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AR カテゴリー機械試験
ソフトで柔軟な素材への圧縮
柔らかい素材、柔軟な素材のテストの重要性
非常に柔らかく柔軟性のあるサンプルの例として、マイクロエレクトロメカニカルシステムがある。MEMSは、プリンター、携帯電話、自動車など、日常的に使用される製品に使用されている[1]。また、バイオセンサ[2]やエネルギーハーベスティング[3]などの特殊な機能にも利用されている。MEMSの応用には、元の形状と圧縮された形状の間を可逆的に繰り返し移行できることが必要である[4]。機械的な力に対して構造体がどのように反応するかを理解するために、圧縮試験を実施することができます。圧縮試験は、さまざまなMEMS構成の試験と調整、およびこれらのサンプルの力の上限と下限の試験に利用することができます。
ナノベア メカニカルテスター ナノ 非常に低い負荷でデータを正確に収集し、1 mm の距離を移動できるモジュールの機能は、柔らかく柔軟なサンプルのテストに最適です。独立した荷重センサーと深さセンサーを備えているため、大きな圧子の変位が荷重センサーによる読み取り値に影響を与えることはありません。圧子の移動範囲が 1 mm を超える範囲で低負荷試験を実行できるため、当社のシステムは他のナノインデンテーション システムと比べてユニークです。比較すると、ナノスケールの押し込みシステムの適切な移動距離は、通常 250μm 未満です。
測定目的
このケーススタディでは、ナノベアがユニークな2つの柔軟なバネのようなサンプルに対して圧縮試験を実施しました。非常に低い荷重で圧縮を行い、大きな変位を記録しながら、低荷重で正確にデータを取得する当社の能力と、これがMEMS産業にどのように応用できるかを紹介します。プライバシーポリシーにより、サンプルとその由来は明らかにしていません。
測定パラメータ
注）負荷速度1V/minは、圧子が空中にある場合、約100μmの変位に比例します。
結果および考察
機械的な力に対するサンプルの応答は、荷重対深さの曲線で見ることができます。サンプルAは、上記の試験パラメータで線形弾性変形のみを示します。図2は、75μNでの荷重-深度曲線で達成できる安定性の好例です。荷重センサと深度センサが安定しているため、試料から有意な機械的応答を容易に感知することができます。
深さ750μmを過ぎたあたりから、グラフに破断のような挙動が見られるようになりました。これは深さ850μmと975μmで荷重が急激に減少していることからわかります。8mNの範囲で1mm以上の高荷重で移動しているにもかかわらず、当社の高感度荷重センサーと深度センサーにより、以下のようななめらかな荷重-深度曲線が得られています。
剛性は，荷重-深さ曲線の無負荷部分から算出した。剛性は、試料を変形させるために必要な力の大きさを反映しています。この剛性計算では、材料の実際の比率が分からないため、擬似的なポアソン比である0.3を使用しました。この場合、試料Bは試料Aよりも硬いことがわかりました。
結論
Nanovea Mechanical TesterのNano Moduleを使用して、2種類の柔軟なサンプルの圧縮試験を実施しました。試験は非常に低い荷重（1mm）で実施されました。Nanoモジュールを用いたナノスケールの圧縮試験により、非常に柔らかく柔軟なサンプルを試験するモジュールの能力が示されました。この研究の追加試験として、Nanovea Mechanical Testerのマルチローディングオプションにより、繰り返されるサイクル荷重がバネのようなサンプルの弾性回復にどのような影響を与えるかについて取り上げることができます。
このテスト方法の詳細については、[email protected] までお気軽にお問い合わせください。また、その他のアプリケーションノートについては、当社の広範なアプリケーションノートデジタルライブラリを参照してください。
参考文献
[1] "MEMSの紹介と応用分野".EEHerald, 1 Mar. 2017, www.eeherald.com/section/design-guide/mems_application_introduction.html.
[2] Louizos, Louizos-Alexandros; Athanasopoulos, Panagiotis G.; Varty, Kevin (2012).「Microelectromechanical Systems and Nanotechnology.次のステント技術時代のためのプラットフォーム".Vasc Endovascular Surg.46 (8):605–609. doi:10.1177/1538574412462637.PMID 23047818.
[3] Hajati, Arman; Sang-Gook Kim (2011).「超広帯域圧電エネルギーハーベスティング".AppliedPhysics Letters.99 (8):083105. doi:10.1063/1.3629551.
[4] Fu, Haoran, et al. "Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable bucklingmechanics.".ネイチャー・マテリアル 17.3 (2018): 268.
