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카테고리: 압흔 | 경도 및 탄성

 

Humidity-controlled nanoindentation for polymer materials used in condensation-prone environments

Humidity-Controlled Nanoindentation of Polymer Materials

Application Note | Environmental Nanoindentation

Humidity-Controlled Nanoindentation of Polymer Films

Measuring Hardness and Creep Under Controlled Relative Humidity

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Transparent polymer application exposed to humidity and condensation, illustrating moisture-sensitive material performance

Research & Experimental Testing

Duanjie Li, PhD & Andrea Novitsky

Visual Design & Editorial

앤드류 쇼어

소개

Polymers are viscoelastic materials, meaning their mechanical response can change with time and environmental conditions. Under sustained loading, they can gradually deform through creep, with the rate of deformation influenced by factors such as material properties, exposure time, temperature, and humidity.

As environmental humidity changes, the mechanical behavior of polymer materials can change as well. Measuring hardness and creep under controlled relative humidity provides a quantitative way to evaluate how moisture exposure affects polymer performance.

Why Humidity-Controlled Nanoindentation Matters

The mechanical properties of polymers can change as environmental humidity increases. As moisture is absorbed, polymers may exhibit mechano-sorptive effects, including accelerated creep and changes in deformation behavior under load.

Reliable characterization therefore requires more than measuring the material at a single ambient condition. Humidity-controlled nanoindentation enables hardness and creep to be measured while both the sample and indenter are maintained in a uniform controlled environment.

The NANOVEA Mechanical Tester uses an isolated humidity enclosure around the indentation tip and sample surface to maintain consistent relative humidity during testing. This helps minimize measurement drift caused by humidity gradients and provides a quantitative way to evaluate moisture-dependent mechanical behavior.

측정 목표

The objective of this study was to evaluate how controlled relative humidity influences the hardness and creep behavior of a polymer film using 나노 인덴테이션.

The polymer film was tested in an isolated environment with uniform humidity surrounding both the sample and indenter, allowing its mechanical response to be measured under controlled moisture conditions.

나노비아 PB1000 Advanced

기계 테스터

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나노 및 마이크로 압흔 모듈이 포함된 나노인덴터 및 스크래치 테스터 플랫폼 NANOVEA PB1000

테스트 조건

A polymer film was tested by nanoindentation at 25, 35, 45, 55, 65, and 75% relative humidity. Both the sample and indenter were maintained inside an isolated enclosure with uniform humidity controlled throughout the test.

Polymer film sample used for humidity-controlled nanoindentation testing

Polymer film sample used for humidity-controlled nanoindentation testing.

A Berkovich diamond indenter was used with a maximum load of 10 mN. The load was applied and removed at 20 mN/min, and creep was measured from the change in indentation depth during a 10 s hold at maximum load.

Hardness was calculated using ASTM E2546 and the Oliver & Pharr method. The test conditions are summarized below.

Humidity (%)25, 35, 45, 55, 65, 75
Maximum load10mN
로딩 속도20mN/min
Unloading rate20mN/min
Creep time10 s
Computation methodASTM E2546 & Oliver & Pharr
Indenter typeBerkovich diamond

결과 및 토론

The load-displacement curves show a progressive increase in penetration depth as relative humidity rises, indicating that the polymer film becomes more susceptible to deformation under the same applied load.

Between 25% and 55% relative humidity, hardness decreased gradually from approximately 0.60 to 0.54 GPa, while creep depth increased from 36 to 48 nm. At higher humidity, the changes became substantially more pronounced. Hardness decreased to 0.46 GPa at 65% RH and 0.31 GPa at 75% RH, while creep depth increased to 80 nm and 105 nm, respectively.

The original study attributes this stronger response at elevated humidity to moisture absorption and swelling of the polymer film. It identifies the transition between 55% and 65% RH as the range where swelling becomes significant, corresponding with the sharp increase in creep observed during indentation.

These results demonstrate why humidity can be an important test variable when evaluating polymers intended for moisture-rich environments. Measuring both hardness and creep across controlled humidity levels provides a more complete view of how the material responds mechanically as environmental conditions change.

Load-displacement curves from humidity-controlled nanoindentation of a polymer film at 25% to 75% relative humidity

Nanoindentation load-displacement curves at relative humidity levels from 25% to 75%.

Graph showing polymer hardness decreasing and creep depth increasing from 25% to 75% relative humidity during nanoindentation

Polymer hardness decreases while creep depth increases as relative humidity rises from 25% to 75%.

결론

Humidity-controlled nanoindentation revealed a clear change in the mechanical response of the polymer film as relative humidity increased. Across the tested range from 25% to 75% RH, hardness progressively decreased while creep increased.

At 65% RH and above, the polymer exhibited substantially greater creep deformation during the hold at maximum load, corresponding with the sharper reduction in hardness observed at higher humidity.

By maintaining both the sample and indenter within an isolated environment of uniform relative humidity, the NANOVEA Mechanical Tester enables hardness and creep to be measured while minimizing the influence of humidity-gradient drift. This provides a quantitative method for evaluating the moisture-dependent mechanical behavior of polymer materials under controlled environmental conditions.

Frequently Asked Questions About Humidity-Controlled Nanoindentation

Why does humidity affect polymer hardness and creep?

Polymers can absorb moisture from the surrounding environment, which can alter their mechanical response. Depending on the material, increased moisture can reduce resistance to deformation and increase time-dependent creep. In this study, increasing relative humidity corresponded with decreasing hardness and increasing creep depth.

Can nanoindentation be performed under controlled humidity?

Yes. Nanoindentation can be performed inside a controlled environmental enclosure so that both the sample and indenter are exposed to a defined relative humidity during testing. This makes it possible to compare mechanical properties under different moisture conditions rather than relying solely on uncontrolled ambient laboratory conditions.

Why test polymers at controlled relative humidity instead of ambient conditions?

Ambient humidity can vary and may not represent the conditions a polymer experiences during storage, processing, or use. Controlling relative humidity allows the environmental condition to become a defined test variable, making it possible to determine whether changes in hardness, creep, or deformation behavior are associated with moisture exposure.

What mechanical properties can be measured under controlled humidity?

Depending on the test method, nanoindentation can evaluate properties including hardness, elastic modulus, and time-dependent creep behavior under controlled environmental conditions. In this study, hardness and creep were measured as relative humidity changed.

What materials can benefit from humidity-controlled nanoindentation?

Humidity-controlled testing can be particularly useful for polymers, thin films, coatings, and other materials whose mechanical behavior may be influenced by moisture absorption. The appropriate humidity range and indentation conditions depend on the material and application.

How can humidity-controlled nanoindentation support material development?

Testing across multiple relative humidity levels can reveal whether a material maintains its mechanical properties as environmental moisture changes. This can support material comparison, formulation development, coating evaluation, failure investigation, and the assessment of materials intended for humidity-sensitive applications.

Can NANOVEA perform humidity-controlled nanoindentation as a laboratory service?

Yes. NANOVEA can perform nanoindentation testing under controlled environmental conditions to evaluate properties such as hardness and creep as humidity changes. Test parameters can be selected according to the material, expected service conditions, and the specific engineering question being investigated.

 
 

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High temperature hardness testing for materials exposed to extreme thermal conditions in aerospace and defense applications

High Temperature Brinell Hardness Testing

Application Note | High Temperature Mechanical Testing

High Temperature Hardness Testing of Steel Using Brinell Indentation

Mapping Steel Hardness Loss from Room Temperature to 925°C with NANOVEA T2000 Tribometer

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Material performance testing under extreme temperature conditions for aerospace and defense applications

Research & Experimental Testing

Frank Liu

Visual Design & Editorial

앤드류 쇼어

소개

High temperature hardness testing provides insight into how the mechanical behavior of metals changes as temperature increases. Materials that exhibit high hardness at room temperature can soften significantly when exposed to elevated temperatures, making temperature-dependent hardness an important consideration when selecting materials for applications such as jet engines, high-temperature processing equipment, and other thermally demanding environments.

In this study, a steel sample was evaluated using Brinell indentation with the NANOVEA T2000 Tribometer. Hardness measurements were performed at 25, 200, 400, 600, 800, and 925°C to map the change in steel hardness with temperature. The results show a gradual reduction in hardness through approximately 600°C, followed by a much sharper decline at higher temperatures, resulting in an 84% decrease in hardness between room temperature and 925°C.

Why High Temperature Hardness Testing Matters

Hardness is a mechanical property that describes a material’s resistance to localized deformation. Higher hardness generally corresponds to greater resistance to indentation and permanent surface deformation.

