionale è disponibile per un'alta
imaging 3D a risoluzione della traccia di usura, oltre ad altre misurazioni della superficie come la rugosità.

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Deformazione a scorrimento dei polimeri mediante nanoindentazione

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DEFORMAZIONE PER SCORRIMENTO

DEI POLIMERI MEDIANTE NANOINDENTAZIONE

Preparato da

DUANJIE LI, Dottore di ricerca

INTRODUZIONE

In quanto materiali viscoelastici, i polimeri spesso subiscono una deformazione dipendente dal tempo sotto un determinato carico applicato, nota anche come creep. Il creep diventa un fattore critico quando le parti polimeriche sono progettate per essere esposte a sollecitazioni continue, come i componenti strutturali, i raccordi e i recipienti a pressione idrostatica.

IMPORTANZA DELLA MISURAZIONE DEL CREEP PER POLIMERI

La natura intrinseca della viscoelasticità gioca un ruolo vitale nelle prestazioni dei polimeri e influenza direttamente la loro affidabilità di servizio. Le condizioni ambientali come il carico e la temperatura influenzano il comportamento al creep dei polimeri. I guasti al creep si verificano spesso a causa della mancanza di attenzione al comportamento al creep dipendente dal tempo dei materiali polimerici utilizzati in condizioni di servizio specifiche. Di conseguenza, è importante sviluppare un test affidabile e quantitativo dei comportamenti meccanici viscoelastici dei polimeri. Il modulo Nano della NANOVEA Tester Meccanici applica il carico con un piezoelettrico ad alta precisione e misura direttamente l'evoluzione della forza e dello spostamento in situ. La combinazione di precisione e ripetibilità lo rende uno strumento ideale per la misurazione del creep.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, abbiamo dimostrato che
il tester meccanico NANOVEA PB1000
in Nanoindentazione è uno strumento ideale
per lo studio delle proprietà meccaniche viscoelastiche
compresa la durezza, il modulo di Young
e creep dei materiali polimerici.

NANOVEA

PB1000

CONDIZIONI DI PROVA

Otto diversi campioni di polimero sono stati testati con la tecnica della nanoindentazione utilizzando il tester meccanico NANOVEA PB1000. Con l'aumento lineare del carico da 0 a 40 mN, la profondità è aumentata progressivamente durante la fase di carico. Il creep è stato misurato in base alla variazione della profondità di indentazione al carico massimo di 40 mN per 30 secondi.

CARICO MASSIMO 40 mN

TASSO DI CARICO
80 mN/min

TASSO DI SCARICO 80 mN/min

TEMPO DI CREEP
30 s

TIPO DI INDENTERO

Berkovich

Diamante

*impostazione del test di nanoindentazione

RISULTATI E DISCUSSIONE

L'andamento del carico rispetto allo spostamento dei test di nanoindentazione su diversi campioni di polimero è mostrato in FIGURA 1 e le curve di creep sono confrontate in FIGURA 2. La durezza e il modulo di Young sono riassunti in FIGURA 3 e la profondità di creep è mostrata in FIGURA 4. La durezza e il modulo di Young sono riassunti in FIGURA 3, mentre la profondità di scorrimento è mostrata in FIGURA 4. Come esempio in FIGURA 1, le porzioni AB, BC e CD della curva carico-spostamento per la misura di nanoindentazione rappresentano rispettivamente i processi di carico, creep e scarico.

Il Delrin e il PVC presentano la durezza più elevata, rispettivamente di 0,23 e 0,22 GPa, mentre l'LDPE possiede la durezza più bassa, pari a 0,026 GPa, tra i polimeri testati. In generale, i polimeri più duri mostrano tassi di scorrimento inferiori. L'LDPE più morbido ha la più alta profondità di scorrimento di 798 nm, rispetto ai ~120 nm del Delrin.

Le proprietà di creep dei polimeri sono fondamentali quando vengono utilizzati in parti strutturali. Misurando con precisione la durezza e il creep dei polimeri, è possibile ottenere una migliore comprensione dell'affidabilità dei polimeri in funzione del tempo. Il creep, ovvero la variazione dello spostamento a un determinato carico, può essere misurato anche a diverse temperature e umidità elevate utilizzando il tester meccanico NANOVEA PB1000, fornendo uno strumento ideale per misurare in modo quantitativo e affidabile i comportamenti meccanici viscoelastici dei polimeri.
nell'ambiente applicativo realistico simulato.

