アプリケーションノート | 軟質材料のナノインデンテーション

ナノインデンテーションによるハイドロゲルの機械的特性

真の荷重フィードバックで超軟質材料の硬さ、ヤング率、クリープを測定

青いハイドロゲル球のクローズアップ

研究・試験

Duanjie Li & Jorge Ramirez

デザイン・編集

Andrew Shore

はじめに

ハイドロゲルは非常に高い吸水性で知られ、天然組織によく似た柔軟性をもちます。この類似性から、ハイドロゲルは生体材料だけでなく、エレクトロニクス、環境分野、コンタクトレンズなどの消費財でも広く使われています。用途ごとに、固有のハイドロゲルの機械的特性が求められます。

ハイドロゲルのナノインデンテーションに真の荷重フィードバックが必要な理由

ハイドロゲルには、試験条件の選定や試料準備など、ナノインデンテーション特有の課題があります。多くのナノインデンテーションシステムは、もともとこれほど柔らかい材料向けに設計されていないため、大きな制約を抱えています。一部のシステムはコイル/磁石アセンブリで試料に力を加えます。荷重を実際に測定しないため、軟質材料の試験では不正確で非線形な負荷になります。実際に測定しているパラメータが深さだけなので、接触点の判定は極めて困難です。圧子先端がハイドロゲルに近づく間、深さ-時間曲線で傾きの変化を観察することはほぼ不可能です。

こうしたシステムの制約を克服するため、NANOVEA 機械特性試験機のナノモジュールは独立したロードセルで荷重フィードバックを測定し、柔らかい材料から硬い材料まであらゆる材料で高い精度を確保します。ピエゾ制御の変位は非常に精密かつ高速です。これにより、荷重フィードバックのないコイル/磁石システムが考慮しなければならない多くの理論的仮定が不要になり、比類のない粘弾性特性の測定が可能になります。

測定の目的

このアプリケーションでは、ナノインデンテーションモードのNANOVEA PB1000機械特性試験機を用いて、ハイドロゲル試料の硬さ、弾性率、クリープを調べます。

NANOVEA PB1000 Large Platform

機械特性試験機

ナノ・マイクロモジュールを搭載したナノインデンター・スクラッチ試験機プラットフォーム NANOVEA PB1000

試験条件

スライドガラスに載せたハイドロゲル試料を、NANOVEA機械特性試験機でナノインデンテーション試験しました。この軟質材料には直径3 mmの球形チップを使用しました。負荷期間中、荷重は0.06から10 mNまで直線的に増加しました。その後、最大荷重10 mNで70秒間の押し込み深さの変化からクリープを測定しました。

パラメータ値
圧子球形、直径3 mm
アプローチ速度100 µm/min
接触荷重0.06 mN
最大荷重10 mN
負荷速度20 mN/min
クリープ70 s

ハイドロゲルのナノインデンテーション試験条件

スライドガラス上の透明なハイドロゲル試料の上にある直径3 mmの球形圧子
ハイドロゲル試料上の直径3 mmの球形圧子

結果と考察

荷重と深さの時間変化を図1に示します。深さ-時間曲線では、負荷開始時の傾きの変化点、つまり通常は圧子が軟質材料に接触し始めたことを示す点を判定するのが非常に困難です。一方、荷重-時間曲線は、荷重を受けたハイドロゲルの特異な挙動を示しています。ハイドロゲルが球圧子に触れ始めると、表面積を減らそうとする表面張力によって球圧子を引き寄せます。この挙動により、負荷段階の初めに測定荷重が負になります。圧子がハイドロゲルに沈み込むにつれて荷重は徐々に増加し、その後、ハイドロゲルのクリープ挙動を調べるため、最大荷重10 mNで70秒間一定に制御されます。