Temperature can significantly alter this behavior. A material that remains hard at room temperature may soften as temperature increases, changing its mechanical response under elevated-temperature conditions. For materials intended for high-temperature applications, understanding these changes is important when evaluating their mechanical limits.

High temperature hardness testing makes it possible to measure these changes directly as temperature increases rather than relying only on room-temperature properties. In this study, the steel sample provides a clear example of how hardness can remain relatively stable over part of the temperature range before declining rapidly at higher temperatures.

측정 목표

The objective of this study was to evaluate how the Brinell hardness of steel changes as temperature increases from room temperature to 925°C.

Using a 10 mm tungsten carbide (WC) ball, a load of 1000 N (~100 kgf) was applied to the steel sample at 25, 200, 400, 600, 800, and 925°C. The resulting indentations were measured using NANOVEA’s 3D Line Sensor to determine their diameter for Brinell hardness calculation.

나노비아 T2000 고부하

공압식 마찰계

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NANOVEA T2000 high load pneumatic tribometer for friction and wear testing

테스트 절차

High temperature Brinell hardness testing was performed with the steel sample mounted inside the NANOVEA T2000 heated chamber. The sample was tested at six temperatures from 25°C to 925°C using a 10 mm tungsten carbide (WC) ball with an applied test force of 1000 N (~100 kgf).

The test parameters used throughout the study are summarized below.

Steel sample mounted inside the NANOVEA T2000 high temperature chamber for Brinell hardness testing

Steel sample mounted in the NANOVEA T2000 high temperature chamber for Brinell hardness testing from 25°C to 925°C.

테스트 매개변수

Test Parameter High Temperature Brinell Hardness Setup
온도 25, 200, 400, 600, 800, 925°C
Test force 1000 N (~100 kgf)
Force-diameter ratio 1
Ball material Tungsten carbide (WC)
Ball diameter 10 mm
Steel samples used for high temperature Brinell hardness testing from 25°C to 925°C

Steel samples used in the high temperature Brinell hardness study from room temperature to 925°C.

결과 및 토론

Brinell hardness was calculated from the applied force, ball diameter, and measured indentation diameter using the equation below:

Brinell hardness equation using applied force, ball diameter, and measured indentation diameter

Where F (kgf) is the applied force expressed in kilogram-force, D is the ball diameter, and d is the measured indentation diameter. Two diameter measurements were taken for each indent and averaged to determine the value of d used in the hardness calculation.

Load versus time curve showing the 1000 N indentation load used during high temperature Brinell hardness testing of steel

Load vs. time profile for the 1000 N Brinell indentations performed during high temperature hardness testing.

The loading curve shows the applied load profile used during indentation. A consistent 1000 N (~100 kgf) test force was used throughout the temperature series so that the resulting indentation dimensions and calculated hardness values could be compared across each test condition.

Brinell indentation on steel measured at 800°C with diameters of 1.807 mm and 1.830 mm
거리 Unit A B
HDist mm 1.807 1.830

Brinell indentation measured at 800°C. Two diameter measurements of 1.807 mm and 1.830 mm were averaged to determine the indentation diameter used for hardness calculation.

At 800°C, the measured indentation diameters were 1.807 mm and 1.830 mm, producing an average diameter of approximately 1.819 mm. The indentation diameter increased substantially at the higher test temperatures as the steel became softer under the same applied load.

The measured indentation diameters were then used to calculate Brinell hardness at each temperature. The results show a relatively gradual decrease from 96.12 HBW at 25°C to 79.69 HBW at 600°C, followed by a much sharper decrease to 38.18 HBW at 800°C and 15.40 HBW at 925°C.

Brinell Hardness Results

High Temperature Brinell Hardness Results
Temperature (°C) Diameter 1 (mm) Diameter 2 (mm) Average Diameter (mm) HBW (10/100)
25 1.153 1.145 1.149 96.12
200 1.150 1.201 1.176 91.82
400 1.165 1.261 1.213 86.21
600 1.265 1.258 1.262 79.69
800 1.807 1.830 1.819 38.18
925 2.858 2.833 2.846 15.40
Graph showing Brinell hardness of steel decreasing from 96.12 HBW at 25°C to 15.40 HBW at 925°C

The temperature-dependent trend is clear. Steel hardness decreased moderately between room temperature and 600°C, then declined rapidly at higher temperatures. Between 25°C and 925°C, the measured Brinell hardness decreased from 96.12 to 15.40 HBW, representing an overall hardness loss of approximately 84%.

These results demonstrate why hardness measured at room temperature alone may not fully represent material behavior in high-temperature applications. For this steel sample, the most substantial loss in hardness occurred above approximately 600°C.

결론

High temperature hardness testing revealed a strong temperature-dependent change in the Brinell hardness of the steel sample. Hardness decreased gradually as temperature increased from 25°C to 600°C, then declined much more sharply at higher temperatures. By 925°C, the measured hardness had fallen from 96.12 HBW to 15.40 HBW, representing an overall decrease of approximately 84%.

The study demonstrates the ability of the NANOVEA T2000 Tribometer to perform Brinell hardness measurements under elevated-temperature conditions. Using a 1000 N (~100 kgf) test force, the steel sample was evaluated from 25°C to 925°C, allowing its change in hardness to be measured directly across the tested temperature range.

The results also highlight the importance of selecting an appropriate force-diameter ratio across a wide temperature range. Because of the large difference in hardness between room temperature and high temperature, the study recommends a force-diameter ratio of 5 or 10 at lower temperatures, while a ratio of 1 is suitable above 900°C.

Frequently Asked Questions About High Temperature Hardness Testing

What is high temperature hardness testing used for?

High temperature hardness testing evaluates how a material’s resistance to indentation changes as temperature increases. It is useful for materials intended for thermally demanding applications where room-temperature hardness may not represent mechanical behavior at operating temperature.

Can Brinell hardness be measured at elevated temperatures?

Yes. Elevated-temperature Brinell hardness testing applies a controlled force using a ball of known diameter while the specimen is heated to the required test temperature. In this study, steel was tested from 25°C to 925°C using a 10 mm tungsten carbide ball and a 1000 N test force.

Why measure hardness while the material is hot?

Testing at temperature measures hardness under the thermal condition of interest rather than only after the specimen returns to room temperature. This makes it possible to directly characterize temperature-dependent softening and identify changes that may not be represented by room-temperature hardness values.

What equipment is used for high temperature hardness testing?

High temperature hardness testing requires controlled specimen heating, precise mechanical loading and measurement of the resulting indentation. The NANOVEA T2000 can integrate high-temperature environmental control with mechanical testing for evaluating material behavior under elevated-temperature conditions.

Can high temperature hardness testing be used for aerospace materials?

Yes. Elevated-temperature hardness measurements are relevant when evaluating materials intended for thermally demanding aerospace environments, including jet-engine and other high-temperature components. Testing helps characterize how hardness changes as exposure temperature increases.

Can NANOVEA perform high temperature hardness testing as a laboratory service?

NANOVEA provides materials testing services using its mechanical testing and tribology platforms. Application requirements, temperature range, load, specimen geometry and measurement method can be reviewed with a NANOVEA applications engineer to determine an appropriate high-temperature testing approach.

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나노 인덴테이션을 이용한 코르크의 동적 역학 분석

동적 기계 분석

나노 인덴테이션을 사용한 코르크의

작성자

프랭크 리우

소개

동적 기계 분석(DMA)은 재료의 기계적 특성을 조사하는 데 사용되는 강력한 기술입니다. 이 애플리케이션에서는 와인 밀봉 및 숙성 공정에 널리 사용되는 재료인 코르크의 분석에 중점을 둡니다. 떡갈나무의 껍질에서 얻은 코르크는 합성 폴리머와 유사한 기계적 특성을 제공하는 독특한 세포 구조를 나타냅니다. 한 축에서 코르크는 벌집 구조를 가지고 있습니다. 다른 두 축은 직사각형과 같은 여러 개의 프리즘 구조로 되어 있습니다. 따라서 코르크는 테스트하는 방향에 따라 서로 다른 기계적 특성을 제공합니다.

코르크 기계적 물성 평가에서 동적 기계 분석(DMA) 테스트의 중요성

코르크의 품질은 코르크의 기계적 및 물리적 특성에 따라 크게 달라지며, 이는 와인 마개의 효율성에 결정적인 영향을 미칩니다. 코르크 품질을 결정하는 주요 요인으로는 유연성, 단열성, 복원력, 기체 및 액체 불투과성 등이 있습니다. 동적 기계 분석(DMA) 테스트를 활용하면 코르크의 유연성 및 복원력을 정량적으로 평가할 수 있어 신뢰할 수 있는 평가 방법을 제공합니다.

