나노 인덴테이션을 이용한 폴리머의 크리프 변형
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점탄성 소재인 폴리머는 특정 하중이 가해지면 시간에 따라 변형이 일어나는데, 이를 크리프라고 합니다. 크리프는 구조 부품, 조인 및 피팅, 정수압 용기 등 폴리머 부품이 지속적인 응력에 노출되도록 설계된 경우 중요한 요소가 됩니다.
점탄성의 고유한 특성은 폴리머 성능에 중요한 역할을 하며 서비스 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 하중 및 온도와 같은 환경 조건은 폴리머의 크리프 거동에 영향을 미칩니다. 특정 사용 조건에서 사용되는 폴리머 재료의 시간에 따른 크리프 동작에 대한 주의력 부족으로 인해 크리프 오류가 자주 발생합니다. 결과적으로, 폴리머의 점탄성 기계적 거동에 대한 신뢰할 수 있고 정량적인 테스트를 개발하는 것이 중요합니다. NANOVEA의 나노모듈 기계 테스터 고정밀 피에조로 하중을 가하고 현장에서 힘과 변위의 변화를 직접 측정합니다. 정확성과 반복성이 결합되어 크리프 측정에 이상적인 도구입니다.
측정 목표
이 애플리케이션에서는 다음을 보여주었습니다.
나노베아 PB1000 기계식 테스터
~에 나노 인덴테이션 모드는 이상적인 도구입니다
점탄성 기계적 특성 연구용
경도, 영탄성률 포함
및 고분자 재료의 크리프.
나노베아
PB1000
8가지 폴리머 샘플을 나노베아 PB1000 기계식 테스터를 사용하여 나노 인덴테이션 기법으로 테스트했습니다. 하중이 0에서 40mN까지 선형적으로 증가함에 따라 하중 단계 동안 깊이가 점진적으로 증가했습니다. 그런 다음 30초 동안 최대 하중 40mN에서 압입 깊이의 변화로 크리프를 측정했습니다.
들여쓰기 유형
Berkovich
다이아몬드
*나노 인덴테이션 테스트 설정
다양한 폴리머 샘플에 대한 나노 압입 테스트의 하중 대 변위 플롯은 그림 1에 표시되어 있고 크리프 곡선은 그림 2에 비교되어 있습니다. 경도 및 영 계수는 그림 3에 요약되어 있으며, 크리프 깊이는 그림 4에 나와 있습니다. 그림 1의 예로, 나노 압입 측정을 위한 하중-변위 곡선의 AB, BC 및 CD 부분은 각각 로딩, 크리프 및 언로딩 과정을 나타냅니다.
델린과 PVC는 각각 0.23 및 0.22 GPa로 가장 높은 경도를 보였으며, LDPE는 테스트 폴리머 중 0.026 GPa로 가장 낮은 경도를 나타냈습니다. 일반적으로 경도가 높은 폴리머일수록 크리프율이 낮습니다. 가장 부드러운 LDPE의 크리프 깊이는 798nm로 가장 높았으며, Delrin의 크리프 깊이는 ~120nm였습니다.
폴리머의 크리프 특성은 구조 부품에 사용될 때 매우 중요합니다. 폴리머의 경도와 크리프를 정밀하게 측정하면 폴리머의 시간 의존적 신뢰성을 더 잘 이해할 수 있습니다. 주어진 하중에서 변위 변화인 크리프도 NANOVEA PB1000 기계식 테스터를 사용하여 다양한 고온 및 습도에서 측정할 수 있으므로 폴리머의 점탄성 기계적 거동을 정량적이고 안정적으로 측정할 수 있는 이상적인 도구입니다.
시뮬레이션된 실제 애플리케이션 환경에서
그림 1: 하중 대 변위 플롯
다른 폴리머로 구성됩니다.
그림 2: 30초 동안 최대 40mN의 부하에서 크리핑.
그림 3: 폴리머의 경도 및 영탄성계수.