FIGURA 1: I grafici di carico e spostamento
di diversi polimeri.

FIGURA 2: Creeping a un carico massimo di 40 mN per 30 s.

FIGURA 3: Durezza e modulo di Young dei polimeri.

FIGURA 4: Profondità di scorrimento dei polimeri.

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo dimostrato che il NANOVEA PB1000
I tester meccanici misurano le proprietà meccaniche di diversi polimeri, tra cui durezza, modulo di Young e creep. Tali proprietà meccaniche sono essenziali per selezionare il materiale polimerico più adatto alle applicazioni previste. Il Derlin e il PVC presentano la durezza più elevata, rispettivamente di 0,23 e 0,22 GPa, mentre l'LDPE possiede la durezza più bassa, pari a 0,026 GPa, tra i polimeri testati. In generale, i polimeri più duri presentano tassi di scorrimento inferiori. L'LDPE più morbido mostra la più alta profondità di scorrimento, pari a 798 nm, rispetto ai ~120 nm del Derlin.

I tester meccanici NANOVEA offrono moduli Nano e Micro multifunzione ineguagliabili su un'unica piattaforma. Entrambi i moduli Nano e Micro includono le modalità di scratch tester, hardness tester e wear tester, offrendo la più ampia e semplice gamma di test disponibili su un unico sistema.

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Nanoindentazione multifase dei metalli

Studio metallurgico di materiale multifase usando la nanoindentazione

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STUDIO DELLA METALLURGIA
DI MATERIALE MULTIFASE

UTILIZZANDO LA NANOINDENTAZIONE

Preparato da

DUANJIE LI, Dottore di ricerca & ALESSIO CELESTINO

INTRODUZIONE

La metallurgia studia il comportamento fisico e chimico degli elementi metallici, nonché dei loro composti intermetallici e delle leghe. I metalli sottoposti a processi di lavorazione, come la fusione, la forgiatura, la laminazione, l'estrusione e la lavorazione, subiscono cambiamenti nelle loro fasi, nella microstruttura e nella struttura. Questi cambiamenti si traducono in proprietà fisiche diverse, tra cui durezza, forza, tenacità, duttilità e resistenza all'usura del materiale. La metallografia viene spesso applicata per conoscere il meccanismo di formazione di tali fasi, microstrutture e strutture specifiche.

IMPORTANZA DELLE PROPRIETÀ MECCANICHE LOCALI PROPRIETÀ MECCANICHE LOCALI PER LA PROGETTAZIONE DEI MATERIALI

I materiali avanzati spesso presentano fasi multiple in una microstruttura e una struttura speciali per ottenere le proprietà meccaniche desiderate per le applicazioni mirate nella pratica industriale. Nanoindentazione è ampiamente applicato per misurare i comportamenti meccanici dei materiali a piccole scale ^{i ii}.Tuttavia, è impegnativo e richiede tempo selezionare con precisione punti specifici per l'indentazione in un'area molto piccola. Per determinare le proprietà meccaniche di diverse fasi di un materiale con elevata precisione e misure tempestive, è necessaria una procedura affidabile e di facile utilizzo per i test di nanoindentazione.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, misuriamo le proprietà meccaniche di un campione metallurgico multifase utilizzando il più potente tester meccanico: il NANOVEA PB1000.

Qui mostriamo la capacità del PB1000 di eseguire misure di nanoindentazione su più fasi (grani) di una grande superficie di campione con elevata precisione e facilità d'uso, utilizzando il nostro Advanced Position Controller.

NANOVEA

PB1000

CONDIZIONI DI PROVA

In questo studio utilizziamo un campione metallurgico con fasi multiple. Il campione è stato lucidato a specchio prima dei test di indentazione. Nel campione sono state identificate quattro fasi: FASE 1, FASE 2, FASE 3 e FASE 4, come mostrato di seguito.