나노베아 PB1000 기계식 테스터는 나노 인덴테이션 모드를 사용하면 이러한 특성, 특히 영탄성률, 저장탄성률, 손실탄성률 및 탄델타(탄(δ))를 분석할 수 있습니다. 또한 DMA 테스트를 통해 코르크 소재의 상변이, 경도, 응력 및 변형률에 대한 귀중한 데이터를 수집할 수 있습니다. 이러한 종합적인 분석을 통해 코르크의 기계적 거동과 와인 마개 용도에 대한 적합성에 대한 심층적인 통찰력을 얻을 수 있습니다.

측정 목표

이 연구에서는 나노인덴테이션 모드에서 나노베아 PB1000 기계식 테스터를 사용하여 4개의 코르크 마개에 대해 동적 기계 분석(DMA)을 수행합니다. 코르크 마개의 품질은 다음과 같이 표시됩니다: 1 - 플로르, 2 - 퍼스트, 3 - 콜메이트, 4 - 합성 고무. 각 코르크 마개에 대해 축 방향과 반경 방향 모두에서 DMA 압흔 테스트를 실시했습니다. 코르크 마개의 기계적 반응을 분석하여 동적 거동에 대한 통찰력을 얻고 다양한 방향에서 성능을 평가하고자 했습니다.

나노비아

PB1000

자세히 알아보기

테스트 매개변수

최대 힘75mN
로딩 속도150mN/min
하역 요금150mN/min
증폭도5mN
주파수1Hz
CREEP60 s

들여쓰기 유형

공

51200 강철

직경 3mm

결과

아래 표와 그래프에서는 각 샘플과 방향에 따른 영탄성계수, 저장탄성계수, 손실탄성계수 및 탄젠트 델타를 비교합니다.

영의 계수: 강성; 값이 높으면 강성, 낮으면 유연성을 나타냅니다.

스토리지 모듈러스: 탄성 반응; 재료에 저장된 에너지.

손실 계수: 점성 반응; 열로 인한 에너지 손실.

황갈색(δ): 댐핑; 값이 클수록 더 많은 댐핑을 나타냅니다.

축 방향

스토퍼영의 계수스토리지 모듈러스손실률TAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
122.567522.272093.6249470.162964
218.5466418.271533.1623490.17409
323.7538123.472673.6178190.154592
423.697223.580642.3470080.099539



방사형 방향

스토퍼영의 계수스토리지 모듈러스손실률TAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
124.7886324.565423.3082240.134865
226.6661426.317394.2862160.163006
344.0786743.614266.3659790.146033
428.0475127.941482.4359780.087173

영의 계수

스토리지 모듈러스

손실률

탠 델타

축 방향으로 테스트했을 때 코르크 마개의 영탄성계수는 크게 다르지 않습니다. 스토퍼 #2와 #3만 반경 방향과 축 방향의 영 탄성률에서 뚜렷한 차이를 보였습니다. 결과적으로 저장 탄성률과 손실 탄성률도 축 방향보다 반경 방향에서 더 높습니다. 스토퍼 #4는 손실 계수를 제외하고는 천연 코르크 마개와 비슷한 특성을 보입니다. 이는 천연 코르크가 합성 고무 소재보다 점성이 더 높다는 것을 의미하기 때문에 매우 흥미로운 결과입니다.

결론

나노베아 기계 테스터 Nano Scratch Tester 모드에서는 페인트 코팅 및 하드 코팅의 다양한 실제 실패를 시뮬레이션할 수 있습니다. 제어되고 면밀히 모니터링되는 방식으로 증가하는 부하를 적용함으로써 계측기는 어떤 부하 오류가 발생하는지 식별할 수 있습니다. 이는 긁힘 방지에 대한 정량적 값을 결정하는 방법으로 사용될 수 있습니다. 풍화 작용 없이 테스트된 코팅은 약 22mN에서 첫 번째 균열이 있는 것으로 알려져 있습니다. 5mN에 가까운 값을 사용하면 7년 랩으로 인해 페인트 품질이 저하된 것이 분명합니다.

원래 프로파일을 보정하면 스크래치 중 보정된 깊이를 얻을 수 있으며 스크래치 후 잔류 깊이도 측정할 수 있습니다. 이를 통해 하중 증가에 따른 코팅의 소성 및 탄성 거동에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 균열과 변형에 대한 정보는 모두 하드코트 개선에 유용하게 사용될 수 있습니다. 또한 표준 편차가 매우 작아 제조업체가 하드 코트/도료의 품질을 개선하고 풍화 효과를 연구하는 데 도움이 될 수 있는 계측기 기술의 재현성을 보여줍니다.

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하이드로겔의 기계적 특성

하이드로겔의 기계적 특성

나노 들여쓰기 사용

하이드로겔의 기계적 특성

작성자

두안지 리, 박사 & 조르쥬 라미레즈

소개

하이드로겔은 수분을 매우 잘 흡수하여 자연 조직과 매우 유사한 유연성을 가진 것으로 알려져 있습니다. 이러한 유사성 덕분에 하이드로겔은 생체 재료뿐만 아니라 전자, 환경, 콘택트렌즈와 같은 소비재 분야에서도 널리 사용되고 있습니다. 각각의 고유한 응용 분야에는 특정한 하이드로젤 기계적 특성이 필요합니다.

하이드로겔을 위한 나노 인덴테이션의 중요성

하이드로젤은 테스트 파라미터 선택 및 시료 준비와 같은 나노인덴테이션에 고유한 문제를 야기합니다. 많은 나노인덴테이션 시스템은 원래 다음과 같은 용도로 설계되지 않았기 때문에 큰 한계가 있습니다. 부드러운 소재에 적합합니다. 일부 나노 압입 시스템은 코일/자석 어셈블리를 사용하여 시료에 힘을 가합니다. 실제 힘 측정이 없기 때문에 연질 테스트 시 부정확하고 비선형적인 하중이 발생합니다. 재료. 접촉 지점을 결정하는 것은 매우 어렵습니다. 깊이는 실제로 측정되는 유일한 매개 변수입니다. 수심에서 경사 변화를 관찰하는 것은 거의 불가능합니다. 깊이 대 시간 플롯 중 인덴터 팁이 하이드로젤 소재에 접근하는 기간입니다.

이러한 시스템의 한계를 극복하기 위해 나노 모듈은 나노비아 기계 테스터 개별 로드 셀로 힘 피드백을 측정하여 부드럽거나 단단한 모든 유형의 재료에 대한 높은 정확도를 보장합니다. 압전 제어 변위는 매우 정확하고 빠릅니다. 이를 통해 코일/자석 어셈블리가 있고 힘 피드백이 없는 시스템이 설명해야 하는 많은 이론적 가정을 제거함으로써 점탄성 특성에 대한 탁월한 측정이 가능합니다.

측정 목표

이 애플리케이션에서는 나노비아 나노 압입 모드의 기계적 시험기는 하이드로겔 시료의 경도, 탄성 계수 및 크리프를 연구하는 데 사용됩니다.

나노비아 PB1000 기계 테스터

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나노 인덴터 및 스크래치 테스터 나노베아 PB1000

테스트 조건

유리 슬라이드 위에 놓인 하이드로겔 샘플을 나노 인덴테이션 기법을 사용하여 테스트했습니다. 나노비아 기계식 테스터. 이 부드러운 소재에는 직경 3mm의 구형 팁이 사용되었습니다. 하중은 로딩 기간 동안 0.06에서 10mN까지 선형적으로 증가했습니다. 그런 다음 70초 동안 최대 하중 10mN에서 압입 깊이의 변화로 크립을 측정했습니다.

접근 속도: 100μm/min

연락처 로드
0.06mN
최대 로드
10mN
로딩 속도

20mN/min

CREEP
70 s
하이드로겔 테스트 인덴테이션

결과 및 토론

시간에 따른 부하 및 깊이의 변화는 다음과 같습니다. 그림 1. 의 음모에서 관찰 할 수 있습니다. 깊이 대 시간로딩 기간이 시작될 때 경사 변화 지점을 결정하는 것은 매우 어려우며, 이는 일반적으로 압자가 부드러운 재료에 닿기 시작하는 지점으로 작동합니다. 그러나 로드 대 시간 은 하중이 가해졌을 때 하이드로겔의 특이한 거동을 보여줍니다. 하이드로젤이 볼 압자와 접촉하기 시작하면 표면 장력으로 인해 하이드로젤이 볼 압자를 잡아당겨 표면적이 감소하는 경향이 있습니다. 이러한 동작으로 인해 로딩 단계 초기에 측정된 하중이 마이너스가 됩니다. 압자가 하이드로젤에 가라앉으면서 하중이 점진적으로 증가하고, 이후 하이드로젤의 크리프 거동을 연구하기 위해 70초 동안 최대 하중 10mN에서 일정하도록 제어합니다.