그림 4: 폴리머의 크립 깊이입니다.
이 연구에서는 나노베아 PB1000이
기계적 시험기는 경도, 영 계수 및 크리프를 포함한 다양한 폴리머의 기계적 특성을 측정합니다. 이러한 기계적 특성은 용도에 적합한 폴리머 소재를 선택하는 데 필수적입니다. Derlin과 PVC는 각각 0.23 및 0.22 GPa로 가장 높은 경도를 나타내며, LDPE는 테스트된 폴리머 중 0.026 GPa로 가장 낮은 경도를 나타냅니다. 일반적으로 경도가 높은 폴리머일수록 크리프율이 낮습니다. 가장 부드러운 LDPE는 798nm의 가장 높은 크리프 깊이를 보였으며, Derlin의 경우 ~120nm였습니다.
나노베아 기계식 테스터는 단일 플랫폼에서 탁월한 다기능 나노 및 마이크로 모듈을 제공합니다. 나노 및 마이크로 모듈에는 스크래치 테스터, 경도 테스터 및 마모 테스터 모드가 포함되어 있어 단일 시스템에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 범위를 제공합니다.
나노 인덴테이션을 이용한 다상 재료의 야금학 연구
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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.
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.
나노베아
PB1000
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. 나노베아 번호가 매겨진 기계식 테스터 그림 1. 선택한 위치의 좌표가 저장된 후 아래에 요약된 테스트 조건에서 자동 나노 들여쓰기 테스트가 한 번에 수행됩니다.
샘플의 여러 단계에 있는 홈이 아래에 표시되어 있습니다. 우리는 샘플 스테이지의 뛰어난 위치 제어가 나노베아 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 3: 다양한 위상의 경도 및 영탄성계수
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
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.
나노베아
PB1000
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.
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.
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.
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.
나노베아
CB500
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.
결론적으로, 지금까지 나노베아 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 나노베아 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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
기존의 기계적 테스트(경도, 접착력, 압축, 천공, 항복 강도 등)는 조직에서 부서지기 쉬운 재료에 이르기까지 다양한 첨단 재료가 사용되는 오늘날의 품질 관리 환경에서 더 높은 정밀도와 신뢰성을 요구합니다. 기존의 기계식 계측기는 첨단 소재에 필요한 민감한 부하 제어와 분해능을 제공하지 못합니다. 생체 재료와 관련된 과제는 매우 부드러운 재료에 대한 정확한 부하 제어가 가능한 기계적 테스트를 개발해야 합니다. 이러한 재료는 적절한 특성 측정을 보장하기 위해 깊이 범위가 넓고 매우 낮은 mN 미만의 테스트 하중이 필요합니다. 또한 단일 시스템에서 다양한 기계적 테스트 유형을 수행할 수 있어 기능이 향상됩니다. 이를 통해 긁힘 저항 및 항복 강도 실패 지점 외에도 경도, 탄성 계수, 손실 및 저장 계수, 크리프 등 생체 재료에 대한 다양한 중요한 측정값을 제공합니다.
측정 목표
이 응용 분야에서는 나노 인덴테이션 모드의 나노베아 기계식 테스터를 사용하여 프로슈토의 지방, 연육 및 암육 영역에 대한 생체 재료 대체물의 세 가지 개별 영역의 경도 및 탄성 계수를 연구합니다.
나노인덴테이션은 계측 압입 표준인 ASTM E2546 및 ISO 14577을 기반으로 합니다. 이 방법은 알려진 형상의 압입 팁을 제어된 증가 정상 하중으로 테스트 재료의 특정 부위에 밀어 넣는 확립된 방법을 사용합니다. 사전 설정된 최대 깊이에 도달하면 완전한 이완이 발생할 때까지 정상 하중이 감소합니다. 피에조 액추에이터에 의해 하중이 가해지며 고감도 로드셀로 제어 루프에서 측정됩니다. 실험 중에 시료 표면에 대한 압자 위치는 고정밀 정전 용량 센서로 모니터링됩니다. 결과 하중 및 변위 곡선은 테스트 재료의 기계적 특성과 관련된 데이터를 제공합니다. 확립된 모델은 측정된 데이터로 정량적 경도 및 탄성률 값을 계산합니다. 나노인덴테이션은 나노미터 규모의 저하중 및 침투 깊이 측정에 적합합니다.