L'Advanced Stage Controller è uno strumento intuitivo per la navigazione dei campioni che regola automaticamente la velocità di movimento dei campioni nel microscopio ottico in base alla posizione del mouse. Più il mouse si allontana dal centro del campo visivo, più il palcoscenico si sposta velocemente verso la direzione del mouse. In questo modo si ottiene un metodo facile da usare per navigare sull'intera superficie del campione e selezionare la posizione prevista per i test meccanici. Le coordinate delle posizioni di prova vengono salvate e numerate, insieme alle singole impostazioni di prova, come i carichi, la velocità di carico/scarico, il numero di prove in una mappa, ecc. Questa procedura di test consente agli utenti di esaminare un'ampia superficie del campione per individuare aree specifiche di interesse per l'indentazione e di eseguire tutte le prove di indentazione in diverse posizioni in una sola volta, rendendolo uno strumento ideale per le prove meccaniche di campioni metallurgici con fasi multiple.

In questo studio, abbiamo localizzato le fasi specifiche del campione sotto il microscopio ottico integrato nel NANOVEA Tester meccanico come numerato su FIGURA 1. Le coordinate delle posizioni selezionate vengono salvate, quindi vengono eseguiti test automatici di nanoindentazione tutti in una volta nelle condizioni di prova riassunte di seguito.

FIGURA 1: SELEZIONE DELLA POSIZIONE DI NANOINDENTAZIONE SULLA SUPERFICIE DEL CAMPIONE.

RISULTATI: NANOINDENTAZIONI SU DIVERSE FASI

Di seguito sono riportate le indentature nelle diverse fasi del campione. Dimostriamo che l'eccellente controllo della posizione dello stadio del campione nella NANOVEA Collaudatore meccanico consente agli utenti di individuare con precisione la posizione target per i test delle proprietà meccaniche.

Le curve di carico-spostamento rappresentative delle indentazioni sono mostrate in FIGURA 2e la corrispondente durezza e modulo di Young calcolati con il metodo di Oliver e Pharr.ⁱⁱⁱ sono riassunti e confrontati in FIGURA 3.

Il FASI 1, 2, 3 e 4 possiedono una durezza media di ~5,4, 19,6, 16,2 e 7,2 GPa, rispettivamente. Le dimensioni relativamente piccole per FASI 2 contribuisce alla maggiore deviazione standard dei valori di durezza e modulo di Young.

FIGURA 2: CURVE CARICO-SPOSTAMENTO
DELLE NANOINDENTAZIONI

FIGURA 3: DUREZZA E MODULO DI YOUNG DI DIVERSE FASI

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo mostrato il tester meccanico NANOVEA che esegue misure di nanoindentazione su più fasi di un campione metallurgico di grandi dimensioni utilizzando il controller avanzato dello stadio. Il preciso controllo della posizione consente agli utenti di navigare facilmente su un'ampia superficie del campione e di selezionare direttamente le aree di interesse per le misure di nanoindentazione.

Le coordinate di posizione di tutte le indentature vengono salvate e poi eseguite consecutivamente. Questa procedura di prova rende la misurazione delle proprietà meccaniche locali su piccola scala, come nel caso del campione metallico multifase di questo studio, sostanzialmente meno dispendiosa in termini di tempo e più facile da usare. Le FASI 2, 3 e 4 dure migliorano le proprietà meccaniche del campione, con una durezza media di ~19,6, 16,2 e 7,2 GPa, rispettivamente, rispetto ai ~5,4 GPa della FASE 1.

I moduli Nano, Micro o Macro dello strumento includono tutti modalità di indentazione, graffio e usura conformi agli standard ISO e ASTM, fornendo la più ampia e semplice gamma di test disponibili in un unico sistema. L'impareggiabile gamma di NANOVEA è la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà meccaniche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri, tra cui durezza, modulo di Young, tenacità alla frattura, adesione, resistenza all'usura e molte altre.

i Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, volume 19, numero 1, gennaio 2004, pagg. 3-20.
ii Schuh, C.A., Materiali Oggi, Volume 9, Numero 5, Maggio 2006, pp. 32-40
iii Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Volume 7, Numero 6, Giugno 1992, pp.1564-1583

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