하이드로겔 특성 분석
하이드로겔의 나노 인덴테이션

그림 1: 시간의 함수에 따른 하중과 깊이의 변화.

의 줄거리는 크립 깊이 대 시간 에 표시되며 그림 2및 하중 대 변위 나노 인덴테이션 테스트의 플롯은 다음과 같습니다. 그림 3. 이 연구에서 사용된 하이드로겔의 경도는 16.9 KPa, 영탄성계수는 160.2 KPa이며, 올리버-파르 방법을 사용하여 하중 변위 곡선을 기반으로 계산한 결과입니다.

크리프는 하이드로젤의 기계적 특성을 연구하는 데 중요한 요소입니다. 피에조와 초감도 로드셀 사이의 폐쇄 루프 피드백 제어는 최대 하중에서 크리프 시간 동안 실제로 일정한 하중을 보장합니다. 에 표시된 바와 같이 그림 2에서 하이드로겔은 3mm 볼 팁에 가해지는 최대 10mN 하중 하에서 70초 동안 크리프의 결과로 최대 42μm까지 가라앉습니다.

하이드로젤의 기계적 테스트

그림 2: 70초 동안 최대 10mN의 부하에서 크리핑.

하이드로겔 내구성 테스트

그림 3: 하이드로젤의 하중 대 변위 플롯입니다.

결론

이 연구에서 우리는 나노비아 기계식 테스터는 나노 압입 모드에서 경도, 영 계수 및 크리프 등 하이드로겔의 기계적 특성을 정밀하고 반복적으로 측정할 수 있습니다. 3mm의 대형 볼 팁은 하이드로겔 표면에 적절히 접촉할 수 있도록 합니다. 고정밀 모터식 샘플 스테이지를 통해 볼 팁 아래 하이드로겔 샘플의 평평한 면을 정확하게 배치할 수 있습니다. 이 연구의 하이드로겔은 16.9 KPa의 경도와 160.2 KPa의 영 계수를 나타냅니다. 크리프 깊이는 70초 동안 10mN 하중에서 ~42μm입니다.

나노비아 기계식 테스터는 단일 플랫폼에서 타의 추종을 불허하는 다기능 나노 및 마이크로 모듈을 제공합니다. 두 모듈 모두 스크래치 테스터, 경도 테스터, 마모 테스터 모드가 포함되어 있어 단일 플랫폼에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 범위를 제공합니다.
시스템.

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세계 최고의 마이크로 기계 테스터

이제 세계 최고의

미세 기계 테스트

작성자

피에르 르루 & 두안지 리, PhD

소개

표준 비커스 마이크로 경도 시험기의 사용 가능한 하중 범위는 10~2000gf(그램포스)입니다. 표준 비커스 매크로 경도 시험기는 1 ~ 50 Kgf의 하중을 견딜 수 있습니다. 이러한 장비는 하중 범위가 매우 제한적일 뿐만 아니라 거친 표면이나 압흔이 너무 작아 육안으로 측정할 수 없는 낮은 하중을 처리할 때 부정확합니다. 이러한 한계는 구형 기술에 내재되어 있으며, 그 결과 더 높은 정확도와 성능을 제공하는 계측식 압입이 표준 선택이 되고 있습니다.

와 나노베아의 세계 최고의 마이크로 기계 테스트 시스템인 비커스 경도는 단일 모듈에서 가장 넓은 하중 범위(0.3그램~2Kg 또는 6그램~40Kg)로 깊이 대 하중 데이터에서 자동으로 계산됩니다. 나노베아 마이크로 모듈은 깊이 대 하중 곡선으로부터 경도를 측정하기 때문에 매우 탄성이 있는 재료를 포함한 모든 유형의 재료를 측정할 수 있습니다. 또한 비커스 경도뿐만 아니라 스크래치 접착 테스트, 마모, 피로 테스트, 항복 강도 및 파괴 인성과 같은 다른 유형의 테스트 외에도 정확한 탄성 계수 및 크리프 데이터를 제공하여 전체 범위의 품질 관리 데이터를 제공할 수 있습니다.

이제 세계 최고의 마이크로 기계 테스트

이 애플리케이션 노트에서는 마이크로 모듈이 어떻게 세계 최고의 계측식 압흔 및 스크래치 테스트를 제공하도록 설계되었는지 설명합니다. 마이크로 모듈의 광범위한 테스트 기능은 많은 응용 분야에 이상적입니다. 예를 들어, 하중 범위를 통해 얇은 하드 코팅의 정확한 경도 및 탄성 계수를 측정할 수 있으며, 훨씬 더 높은 하중을 가하여 동일한 코팅의 접착력을 측정할 수 있습니다.

측정 목표

마이크로 모듈의 용량은 다음과 같이 표시됩니다. 나노비아 CB500 기계 테스터 ~에 의해
0.03~200N의 넓은 하중 범위를 사용하여 뛰어난 정밀도와 신뢰성으로 압입 및 스크래치 테스트를 모두 수행합니다.

나노비아

CB500

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테스트 조건

비커스 압자를 사용하여 표준 강철 샘플에 일련의(3×4, 총 12개의 압자) 마이크로 압입을 수행했습니다. 전체 압입 테스트 주기에 대해 하중과 깊이를 측정하고 기록했습니다. 압입은 다양한 하중에서 정확한 압입 테스트를 수행할 수 있는 마이크로 모듈의 성능을 보여주기 위해 0.03N ~ 200N(0.0031 ~ 20.4kgf) 범위의 다양한 최대 하중으로 수행되었습니다. 0.3gf에서 2kgf까지의 낮은 하중 범위에서 테스트를 위해 10배 더 높은 해상도를 제공하는 20N의 로드셀 옵션도 사용할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

팁 반경이 500 μm 및 20 μm인 원뿔형 구형 다이아몬드 스타일러스를 사용하여 각각 0.01 N에서 200 N으로, 0.01 N에서 0.5 N으로 선형적으로 하중을 증가시킨 마이크로 모듈을 사용하여 두 번의 스크래치 테스트를 수행했습니다.

스물 마이크로 들여쓰기 강철 표준 시료에 대해 4N에서 테스트를 수행하여 기존 비커스 경도 시험기의 성능과 대조되는 마이크로 모듈의 우수한 반복성을 보여주었습니다.

*강철 샘플의 마이크로 인서트

테스트 매개변수

들여쓰기 매핑의

매핑: 3 바이 4 들여쓰기

결과 및 토론

새로운 마이크로 모듈은 Z-모터, 고출력 로드셀, 고정밀 정전용량식 수심 센서의 독특한 조합을 갖추고 있습니다. 독립적인 수심 및 하중 센서를 고유하게 활용하기 때문에 모든 조건에서 높은 정확도를 보장합니다.

기존의 비커스 경도 테스트는 다이아몬드 사각형 기반의 피라미드 압자 팁을 사용하여 사각형 모양의 압자를 생성합니다. 대각선의 평균 길이인 d를 측정하여 비커스 경도를 계산할 수 있습니다.

이에 비해 다음에서 사용하는 계측식 들여쓰기 기술은 나노비아의 마이크로 모듈은 압입 하중 및 변위 측정을 통해 기계적 특성을 직접 측정합니다. 압흔을 육안으로 관찰할 필요가 없습니다. 따라서 압흔의 d 값을 결정할 때 사용자 또는 컴퓨터 이미지 처리 오류가 발생하지 않습니다. 노이즈 레벨이 0.3nm로 매우 낮은 고정밀 커패시터 깊이 센서는 기존 비커스 경도 테스터로 현미경으로 육안으로 측정하기 어렵거나 불가능한 압흔의 깊이를 정확하게 측정할 수 있습니다.