결과 및 토론
아래 표에는 경도 및 영 계수의 측정값과 평균 및 표준편차가 나와 있습니다. 표면 거칠기가 높으면 압흔 크기가 작아 결과에 큰 변동이 발생할 수 있습니다.
지방 부위의 경도는 고기 부위의 절반 정도였습니다. 육류 처리로 인해 어두운 고기 부위가 밝은 고기 부위보다 더 단단해졌습니다. 탄성 계수와 경도는 지방과 고기 부위의 씹는 질감과 직접적인 관련이 있습니다. 지방과 연한 고기 부위는 60초 후에도 어두운 고기보다 더 높은 비율로 크리프가 지속됩니다.
상세 결과 - 지방
상세 결과 - 라이트 미트
상세 결과 - 다크 미트
결론
이 애플리케이션에서 Nanovea의 기계식 테스터 나노인덴테이션 모드에서는 높은 샘플 표면 거칠기를 극복하면서 지방과 고기 영역의 기계적 특성을 안정적으로 결정했습니다. 이는 Nanovea 기계 테스터의 광범위하고 비교할 수 없는 기능을 입증했습니다. 이 시스템은 매우 단단한 재료와 부드러운 생물학적 조직에 대한 정밀한 기계적 특성 측정을 동시에 제공합니다.
피에조 테이블을 사용한 폐쇄 루프 제어 방식의 로드셀은 1~5kPa의 경질 또는 연질 젤 재료를 정밀하게 측정할 수 있습니다. 동일한 시스템을 사용하여 최대 400N의 높은 하중에서 생체 재료를 테스트할 수 있습니다. 피로 테스트에는 다중 사이클 하중을 사용할 수 있으며 평평한 원통형 다이아몬드 팁을 사용하여 각 영역의 항복 강도 정보를 얻을 수 있습니다. 또한 동적 기계 분석(DMA)을 통해 폐쇄 루프 하중 제어를 사용하여 점탄성 특성 손실 및 저장 모듈을 높은 정확도로 평가할 수 있습니다. 다양한 온도와 액체 상태에서의 테스트도 동일한 시스템에서 가능합니다.
나노베아의 기계식 테스터는 생물학적 및 연질 폴리머/젤 응용 분야를 위한 우수한 도구로 계속 사용되고 있습니다.
구리선의 마모 및 스크래치 평가의 중요성
구리는 전자석과 전신이 발명된 이래 전기 배선에 사용된 오랜 역사를 가지고 있습니다. 구리선은 내식성, 납땜성, 최대 150°C의 고온에서의 성능 덕분에 패널, 계량기, 컴퓨터, 업무용 기계 및 가전제품과 같은 다양한 전자 장비에 적용됩니다. 채굴된 구리의 약 절반이 전선 및 케이블 도체 제조에 사용됩니다.
구리선 표면 품질은 애플리케이션 서비스 성능과 수명에 매우 중요합니다. 전선의 미세한 결함은 과도한 마모, 균열 시작 및 전파, 전도도 감소, 납땜성 부적합으로 이어질 수 있습니다. 구리선의 적절한 표면 처리는 와이어 드로잉 중에 발생하는 표면 결함을 제거하여 부식, 스크래치 및 내마모성을 개선합니다. 구리선을 사용하는 많은 항공우주 애플리케이션은 예기치 않은 장비 고장을 방지하기 위해 제어된 동작이 필요합니다. 구리선 표면의 내마모성과 내스크래치성을 적절히 평가하기 위해서는 정량화되고 신뢰할 수 있는 측정이 필요합니다.
