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ナノインデンテーションによる高分子のクリープ変形解析

ナノインデンテーションによる高分子のクリープ変形解析

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クリープ変形

ナノインデンテーションによる高分子材料の評価

作成者

DUANJIE LI博士号取得

はじめに

粘弾性材料である高分子は、ある一定の荷重が加わると時間依存的に変形することが多く、これはクリープとも呼ばれる。クリープは、構造部品、接合部、継手、静水圧容器など、高分子部品が連続的に応力にさらされるように設計されている場合に、重要な要素となる。

クリープ測定の重要性 ポリマーズ

粘弾性の固有の性質は、ポリマーの性能に重要な役割を果たし、サービスの信頼性に直接影響します。荷重や温度などの環境条件は、ポリマーのクリープ挙動に影響を与えます。クリープ故障は、特定の使用条件下で使用されるポリマー材料の時間依存性のクリープ挙動に対する注意力の欠如が原因で発生することがよくあります。結果として、ポリマーの粘弾性機械的挙動の信頼性が高く定量的な試験を開発することが重要です。 NANOVEAのNanoモジュール メカニカルテスター 高精度のピエゾで負荷を加え、その場で力と変位の変化を直接測定します。精度と再現性の組み合わせにより、クリープ測定に理想的なツールとなります。

測定目的

このアプリケーションでは、次のことを紹介しました。
メカニカルテスター「NANOVEA PB1000
において ナノインデンテーション モードは理想的なツールです
粘弾性力学的特性の研究用
硬度、ヤング率など
と高分子材料のクリープ

ナノビア

PB1000

試験条件

8種類のポリマーサンプルについて、NANOVEA PB1000メカニカルテスターを用いて、ナノインデンテーション法による試験を行いました。荷重が0から40 mNまで直線的に増加するにつれて、荷重段階での深さが徐々に増加した。その後、最大荷重40mNで30秒間の圧痕深さの変化によりクリープを測定した。

最大荷重 40 mN
荷重レート
80 mN/min
アンローディングレート 80 mN/min
クリープタイム
30 s

圧子種類

バーコビッチ

ダイヤモンド

*ナノインデンテーション試験の設定

結果・考察

異なるポリマー試料のナノインデンテーション試験の荷重-変位プロットを図1に、クリープ曲線を図2に比較した。また、硬度およびヤング率を図3に、クリープ深さを図4にまとめて示す。図1の例として、ナノインデンテーション測定の荷重-変位曲線のAB、BC、CD部分は、それぞれ荷重、クリープ、除荷の過程を表しています。

デルリンとPVCはそれぞれ0.23 GPaと0.22 GPaという最高の硬度を示し、LDPEは試験したポリマーの中で最も低い0.026 GPaという硬度を有しています。一般に、硬いポリマーほどクリープ速度は小さくなります。最も柔らかいLDPEのクリープ深度は798 nmで、これに対してデルリンは約120 nmでした。

構造部品に使用される場合、ポリマーのクリープ特性は非常に重要です。高分子の硬度とクリープを精密に測定することで、高分子の時間依存の信頼性をより深く理解することができます。また、NANOVEA PB1000 メカニカルテスターを用いれば、異なる温度や湿度でのクリープ(与えられた荷重における変位の変化)を測定することができ、高分子の粘弾性力学的挙動を定量的かつ確実に測定する理想的なツールとなっています。
を現実的なアプリケーション環境でシミュレートしています。

図1: 荷重と変位のプロット
異なるポリマーの

図2: 最大荷重40mNで30秒間のクリープ。

図3: ポリマーの硬度、ヤング率。

図4: ポリマーのクリープ深度。

まとめ

この研究では、NANOVEA PB1000が
硬度、ヤング率、クリープなど、さまざまなポリマーの機械的特性を測定します。このような機械的特性は、意図する用途に適したポリマー材料を選択するために不可欠です。Derlin と PVC はそれぞれ 0.23 GPa と 0.22 GPa という最高の硬度を示し、LDPE はテストしたポリマーの中で 0.026 GPa という最低の硬度を有しています。一般に、硬いポリマーほどクリープ速度は小さくなります。最も柔らかいLDPEのクリープ深度は798 nmで、Derlinの約120 nmと比較して高い値を示しています。

ナノベアメカニカルテスターは、ナノモジュールとマイクロモジュールを1つのプラットフォームで提供する、他に類を見ない多機能なテスターです。ナノとマイクロの両モジュールには、スクラッチテスター、硬度計、摩耗試験機のモードがあり、1つのシステムで最もワイルドでユーザーフレンドリーな試験環境を提供します。

さて、次はアプリケーションについてです。

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