또한 경쟁사에서 사용하는 캔틸레버 기술은 스프링에 의해 캔틸레버 빔에 일반 하중을 가하고, 이 하중은 다시 압자에 가해지는 방식입니다. 이러한 설계는 높은 하중이 가해질 경우 캔틸레버 빔이 충분한 구조적 강성을 제공하지 못해 캔틸레버 빔이 변형되고 압자의 정렬이 잘못될 수 있는 결함이 있습니다. 이에 비해 마이크로 모듈은 로드셀에 작용하는 Z 모터를 통해 일반 하중을 가한 다음 압자를 통해 직접 하중을 가합니다. 모든 요소는 최대 강성을 위해 수직으로 정렬되어 전체 하중 범위에서 반복 가능하고 정확한 압입 및 스크래치 측정을 보장합니다.

새로운 마이크로 모듈 클로즈업 보기

0.03~200n의 들여쓰기

압입 맵의 이미지는 그림 1에 표시되어 있습니다. 10N 이상의 인접한 두 압흔 사이의 거리는 0.5mm이고, 낮은 하중의 압흔은 0.25mm입니다. 샘플 스테이지의 고정밀 위치 제어를 통해 사용자는 기계적 특성 매핑을 위한 목표 위치를 선택할 수 있습니다. 구성 요소의 수직 정렬로 인한 마이크로 모듈의 뛰어난 강성 덕분에 비커스 압자는 최대 200N(400N 옵션)의 하중 하에서 강철 샘플을 관통할 때 완벽한 수직 방향을 유지합니다. 따라서 다양한 하중에서 시료 표면에 대칭적인 정사각형 모양의 인상이 생성됩니다.

그림 2와 같이 현미경으로 다양한 하중에서 개별 압흔을 두 개의 스크래치와 함께 표시하여 넓은 하중 범위에서 압흔 및 스크래치 테스트를 모두 고정밀로 수행할 수 있는 새로운 마이크로 모듈의 성능을 보여 줍니다. 일반 하중 대 스크래치 길이 플롯에서 볼 수 있듯이, 원뿔형 구형 다이아몬드 스타일러스가 강철 샘플 표면에서 미끄러지면서 일반 하중이 선형적으로 증가합니다. 폭과 깊이가 점진적으로 증가하는 부드러운 직선 스크래치 트랙을 생성합니다.

그림 1: 들여쓰기 맵

팁 반경이 500 μm 및 20 μm인 원뿔형 구형 다이아몬드 스타일러스를 사용하여 각각 0.01 N에서 200 N으로, 0.01 N에서 0.5 N으로 선형적으로 하중을 증가시킨 마이크로 모듈을 사용하여 두 번의 스크래치 테스트를 수행했습니다.

강철 표준 시료에 대해 4N에서 20회의 마이크로 인덴테이션 테스트를 수행하여 기존 비커스 경도 시험기의 성능과 대조되는 마이크로 모듈 결과의 우수한 반복성을 보여주었습니다.

A: 현미경으로 들여다본 움푹 들어간 부분 및 스크래치(360배)

B: 현미경으로 들여다본 움푹 들어간 부분 및 스크래치(3000배)

그림 2: 다양한 최대 하중에서의 하중 대 변위 플롯.

다양한 최대 하중에서 압입 중 하중-변위 곡선은 다음과 같습니다. 그림 3. 경도와 탄성 계수는 그림 4에 요약되어 비교되어 있습니다. 강철 샘플은 0.03~200N(가능한 범위 0.003~400N) 범위의 시험 하중에서 일정한 탄성 계수를 나타내며, 평균값은 ~211 GPa입니다. 경도는 100N 이상의 최대 하중에서 측정된 ~6.5 GPa의 비교적 일정한 값을 나타내며, 하중이 2~10N 범위로 감소함에 따라 평균 경도는 ~9 GPa로 측정됩니다.

그림 3: 다양한 최대 하중에서의 하중 대 변위 플롯.

그림 4: 다양한 최대 하중으로 측정한 강철 샘플의 경도 및 영탄성계수.

0.03~200n의 들여쓰기

최대 하중 4N에서 20회의 마이크로 인덴테이션 테스트를 수행했습니다. 하중-변위 곡선은 다음과 같이 표시됩니다. 그림 5 에 표시되며, 그 결과 비커스 경도 및 영 계수가 그림 6.

그림 5: 4N에서 미세 압입 테스트를 위한 하중-변위 곡선.

그림 6: 4N에서 20개의 미세 압흔에 대한 비커스 경도 및 영탄성계수.

하중-변위 곡선은 새로운 마이크로 모듈의 우수한 반복성을 보여줍니다. 강철 표준은 새로운 마이크로 모듈로 측정한 842±11 HV의 비커스 경도를 가지며, 기존의 비커스 경도 시험기로 측정한 817±18 HV와 비교됩니다. 경도 측정의 표준 편차가 작기 때문에 산업 분야와 학계 연구 모두에서 재료의 R&D 및 품질 관리에서 기계적 특성의 신뢰할 수 있고 재현 가능한 특성화를 보장합니다.

또한 압입 중 깊이 측정이 누락되어 기존 비커스 경도 시험기에서는 사용할 수 없는 하중-변위 곡선으로부터 208±5 GPa의 영스 계수를 계산할 수 있습니다. 하중이 감소하고 압입의 크기가 감소함에 따라 나노비아 마이크로 모듈은 육안 검사를 통한 압입 측정이 더 이상 불가능할 때까지 반복성 측면에서 비커스 경도 시험기와 비교하여 장점이 증가합니다.

경도를 계산하기 위해 깊이를 측정하는 것의 장점은 거칠거나 비커스 경도계에서 제공하는 표준 현미경으로 관찰하기 어려운 시료를 다룰 때도 분명해집니다.

결론

이 연구에서는 세계를 선도하는 새로운 나노베아 마이크로 모듈(200N 범위)이 0.03~200N(3gf~20.4kgf)의 넓은 하중 범위에서 어떻게 재현성이 뛰어나고 정밀한 압입 및 스크래치 측정을 수행하는지 보여주었습니다. 옵션으로 제공되는 더 낮은 범위의 마이크로 모듈은 0.003 ~ 20N(0.3gf ~ 2kgf)의 테스트를 제공할 수 있습니다. Z-모터, 고강도 로드셀 및 깊이 센서의 고유한 수직 정렬은 측정 중 구조적 강성을 최대로 보장합니다. 다양한 하중에서 측정된 압흔은 모두 시료 표면에서 대칭적인 정사각형 모양을 갖습니다. 최대 하중 200N의 스크래치 테스트에서는 폭과 깊이가 점진적으로 증가하는 직선 스크래치 트랙이 생성됩니다.

새로운 마이크로 모듈은 PB1000(150 x 200mm) 또는 CB500(100 x 50mm) 기계식 베이스에 z 모터(50mm 범위)로 구성할 수 있습니다. 이 시스템은 강력한 카메라 시스템(위치 정확도 0.2미크론)과 결합하여 업계 최고의 자동화 및 매핑 기능을 제공합니다. 또한 나노베아는 전체 하중 범위에서 한 번의 인덴트를 수행하여 비커스 인덴터를 검증하고 보정할 수 있는 고유한 특허 기능(EP 번호 30761530)을 제공합니다. 반면 표준 비커스 경도 시험기는 한 가지 하중에서만 교정을 제공할 수 있습니다.

또한, 나노베아 소프트웨어를 사용하면 필요한 경우 압입 대각선을 측정하는 전통적인 방법을 통해 비커스 경도를 측정할 수 있습니다(ASTM E92 및 E384용). 이 문서에서 볼 수 있듯이, 나노베아 마이크로 모듈로 수행한 깊이 대 하중 경도 테스트(ASTM E2546 및 ISO 14577)는 기존 경도 시험기에 비해 정확하고 재현성이 뛰어납니다. 특히 현미경으로 관찰/측정할 수 없는 시료의 경우 더욱 그렇습니다.

결론적으로, 광범위한 하중과 테스트, 높은 자동화 및 매핑 옵션을 갖춘 마이크로 모듈 설계의 높은 정확도와 반복성으로 인해 기존의 비커스 경도 시험기는 더 이상 쓸모가 없게 되었습니다. 그러나 현재 여전히 제공되고 있지만 1980년대에 결함이 있는 스크래치 및 마이크로 스크래치 테스터도 마찬가지입니다.

이 기술의 지속적인 개발과 개선으로 나노베아는 마이크로 기계 테스트 분야의 세계적인 리더가 되었습니다.