측정 목표
이 애플리케이션에서는 다양한 구리선 표면 처리의 제어된 마모 프로세스를 시뮬레이션합니다. 스크래치 테스트 처리된 표면층에 파손을 일으키는 데 필요한 하중을 측정합니다. 이번 연구에서는 Nanovea를 소개합니다. 트라이보미터 그리고 기계 테스터 전선의 평가 및 품질 관리를 위한 이상적인 도구입니다.
테스트 절차 및 방법
구리 와이어(와이어 A 및 와이어 B)에 대한 두 가지 다른 표면 처리의 마찰 계수(COF)와 내마모성은 선형 왕복 마모 모듈을 사용하는 Nanovea 마찰계로 평가되었습니다. Al2O₃ 볼(직경 6mm)이 이 응용 분야에 사용되는 카운터 재료입니다. 마모 트랙은 Nanovea를 사용하여 검사되었습니다. 3D 비접촉 프로파일로미터. 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.
이 연구에서는 카운터 재료로 매끄러운 Al₂O₃ 볼을 예로 사용했습니다. 실제 적용 상황을 시뮬레이션하기 위해 맞춤형 픽스처를 사용하여 모양과 표면 마감이 다른 모든 고체 소재를 적용할 수 있습니다.
결과 및 토론
구리선의 마모:
그림 2는 마모 테스트 중 구리선의 COF 변화를 보여줍니다. 와이어 A는 마모 테스트 내내 ~0.4의 안정적인 COF를 보이는 반면, 와이어 B는 처음 100회전 동안 ~0.35의 COF를 보이다가 점차 ~0.4까지 증가합니다.
그림 3은 테스트 후 구리선의 마모 트랙을 비교한 것입니다. 나노비아의 3D 비접촉식 프로파일로미터는 마모 트랙의 세부적인 형태에 대한 탁월한 분석을 제공했습니다. 마모 메커니즘에 대한 근본적인 이해를 제공함으로써 마모 트랙의 양을 직접적이고 정확하게 측정할 수 있습니다. 와이어 B의 표면은 600회 회전 마모 테스트 후 상당한 마모 트랙 손상을 입었습니다. 프로파일로미터 3D 뷰는 와이어 B의 표면 처리층이 완전히 제거되어 마모 과정이 상당히 빨라진 것을 보여줍니다. 이로 인해 구리 기판이 노출된 와이어 B에 평평한 마모 트랙이 남았습니다. 이로 인해 B 와이어가 사용되는 전기 장비의 수명이 크게 단축될 수 있습니다. 이에 비해 전선 A는 표면에 얕은 마모 트랙이 나타나 비교적 가벼운 마모를 보였습니다. 전선 A의 표면 처리된 층은 동일한 조건에서 전선 B의 층처럼 제거되지 않았습니다.
구리선 표면의 스크래치 방지:
그림 4는 테스트 후 전선의 스크래치 트랙을 보여줍니다. 전선 A의 보호층은 매우 우수한 스크래치 저항성을 보여줍니다. 이 전선은 ~12.6N의 하중에서 박리된 반면, B 전선의 보호층은 ~1.0N의 하중에서 박리되었습니다. 이러한 전선의 스크래치 저항성에 대한 상당한 차이는 전선 A의 내마모성이 상당히 향상된 마모 성능에 영향을 미칩니다. 그림 5에 표시된 스크래치 테스트 중 정상 힘, COF 및 깊이의 변화는 테스트 중 코팅 실패에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다.
결론
이 대조 연구에서는 표면 처리된 구리선의 내마모성을 정량적으로 평가하는 나노베아의 트라이보미터와 구리선의 스크래치 저항성을 신뢰성 있게 평가하는 나노베아의 기계식 테스터를 선보였습니다. 와이어 표면 처리는 와이어의 수명 동안 트라이보-기계적 특성에 중요한 역할을 합니다. 와이어 A의 적절한 표면 처리는 거친 환경에서 전선의 성능과 수명에 중요한 마모 및 긁힘 저항성을 크게 향상시킵니다.