さて、次はアプリケーションについてです。
ゴムの粘弾性解析
ゴムの粘弾性解析
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タイヤは，車両が道路を走行する際に周期的に大きな変形を受ける。過酷な路面条件にさらされたタイヤは、ネジ山の摩耗、摩擦による発熱、ゴムの老化など、さまざまな要因で寿命が短くなる。
その結果、タイヤは通常、カーボン充填ゴム、ナイロンコード、及びスチールワイヤ等からなる複合層構造を有する。特に、タイヤシステムの異なる領域におけるゴムの組成は、耐摩耗糸、クッションゴム層、および硬質ゴムベース層を含むがこれらに限定されない異なる機能特性を提供するように最適化されている。
ゴムの粘弾性挙動の信頼性が高く再現性のあるテストは、新しいタイヤの品質管理と研究開発、さらには古いタイヤの寿命の評価において重要です。動的機械解析(DMA) ナノインデンテーション 粘弾性を特徴付ける手法です。制御された振動応力が適用されると、結果として生じるひずみが測定され、ユーザーはテストされた材料の複素弾性率を決定できます。
ポリカーボネートレンズ評価
ポリカーボネートレンズのBETTER LOOKS
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ポリカーボネートレンズは、多くの光学用途で一般的に使用されている。その高い耐衝撃性、軽量性、安価な大量生産コストにより、様々な用途で従来のガラスよりも実用的なレンズとなっています[1]。
これらの用途の中には、プラスチックを使用しなければ満たすことが難しい安全性（例：安全眼鏡）、複雑性（例：フレネルレンズ）、耐久性（例：信号機用レンズ）の基準を必要とするものがあります。十分な光学的品質を保ちながら、多くの要求を安価に満たすことができるため、プラスチックレンズはこの分野で際立っています。ポリカーボネートレンズにも限界はあります。消費者が一番気にするのは、傷のつきやすさです。これを補うために、余計な加工を施して傷防止用のコーティングをすることがあります。
ナノベアでは、3つの測定器を用いて、プラスチックレンズの重要な特性を見ていきます。 プロフィロメーター, トライボメータそして メカニカルテスター.
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多層薄膜のスクラッチテスト
コーティングは、下地層の保護、電子デバイスの作成、材料の表面特性の改善など、さまざまな産業で幅広く使用されています。コーティングはその多くの用途のために広く研究されているが、その機械的特性を理解することは困難である。コーティングの故障は、表面と大気の相互作用、凝集破壊、基板と界面の接着不良などから、マイクロ/ナノメートル領域で発生する可能性があります。コーティングの不具合を調べる一貫した方法として、スクラッチテストがあります。荷重を徐々に増加させることで、塗膜の凝集破壊（クラックなど）と接着破壊（剥離など）を定量的に比較することができる。
ナノインデンテーションを用いた動的力学解析
コルクの品質は、その機械的・物理的特性に大きく依存する。ワインを密閉する能力は、柔軟性、断熱性、弾力性、ガスや液体に対する不透過性といった重要な要素で識別されます。動的機械分析（DMA）試験を実施することにより、その柔軟性と弾力性の特性を定量的な方法で測定することができます。これらの特性は、Nanovea Mechanical Testerの ナノインデンタイオン をヤング率、貯蔵弾性率、損失弾性率、タンデルタ（tan(δ)）という形で得ることができます。DMA試験で収集できるその他のデータは、材料の位相シフト、硬さ、応力、ひずみです。
炭化ケイ素ウェハーコーティングの機械的特性
炭化ケイ素ウェハーコーティングの機械的特性を理解することは、非常に重要です。マイクロエレクトロニクスデバイスの製造工程は、300 以上の異なる処理工程があり、6 週間から 8 週間かかることもあります。この工程では、どの工程で失敗しても時間と費用の損失につながるため、ウェハー基板は製造の極限状態に耐えられる必要があります。のテストは 硬度また、ウェーハの接着性、耐スクラッチ性、COF/磨耗率は、製造工程や塗布工程で課せられる条件に耐え、故障が発生しないように一定の条件を満たす必要があります。
ポリマーコーティングのマイクロスクレイプテスト
スクラッチテスト は，塗膜の凝集力と接着力を評価するための最も広く適用されている方法の 1 つとして発展してきた。印加荷重が徐々に増加するにつれてある種の皮膜破壊が起こる臨界荷重は，皮膜の接着性・凝集性を判断し比較するための信頼できるツールとして広く認識されている。スクラッチ試験用の圧子としては、円錐形のロックウェルダイヤモンド圧子が最も一般的に使用されている。しかし、シリコンウェハーのような脆い基板上に形成された柔らかいポリマーコーティングに対してスクラッチテストを行う場合、円錐形の圧子は亀裂や剥離を生じさせるのではなく、溝を形成しながらコーティングを突き進む傾向があります。しかし、荷重が大きくなると、脆いシリコンウェハーにクラックが発生する。したがって、脆性基板上のソフトコーティングの凝集力または接着力を評価する新しい技術の開発が不可欠である。
ASTM D7187 ナノスクラッチによる温度効果