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나노 인덴테이션을 사용한 다상 재료 NANOVEA

다상 금속 나노 인덴테이션

나노 인덴테이션을 이용한 다상 재료의 야금학 연구

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야금학 연구
다상 재료의

나노 들여쓰기 사용

작성자

DUANJIE LI, 박사 & 알렉시스 셀레스틴

소개

야금학은 금속 원소의 물리적, 화학적 거동과 금속 간 화합물 및 합금을 연구합니다. 주조, 단조, 압연, 압출, 기계 가공과 같은 작업 공정을 거치는 금속은 상, 미세 구조, 질감의 변화를 경험합니다. 이러한 변화로 인해 재료의 경도, 강도, 인성, 연성, 내마모성 등 다양한 물리적 특성이 달라집니다. 금속 조직학은 이러한 특정 위상, 미세 구조 및 텍스처의 형성 메커니즘을 파악하기 위해 종종 적용됩니다.

국부적 기계적 특성의 중요성 재료 설계를 위한 국부적 기계적 특성

첨단 소재는 산업 현장에서 목표 응용 분야에 원하는 기계적 특성을 달성하기 위해 특수한 미세 구조와 텍스처로 여러 단계를 거치는 경우가 많습니다. 나노 인덴테이션 는 작은 규모에서 재료의 기계적 거동을 측정하는 데 널리 적용됩니다. i ii. 그러나 매우 작은 영역에서 압입할 특정 위치를 정확하게 선택하는 것은 어렵고 시간이 많이 소요됩니다. 높은 정밀도와 적시 측정으로 재료의 다양한 상에 대한 기계적 특성을 결정하기 위해서는 신뢰할 수 있고 사용자 친화적인 나노 압입 테스트 절차가 요구되고 있습니다.

측정 목표

이 응용 분야에서는 가장 강력한 기계 시험기인 NANOVEA PB1000을 사용하여 다상 야금 시료의 기계적 특성을 측정합니다.

여기에서는 고급 위치 컨트롤러를 사용하여 큰 시료 표면의 여러 위상(입자)에서 나노 압입 측정을 높은 정밀도와 사용자 편의성으로 수행하는 PB1000의 성능을 소개합니다.

나노비아

PB1000

나노 인덴터 및 스크래치 테스터 나노베아 PB1000
테스트 조건

이 연구에서는 여러 단계의 금속 샘플을 사용했습니다. 샘플은 압입 테스트 전에 거울과 같은 표면 마감으로 연마되었습니다. 샘플에서 아래와 같이 1단계, 2단계, 3단계, 4단계의 네 가지 단계가 확인되었습니다.

고급 스테이지 컨트롤러는 마우스 위치에 따라 광학 현미경에서 샘플 이동 속도를 자동으로 조정하는 직관적인 샘플 탐색 도구입니다. 마우스가 시야 중심에서 멀어질수록 스테이지가 마우스 방향으로 더 빠르게 이동합니다. 이를 통해 전체 샘플 표면을 탐색하고 기계적 테스트를 위해 의도한 위치를 선택할 수 있는 사용자 친화적인 방법을 제공합니다. 테스트 위치의 좌표는 로드, 로딩/언로딩 속도, 맵의 테스트 횟수 등과 같은 개별 테스트 설정과 함께 저장되고 번호가 매겨집니다. 이러한 테스트 절차를 통해 사용자는 넓은 시료 표면에서 압입에 대한 특정 관심 영역을 검사하고 한 번에 여러 위치에서 모든 압입 테스트를 수행할 수 있으므로 여러 단계로 구성된 금속 시료의 기계적 테스트에 이상적인 도구입니다.

이 연구에서 우리는 샘플의 특정 위상을 통합 광학 현미경으로 찾았습니다. 나노비아 번호가 매겨진 기계식 테스터 그림 1. 선택한 위치의 좌표가 저장된 후 아래에 요약된 테스트 조건에서 자동 나노 들여쓰기 테스트가 한 번에 수행됩니다.

그림 1: 샘플 표면에서 나노 압입 위치를 선택합니다.
결과: 다양한 단계의 나노 인덴테이션

샘플의 여러 단계에 있는 홈이 아래에 표시되어 있습니다. 우리는 샘플 스테이지의 뛰어난 위치 제어가 나노비아 기계 테스터 사용자는 기계적 특성 테스트를 위한 대상 위치를 정확하게 찾아낼 수 있습니다.

압흔의 대표적인 하중-변위 곡선은 다음과 같습니다. 그림 2와 올리버 및 파르 방법을 사용하여 계산한 해당 경도 및 영탄성계수입니다.iii 에 요약되어 비교됩니다. 그림 3.


The 1, 2, 3단계 그리고 4 의 평균 경도는 각각 ~5.4, 19.6, 16.2 및 7.2 GPa입니다. 상대적으로 작은 크기는 2단계 는 경도 및 영탄성 계수 값의 표준 편차가 더 높습니다.

그림 2: 하중-변위 곡선
나노 인덴테이션의

그림 3: 다양한 위상의 경도 및 영탄성계수

결론

이 연구에서는 고급 스테이지 컨트롤러를 사용하여 대형 금속 시료의 여러 단계에서 나노 압입 측정을 수행하는 나노베아 기계식 테스터를 선보였습니다. 정밀한 위치 제어를 통해 사용자는 큰 시료 표면을 쉽게 탐색하고 나노 압입 측정을 위해 관심 있는 영역을 직접 선택할 수 있습니다.

모든 압흔의 위치 좌표가 저장된 후 연속적으로 수행됩니다. 이러한 테스트 절차를 통해 본 연구의 다상 금속 샘플과 같이 작은 규모의 국부적인 기계적 특성을 측정하는 데 시간이 훨씬 적게 걸리고 사용자 친화적입니다. 경질 2, 3 및 4 단계는 샘플의 기계적 특성을 개선하여 평균 경도가 각각 ~ 19.6, 16.2 및 7.2 GPa이며, 1 단계의 경우 ~ 5.4 GPa에 비해 높습니다.

기기의 나노, 마이크로 또는 매크로 모듈에는 모두 ISO 및 ASTM 준수 압입, 스크래치 및 마모 테스터 모드가 포함되어 있어 단일 시스템에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 범위를 제공합니다. 나노베아의 탁월한 범위는 경도, 영 계수, 파괴 인성, 접착력, 내마모성 등 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 모든 기계적 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

i Oliver, W. C.; Pharr, G. M., 재료 연구 저널, 19권 1호, Jan 2004, pp.3-20
ii Schuh, C.A., Materials Today, 9권 5호, 2006년 5월, 32-40페이지
iii Oliver, W. C.; Pharr, G. M., 재료 연구 저널, 7권 6호, 1992년 6월, 1564-1583쪽

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폴리머에 대한 동적 기계 분석(DMA) 주파수 스윕

DMA 주파수 스윕

나노 인덴테이션을 사용하여 폴리머에

작성자

Duanjie Li, PhD

소개

동적 기계 분석 주파수 스윕 테스트의 중요성

응력의 빈도 변화는 종종 폴리머의 중요한 기계적 특성인 복합 계수의 변화로 이어집니다. 예를 들어, 타이어는 차량이 도로를 주행할 때 주기적으로 높은 변형을 겪습니다. 자동차가 더 높은 속도로 가속됨에 따라 압력과 변형의 빈도가 변경됩니다. 이러한 변화는 자동차 성능에 중요한 요소인 타이어의 점탄성 특성에 변화를 가져올 수 있습니다. 다양한 주파수에서 폴리머의 점탄성 거동에 대한 신뢰할 수 있고 반복 가능한 테스트가 필요합니다. NANOVEA의 나노모듈 기계 테스터 고정밀 피에조 액츄에이터로 정현파 하중을 생성하고 초민감 로드셀과 커패시터를 사용하여 힘과 변위의 변화를 직접 측정합니다. 쉬운 설정과 높은 정확도가 결합되어 동적 기계 분석(Dynamic Mechanical Analysis) 주파수 스윕에 이상적인 도구입니다.

점탄성 소재는 변형 시 점성과 탄성 특성을 모두 나타냅니다. 폴리머 소재의 긴 분자 사슬은 탄성 고체와 뉴턴 유체의 특성이 결합된 고유한 점탄성 특성에 기여합니다. 응력, 온도, 주파수 및 기타 요인이 모두 점탄성 특성에 영향을 미칩니다. 동적 기계 분석(DMA)은 정현파 응력을 가하고 변형률의 변화를 측정하여 재료의 점탄성 거동과 복합 계수를 연구합니다.

측정 목표

이 응용 분야에서는 가장 강력한 기계적 시험기인 NANOVEA PB1000을 사용하여 다양한 DMA 주파수에서 연마된 타이어 샘플의 점탄성 특성을 연구합니다. 나노 인덴테이션 모드로 전환합니다.