나노베아의 트라이보미터는 ISO 및 ASTM을 준수하는 회전 및 선형 모드를 사용하여 정밀하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 하나의 사전 통합된 시스템에서 고온 마모, 윤활 및 트리보 부식 모듈을 옵션으로 사용할 수 있습니다. 나노비아의 독보적인 제품군은 얇거나 두꺼운, 연질 또는 경질 코팅, 필름 및 기판의 모든 마찰 특성을 측정하는 데 이상적인 솔루션입니다.
전통적으로 항복강도 및 극한 인장 강도는 시험편을 떼어내는 데 엄청난 힘이 필요한 대형 인장 시험기를 사용하여 테스트했습니다. 각 샘플을 한 번만 테스트할 수 있는 재료에 대해 많은 테스트 쿠폰을 적절하게 가공하려면 많은 비용과 시간이 소요됩니다. 시료의 작은 결함은 테스트 결과에 눈에 띄는 차이를 만듭니다. 시중에 나와 있는 인장 시험기의 구성과 정렬이 다르면 테스트 메커니즘과 결과에 상당한 차이가 발생하는 경우가 많습니다.
측정 목표
이 애플리케이션에서 나노베아 기계 테스터 스테인레스 스틸 SS304 및 알루미늄 Al6061 금속 합금 샘플의 항복 강도 및 최대 인장 강도를 측정합니다. 샘플은 Nanovea 압입 방법의 신뢰성을 보여주는 일반적으로 인정되는 항복 강도 및 최대 인장 강도 값에 따라 선택되었습니다.
테스트 절차 및 방법
항복 강도 및 극한 인장 강도 테스트는 나노베아 기계 시험기에서 수행되었습니다. 마이크로 들여쓰기 모드로 전환합니다. 이 응용 분야에는 직경 200μm의 원통형 평면 다이아몬드 팁이 사용되었습니다. 압입 방법의 큰 잠재력과 신뢰성을 보여주기 위해 광범위한 산업 응용 분야와 일반적으로 인정되는 항복 강도 및 최대 인장 강도 값을 위해 SS304 및 Al6061 합금을 선택했습니다. 샘플은 시험 전에 표면 거칠기나 결함이 시험 결과에 미치는 영향을 피하기 위해 기계적으로 거울과 같은 마감으로 연마되었습니다. 테스트 조건은 표 1에 나와 있습니다. 테스트 값의 반복성을 보장하기 위해 각 샘플에 대해 10회 이상의 테스트를 수행했습니다.
결과 및 토론
SS304 및 Al6061 합금 샘플의 하중-변위 곡선은 그림 3에 표시되어 있으며 테스트 샘플에 평평한 압자 자국이 삽입되어 있습니다. 나노비아가 개발한 특수 알고리즘을 사용하여 "S"자형 하중 곡선을 분석하면 항복 강도 및 궁극 인장 강도가 계산됩니다. 값은 표 1에 요약된 대로 소프트웨어에 의해 자동으로 계산됩니다. 기존 인장 시험으로 얻은 항복 강도 및 극한 인장 강도 값이 비교를 위해 나열되어 있습니다.
결론
본 연구에서는 스테인리스강 및 알루미늄 합금 시트 샘플의 항복 강도 및 최대 인장 강도를 평가하는 데 있어서 Nanovea Mechanical Tester의 능력을 보여주었습니다. 간단한 실험 설정으로 인장 시험에 필요한 샘플 준비 시간과 비용이 크게 절감됩니다. 압입 크기가 작기 때문에 하나의 단일 샘플에 대해 여러 측정을 수행할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 작은 샘플과 국부적인 영역에 대한 YS/UTS 측정이 가능해 YS/UTS 매핑과 파이프라인 또는 자동 구조의 국부 결함 감지를 위한 솔루션을 제공합니다.