ASTM D7187では、塗料の傷や汚れに対する耐性が、最終用途において重要な役割を果たします。自動車用塗料は傷の影響を受けやすいため、メンテナンスや修理が難しく、コストがかかります。最高の耐スクラッチ／マー性を達成するために、プライマー、ベースコート、クリアコートのさまざまなコーティング構造が開発されてきました。 ナノスクラッチテスト は，ASTM D7187 に記載されているように，塗膜のスクラッチ／マー挙動のメカニズ ム的側面を測定するための標準試験法として開発されたものである。.スクラッチテストでは，弾性変形，塑性変形，破壊という異なる素変形機構が異なる荷重で発生する。これにより，塗膜の耐塑性，耐破壊性を定量的に評価することができる。
セルフクリーニングガラスコーティングの摩擦測定
セルフクリーニングガラスコーティングは、水や油をはじく低い表面エネルギーを持っています。このコーティングを施すことで、ガラスの表面を汚れから守り、汚れをつきにくくすることができます。 イージークリーンコーティングは、ガラス清掃にかかる水とエネルギーの使用量を大幅に削減します。また、刺激の強い有毒な化学洗剤を必要としないため、鏡、シャワーガラス、窓ガラス、フロントガラスなど、住宅や商業施設のさまざまな用途で、環境にやさしい選択肢となります。
サイクリックナノインデンテーションによる応力-歪み測定
サイクリックナノインデンテーションによる応力-歪み測定
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ナノインデンテーションの重要性
で得られる連続剛性測定（CSM）。 ナノインデンテーション は、低侵襲な方法で材料の応力-歪み関係を明らかにします。従来の引張試験法とは異なり、ナノインデンテーションでは、大きな装置を必要とせずに、ナノスケールでの応力-歪みデータを得ることができます。応力-歪み曲線は、試料にかかる荷重が増加するにつれて、弾性挙動と塑性挙動の間の閾値に関する重要な情報を提供します。CSMは、危険な装置を使わずに材料の降伏応力を測定することができます。
ナノインデンテーションは、応力-ひずみデータを迅速に調査するための、信頼性が高く使いやすい方法を提供します。さらに、ナノスケールで応力-ひずみ挙動を測定することで、材料の微細なコーティングや粒子について、重要な特性をより高度に研究することが可能になります。ナノインデンテーションは、硬度、弾性係数、クリープ、破壊靭性などに加えて、弾性限界と降伏強度の情報を提供し、多目的な計測機器となっています。
この研究で得られたナノインデンテーションによる応力-ひずみデータは、表面からわずか1.2ミクロンの深さまで入りながら、材料の弾性限界を特定するものです。私たちはCSMを用いて、圧子が表面に深く入り込むにつれて材料の機械的特性がどのように変化するかを調べています。これは、特性が深さに依存する可能性がある薄膜アプリケーションで特に有用です。ナノインデンテーションは、試験片の材料特性を確認するための最小限の侵襲的な方法です。
CSM試験は、深さに対する材料特性の測定に有効です。より複雑な材料特性を測定するために、一定の荷重で繰り返し試験を実施することができます。これは、疲労の研究や、多孔性の影響を排除して真の弾性率を求めるのに有効です。
測定目的
このアプリケーションでは、ナノベアメカニカルテスターがCSMを使用して、標準的なスチールサンプルの硬度と弾性率の対深度および応力-歪みデータを調査しています。鋼鉄は、ナノスケールの応力-ひずみデータの制御と精度を表示するために、一般的に認識されている特性から選択されました。鋼鉄の弾性限界を超える十分な高応力に到達するため、半径5ミクロンの球状チップを使用しました。
試験条件と手順
以下の圧痕パラメータを使用した。
結果
振動中に荷重を増加させると、次のような深さ対荷重の曲線が得られます。圧子が材料を貫通する際の応力-歪みデータを求めるため、荷重をかけながら100回以上振動させた。
各サイクルで得られた情報から、応力とひずみを求めた。各サイクルでの最大荷重と深さから、各サイクルで材料に加わる最大応力を計算することができます。ひずみは、部分的な除荷による各サイクルでの残留深さから計算します。これにより、残留インプリントの半径を先端の半径で割って、ひずみ係数を算出することができます。材料の応力とひずみをプロットすると、弾性領域と塑性領域、それに対応する弾性限界応力が表示されます。私たちのテストでは、材料の弾性ゾーンと塑性ゾーンの間の移行は約0.076ひずみで、1.45GPaの弾性限界であることが判明しました。
各サイクルが1つのくぼみとして機能するため、荷重を増加させながら、鋼のさまざまな制御された深さで試験を実施します。そのため、各サイクルごとに得られたデータから、深さに対する硬度と弾性率を直接プロットすることができます。
圧子が材料に入り込むと、硬度が上がり、弾性率が下がることがわかります。
結論
ナノベアメカニカルテスターが信頼性の高い応力-ひずみデータを提供することを示しました。CSM圧痕を持つ球状チップを使用することで、応力が増加した状態での材料特性の測定が可能です。荷重と圧子半径を変更することで、様々な材料を制御された深さで試験することが可能です。ナノベアーのメカニカルテスターは、サブmNレンジから400Nまで、これらの圧痕試験を提供します。