나노비아

PB1000

나노 인덴터 및 스크래치 테스터 나노베아 PB1000

테스트 조건

주파수(Hz):

0.1, 1.5, 10, 20

각 주파수에서 크리프 시간입니다.

50초

진동 전압

0.1 V

부하 전압

1 V

들여쓰기 유형

구형

다이아몬드 | 100 μm

결과 및 토론

최대 하중에서의 동적 기계 분석 주파수 스윕을 사용하면 한 번의 테스트에서 다양한 하중 주파수에서 시료의 점탄성 특성을 빠르고 간단하게 측정할 수 있습니다. 다양한 주파수에서 하중 및 변위파의 위상 변화와 진폭을 사용하여 다음과 같은 다양한 기본 재료 점탄성 특성을 계산할 수 있습니다. 스토리지 모듈러스, 손실 계수 그리고 황갈색(δ) 다음 그래프에 요약되어 있습니다. 

이 연구에서 1, 5, 10, 20Hz의 주파수는 시속 약 7, 33, 67, 134km의 속도에 해당합니다. 테스트 주파수가 0.1Hz에서 20Hz로 증가함에 따라 저장 탄성계수와 손실 탄성계수가 점진적으로 증가하는 것을 관찰할 수 있습니다. 탄성계수(δ)는 주파수가 0.1Hz에서 1Hz로 증가함에 따라 ~0.27에서 0.18로 감소하고, 20Hz의 주파수에 도달하면 ~0.55로 점차 증가합니다. DMA 주파수 스윕을 통해 저장탄성계수, 손실탄성계수 및 탄(δ)의 추세를 측정할 수 있으며, 이를 통해 고분자의 유리전이뿐만 아니라 단량체의 움직임과 가교에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 주파수 스윕 중에 가열판을 사용하여 온도를 높이면 다양한 테스트 조건에서 분자 운동의 특성에 대한 보다 완전한 그림을 얻을 수 있습니다.

부하 및 깊이의 진화

전체 DMA 주파수 스윕의

다양한 주파수에서의 부하 및 깊이와 시간 비교

스토리지 모듈러스

다른 주파수에서

손실률

다른 주파수에서

TAN(δ)

다른 주파수에서

결론

이 연구에서는 타이어 샘플에 대한 동적 기계 분석 주파수 스윕 테스트를 수행하여 나노베아 기계 테스터의 성능을 보여주었습니다. 이 테스트는 다양한 응력 주파수에서 타이어의 점탄성 특성을 측정합니다. 타이어는 하중 주파수가 0.1Hz에서 20Hz로 증가함에 따라 저장 및 손실 계수가 증가하는 것으로 나타났습니다. 이 테스트는 다양한 속도로 주행하는 타이어의 점탄성 거동에 대한 유용한 정보를 제공하며, 이는 더 부드럽고 안전한 주행을 위해 타이어의 성능을 개선하는 데 필수적입니다. DMA 주파수 스윕 테스트는 다양한 온도에서 수행하여 다양한 날씨에서 타이어의 실제 작업 환경을 모방할 수 있습니다.

나노베아 메카니컬 테스터의 나노 모듈에서 고속 피에조를 사용한 하중 적용은 별도의 고감도 스트레인 게이지로 수행되는 하중 측정과 독립적입니다. 이는 센서에서 수집한 데이터에서 깊이와 하중 사이의 위상을 직접 측정하기 때문에 동적 기계 분석 시 뚜렷한 이점을 제공합니다. 위상 계산은 직접적으로 이루어지며 결과 손실 및 저장 탄성률에 부정확성을 더하는 수학적 모델링이 필요하지 않습니다. 코일 기반 시스템에서는 그렇지 않습니다.

결론적으로 DMA는 접촉 깊이, 시간 및 주파수의 함수로서 손실 및 저장 계수, 복합 계수 및 탄(δ)을 측정합니다. 가열 단계(옵션)를 통해 DMA 중 재료 상전이 온도를 측정할 수 있습니다. 나노베아 기계식 테스터는 단일 플랫폼에서 타의 추종을 불허하는 다기능 나노 및 마이크로 모듈을 제공합니다. 나노 및 마이크로 모듈 모두 스크래치 테스터, 경도 테스터 및 마모 테스터 모드가 포함되어 있어 단일 모듈에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 범위를 제공합니다.

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미세 입자: 압축 강도 및 마이크로 압입

미세 입자

압축 강도 및 마이크로 인덴트
염분 테스트

작성자:
호르헤 라미레즈

개정자:
조슬린 에스파르자

소개

압축 강도는 오늘날 새로운 미세 입자와 기존 미세 입자 및 미세 피처(기둥 및 구)를 개발하고 개선하는 데 있어 품질 관리 측정의 핵심이 되었습니다. 미세 입자는 다양한 모양과 크기를 가지며 세라믹, 유리, 폴리머 및 금속으로 개발할 수 있습니다. 약물 전달, 음식 풍미 향상, 콘크리트 배합 등 다양한 용도로 사용됩니다. 미세 입자 또는 미세 피처의 기계적 특성을 제어하는 것은 성공에 매우 중요하며, 이를 위해서는 기계적 무결성을 정량적으로 특성화할 수 있는 능력이 필요합니다.  

깊이 대 하중 압축 강도의 중요성

표준 압축 측정 기기는 낮은 하중을 견디지 못하고 적절한 성능을 제공하지 못합니다. 미세 입자에 대한 깊이 데이터. 나노 또는 마이크로 들여쓰기를 사용하면 나노 또는 마이크로 입자(연질 또는 경질)의 압축 강도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있습니다.  

측정 목표

이 애플리케이션 노트에서는 다음을 측정합니다.  소금의 압축 강도는 의 나노베아 기계식 테스터 마이크로 들여쓰기 모드에서.

나노비아

CB500

테스트 조건

최대 힘

30 N

로딩 속도

60 N/min

언로드 속도

60 N/min

들여쓰기 유형

플랫 펀치

스틸 | 직경 1mm

하중 대 깊이 곡선

결과 및 토론

파티클 1과 파티클 2의 높이, 파괴력 및 강도

입자 파손은 힘 대 깊이 곡선의 초기 기울기가 눈에 띄게 감소하기 시작하는 지점으로 결정되었으며, 이 동작은 재료가 항복점에 도달하여 더 이상 가해지는 압축력에 저항할 수 없음을 나타냅니다. 항복점을 초과하면 하중 기간 동안 압입 깊이가 기하급수적으로 증가하기 시작합니다. 이러한 동작은 다음에서 볼 수 있습니다. 하중 대 깊이 커브 를 입력합니다.

결론

결론적으로, 지금까지 나노비아 기계 테스터 는 미세 압입 모드에서 미세 입자의 압축 강도 테스트를 위한 훌륭한 도구입니다. 테스트된 입자는 동일한 재료로 만들어졌지만, 이 연구에서 측정된 다른 파괴 지점은 입자에 존재하는 미세 균열과 다양한 입자 크기 때문인 것으로 의심됩니다. 취성 재료의 경우 음향 방출 센서를 사용하여 테스트 중 균열 전파의 시작을 측정할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.


The 나노비아 기계 테스터 는 나노미터 이하의 깊이 변위 해상도를 제공합니다,
매우 깨지기 쉬운 미세 입자나 특징을 연구하는 데도 훌륭한 도구입니다. 부드럽고 깨지기 쉬운
소재의 경우, 나노 압입 모듈을 사용하면 0.1mN까지 하중이 가능합니다.

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세라믹: 입자 감지를 위한 나노 인덴테이션 고속 매핑



소개

 

나노 인덴테이션 소규모 재료의 기계적 거동을 측정하기 위해 널리 적용되는 기술이 되었습니다.i ii. 나노압입 측정의 고해상도 하중-변위 곡선은 경도, 영률, 크리핑, 파괴 인성 등 다양한 물리기계적 특성을 제공할 수 있습니다.

 

 

빠른 매핑 들여쓰기의 중요성

 

나노압입 기술의 대중화를 위한 한 가지 중요한 병목 현상은 시간 소모입니다. 기존의 나노압입 절차에 의한 기계적 특성 매핑은 몇 시간이 걸리기 때문에 반도체, 항공우주, MEMS, 세라믹 타일과 같은 소비자 제품 등 대량 생산 산업에 기술을 적용하는 데 방해가 됩니다.