ハイドロゲル押し込み開始時の荷重-時間曲線。接触時にゼロを下回る
ハイドロゲル押し込み開始時の深さ-時間曲線。接触時に明確な傾きの変化がない

図1:荷重と深さの時間変化

クリープ深さ-時間曲線を図2に、ナノインデンテーション試験の荷重-変位曲線を図3に示します。本研究のハイドロゲルは、Oliver-Pharr法で荷重-変位曲線から算出した硬さが16.9 kPa、ヤング率が160.2 kPaです。

クリープはハイドロゲルの機械的特性を調べるうえで重要な要素です。ピエゾと超高感度ロードセルの間のクローズドループ制御により、最大荷重でのクリープ時間中、真に一定の荷重が保たれます。図2のとおり、3 mmの球チップで加えた最大荷重10 mNのもとで、ハイドロゲルは70秒間のクリープにより約42 µm沈み込みます。

10 mNの一定荷重で70秒間のハイドロゲルのクリープ深さ-時間曲線
図2:最大荷重10 mNで70秒間のクリープ
ハイドロゲルのナノインデンテーションの荷重-変位曲線。負荷、クリープ保持、除荷を含む
図3:ハイドロゲルの荷重-変位曲線

結論

本研究では、ナノインデンテーションモードのNANOVEA機械特性試験機が、硬さ、ヤング率、クリープを含むハイドロゲルの機械的特性を精密かつ再現性よく測定できることを示しました。大きな3 mmの球チップがハイドロゲル表面との適切な接触を確保します。高精度電動ステージにより、ハイドロゲル試料の平らな面を球チップの下に正確に配置できます。本研究のハイドロゲルの硬さは16.9 kPa、ヤング率は160.2 kPaです。10 mNの荷重で70秒間のクリープ深さは約42 µmです。

NANOVEA機械特性試験機は、1つのプラットフォームに比類のない多機能ナノ・マイクロモジュールを搭載できます。どちらのモジュールにもスクラッチ、硬さ、摩耗の試験モードがあり、1台のシステムで最も幅広く使いやすい試験範囲を提供します。

ハイドロゲルのナノインデンテーションに関するよくある質問

ハイドロゲルのナノインデンテーションはなぜ難しいのですか?

ハイドロゲルは試験条件の選定や試料準備に特有の難しさがあり、多くのナノインデンテーションシステムはこれほど柔らかい材料を想定して設計されていません。コイル/磁石で力を加えるシステムは実際には荷重を測定しないため、不正確で非線形な負荷になり、深さだけを測定する場合は接触点を見つけるのが極めて困難です。

NANOVEA機械特性試験機はどのように柔らかいハイドロゲルを正確に測定するのですか?

ナノモジュールが独立したロードセルで荷重フィードバックを測定し、ピエゾ制御の変位は非常に精密かつ高速です。荷重フィードバックのないコイル/磁石システムが前提としなければならない多くの理論的仮定が不要になり、粘弾性特性を正確に測定できます。

ハイドロゲルの硬さと弾性率はどうでしたか?

本研究のハイドロゲルは、Oliver-Pharr法で荷重-変位曲線から算出した硬さが16.9 kPa、ヤング率が160.2 kPaでした。

ハイドロゲルの押し込み開始時に測定荷重が負になるのはなぜですか?

ハイドロゲルが球圧子に触れると、表面積を減らそうとする表面張力によって球を引き寄せます。これが負荷初期の負の測定荷重として現れ、深さ-時間曲線だけではとらえられない接触の兆候となります。

ハイドロゲルのクリープはどのように測定しますか?

ピエゾと超高感度ロードセルの間のクローズドループ制御が最大荷重で真に一定の荷重を保ち、その間の深さ変化を記録します。本研究では、3 mmの球チップで加えた10 mNのもとで、ハイドロゲルは70秒間に約42 µm沈み込みました。

ハイドロゲルのナノインデンテーションに使ったNANOVEA装置は?

ナノインデンテーションモードのNANOVEA PB1000機械特性試験機です。直径3 mmの球形チップと、試料の平らな面をチップの下に配置する高精度電動ステージを使用しました。

信頼できる軟質材料のナノインデンテーションが必要ですか?