빠른 매핑은 세라믹 타일 제조 산업에서 필수적인 것으로 입증될 수 있으며, 단일 세라믹 타일에 대한 경도 및 영률 매핑은 표면이 얼마나 균일한지를 나타내는 데이터 분포를 나타낼 수 있습니다. 타일의 더 부드러운 영역은 이 매핑에서 윤곽을 잡을 수 있으며 누군가의 거주지에서 매일 발생하는 물리적 영향으로 인해 고장이 발생할 가능성이 더 높은 위치를 표시할 수 있습니다. 비교 연구를 위해 다양한 유형의 타일에 매핑을 수행하고 품질 관리 프로세스에서 타일 일관성을 측정하기 위해 유사한 타일 배치에 매핑을 수행할 수 있습니다. 빠른 매핑 방법을 사용하면 측정 설정의 조합이 광범위할 뿐만 아니라 정확하고 효율적일 수 있습니다.

 

측정 목표

 

이 연구에서는 나노베아 기계 테스터, FastMap 모드에서는 바닥 타일의 기계적 특성을 고속으로 매핑하는 데 사용됩니다. 우리는 높은 정밀도와 재현성으로 두 가지 빠른 나노압입 매핑을 수행하는 Nanovea Mechanical Tester의 능력을 소개합니다.

 

테스트 조건

 

Nanovea Mechanical Tester는 Berkovich 인덴터를 사용하여 바닥 타일에서 FastMap 모드로 일련의 나노압입을 수행하는 데 사용되었습니다. 생성된 두 개의 들여쓰기 행렬에 대한 테스트 매개변수가 아래에 요약되어 있습니다.

 

표 1: 테스트 매개변수 요약.

 

결과 및 토론 

 

그림 1: 625 들여쓰기 경도 매핑의 2D 및 3D 보기.

 

 

 

그림 2: 입자를 보여주는 625-인덴트 매트릭스의 현미경 사진.

 

 

625-인덴트 매트릭스가 0.20mm에서 수행되었습니다.2 눈에 보이는 큰 입자가 있는 영역. 이 입자(그림 2)는 타일 전체 표면보다 평균 경도가 낮았습니다. Nanovea Mechanical 소프트웨어를 사용하면 사용자는 그림 1에 설명된 경도 분포 맵을 2D 및 3D 모드로 볼 수 있습니다. 샘플 단계의 고정밀 위치 제어를 사용하면 소프트웨어를 통해 사용자가 이와 같은 영역을 심층적으로 타겟팅할 수 있습니다. 기계적 특성 매핑.

그림 3: 1600 들여쓰기 경도 매핑의 2D 및 3D 보기.

 

 

그림 4: 1600 들여쓰기 매트릭스의 현미경 사진.

 

 

표면의 균질성을 측정하기 위해 동일한 타일에 1600개 들여쓰기 매트릭스도 생성되었습니다. 여기서도 사용자는 3D 또는 2D 모드(그림 3)의 경도 분포와 압입된 표면의 현미경 이미지를 볼 수 있습니다. 제시된 경도 분포를 바탕으로 높은 경도와 낮은 경도 데이터 지점이 고르게 분산되어 있기 때문에 재료가 다공성이라는 결론을 내릴 수 있습니다.

기존의 나노압입 절차에 비해 본 연구의 FastMap 모드는 시간 소모가 훨씬 적고 비용 효율적입니다. 경도, 영률 등 기계적 특성을 신속하게 정량적으로 매핑할 수 있으며, 대량 생산 시 다양한 재료의 품질 관리에 중요한 입자 감지 및 재료 일관성을 위한 솔루션을 제공합니다.

 

 

결론

 

본 연구에서는 FastMap 모드를 사용하여 빠르고 정확한 나노압입 매핑을 수행하는 Nanovea Mechanical Tester의 성능을 보여주었습니다. 세라믹 타일의 기계적 특성 맵은 스테이지의 위치 제어(0.2μm 정확도)와 힘 모듈 감도를 활용하여 표면 입자를 감지하고 표면의 균질성을 고속으로 측정합니다.

본 연구에 사용된 테스트 매개변수는 매트릭스의 크기와 샘플 재료를 기반으로 결정되었습니다. 다양한 테스트 매개변수를 선택하여 총 들여쓰기 주기 시간을 들여쓰기당 3초(또는 들여쓰기 10개당 30초)로 최적화할 수 있습니다.

Nanovea Mechanical Tester의 나노 및 마이크로 모듈에는 모두 ISO 및 ASTM 준수 압입, 스크래치 및 마모 테스터 모드가 포함되어 있어 단일 시스템에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 범위를 제공합니다. Nanovea의 탁월한 제품군은 경도, 영률, 파괴 인성, 접착력, 내마모성 등을 포함하여 얇거나 두꺼운 코팅, 부드럽거나 단단한 코팅, 필름 및 기판의 기계적 특성 전체 범위를 결정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

또한 옵션인 3D 비접촉 프로파일러와 AFM 모듈을 사용하면 거칠기와 같은 기타 표면 측정 외에도 압흔, 스크래치 및 마모 트랙의 고해상도 3D 이미징을 수행할 수 있습니다.

 

저자: Duanjie Li, PhD 수정: Pierre Leroux 및 Jocelyn Esparza

마이크로 인덴테이션으로 채굴 절차 개선

마이크로 인덴테이션 연구 및 품질 관리

암석 역학은 암석 덩어리의 기계적 거동을 연구하는 학문으로 광업, 시추, 저수지 생산 및 토목 건설 산업에 적용됩니다. 기계적 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 고급 계측기를 사용하면 이러한 산업에서 부품 및 절차를 개선할 수 있습니다. 성공적인 품질 관리 절차는 마이크로 스케일에서 암석 역학을 이해함으로써 보장됩니다.

마이크로 들여쓰기 는 암반 역학 관련 연구에 사용되는 중요한 도구입니다. 이러한 기술은 암석의 특성을 더 깊이 이해함으로써 굴착 기술을 발전시킵니다. 마이크로인덴테이션은 채굴 절차를 개선하는 드릴 헤드를 개선하는 데 사용됩니다. 마이크로인덴테이션은 광물에서 분필 및 분말 형성을 연구하는 데 사용되었습니다. 마이크로인덴테이션 연구에는 경도, 영 계수, 크리프, 응력-변형률, 파단 인성 및 압축을 단일 장비로 측정할 수 있습니다.
 
 

측정 목표

이 응용 프로그램에서는 Nanovea 기계식 테스터 광물 암석 샘플의 비커스 경도(Hv), 영률 및 파괴 인성을 측정합니다. 암석은 표준 화강암 복합물을 형성하는 흑운모, 장석 및 석영으로 구성됩니다. 각각은 별도로 테스트됩니다.

 

결과 및 토론

이 섹션에는 여러 샘플의 주요 수치 결과를 비교하는 요약 표와 각 압입을 포함한 전체 결과 목록이 압입의 현미경 사진(가능한 경우)과 함께 제공됩니다. 이러한 전체 결과에는 경도 및 영 계수의 측정값이 평균 및 표준 편차와 함께 침투 깊이(Δd)로 표시됩니다. 표면 거칠기가 압흔과 동일한 크기 범위에 있는 경우 결과에 큰 변동이 발생할 수 있다는 점을 고려해야 합니다.


경도 및 파단 인성에 대한 주요 수치 결과 요약표

 

결론

나노베아 기계식 테스터는 광물 암석의 단단한 표면에서 재현성과 정밀한 압입 결과를 보여줍니다. 화강암을 구성하는 각 재료의 경도와 영 계수는 깊이 대 하중 곡선에서 직접 측정했습니다. 표면이 거칠기 때문에 미세 균열을 일으킬 수 있는 높은 하중에서 테스트해야 했습니다. 미세 균열은 측정에서 나타난 일부 변화를 설명할 수 있습니다. 샘플 표면이 거칠기 때문에 표준 현미경 관찰을 통해 균열을 감지할 수 없었습니다. 따라서 균열 길이를 측정해야 하는 전통적인 균열 인성 수치를 계산할 수 없습니다. 대신, 하중을 증가시키면서 깊이 대 하중 곡선의 전위를 통해 균열의 시작을 감지하는 시스템을 사용했습니다.

파단 임계 하중은 고장이 발생한 하중에서 보고되었습니다. 단순히 균열 길이를 측정하는 기존의 파괴 인성 테스트와 달리 임계 파괴가 시작되는 하중을 얻을 수 있습니다. 또한 제어되고 면밀히 모니터링되는 환경을 통해 경도를 측정하여 다양한 샘플을 비교하기 위한 정량적 값으로 사용할 수 있습니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

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