Nanovea Mechanical Tester의 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. 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.
바이오 소재를 위한 나노인덴테이션의 중요성
기존의 많은 기계적 테스트(경도, 접착력, 압축, 펑크, 항복 강도 등)를 통해 젤에서 부서지기 쉬운 재료에 이르기까지 첨단 민감 재료를 사용하는 오늘날의 품질 관리 환경에서는 이제 더 높은 정밀도와 신뢰성 제어가 요구됩니다. 기존의 기계식 계측기는 벌크 재료에 사용하도록 설계되어 필요한 민감한 부하 제어 및 분해능을 제공하지 못합니다. 테스트 대상 재료의 크기에 대한 관심이 높아짐에 따라 다음과 같은 개발이 이루어졌습니다. 나노 인덴테이션 는 생체 재료 연구와 같이 작은 표면에서 필수적인 기계적 정보를 얻을 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 제공했습니다. 특히 생체 재료와 관련된 문제로 인해 매우 부드럽거나 부서지기 쉬운 재료에 대한 정확한 하중 제어가 가능한 기계적 테스트의 개발이 필요했습니다. 또한 다양한 기계적 테스트를 수행하기 위해서는 여러 대의 장비가 필요하지만 이제 단일 시스템에서 수행할 수 있습니다. 나노인덴테이션은 민감한 어플리케이션을 위해 나노 제어 하중에서 정밀한 분해능으로 광범위한 측정을 제공합니다.
측정 목표
이 애플리케이션에서 나노베아 기계 테스터, 나노압입 모드에서는 치아의 상아질, 충치 및 치수의 경도와 탄성 계수를 연구하는 데 사용됩니다. Nanoindentation 테스트에서 가장 중요한 측면은 샘플을 확보하는 것입니다. 여기서는 테스트를 위해 세 가지 관심 영역을 모두 노출시킨 채로 얇게 썬 치아와 에폭시를 장착했습니다.
결과 및 토론
이 섹션에는 여러 샘플의 주요 수치 결과를 비교하는 요약 표와 각 압입을 포함한 전체 결과 목록이 압입의 현미경 사진과 함께 제공됩니다(가능한 경우). 이러한 전체 결과에는 경도 및 영 계수의 측정값이 평균 및 표준 편차와 함께 침투 깊이로 표시됩니다. 표면 거칠기가 압흔과 동일한 크기 범위에 있는 경우 결과에 큰 편차가 발생할 수 있다는 점을 고려해야 합니다.
주요 수치 결과 요약 표입니다:
결론
결론적으로, 나노인덴테이션 모드에서 나노베아 메카니컬 테스터가 치아의 기계적 특성을 정밀하게 측정하는 방법을 살펴보았습니다. 이 데이터는 실제 치아의 기계적 특성과 더 잘 일치하는 충전재를 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 나노베아 메카니컬 테스터의 포지셔닝 기능을 통해 다양한 영역에 걸쳐 치아의 경도를 완벽하게 매핑할 수 있습니다.
동일한 시스템을 사용하여 최대 200N의 높은 하중에서 치아 재료 파단 인성을 테스트할 수 있습니다. 다공성 재료에 대해 다중 사이클 하중 테스트를 사용하여 남은 탄성 수준을 평가할 수 있습니다. 평평한 원통형 다이아몬드 팁을 사용하면 각 영역의 항복 강도 정보를 얻을 수 있습니다. 또한 DMA "동적 기계 분석"을 사용하면 손실 및 저장 계수를 포함한 점탄성 특성을 평가할 수 있습니다.
나노베아 나노 모듈은 고유한 피드백 응답을 사용하여 가해지는 하중을 정밀하게 제어하기 때문에 이러한 테스트에 이상적입니다. 이 때문에 나노 모듈은 정확한 나노 스크래치 테스트에도 사용할 수 있습니다. 치아 재료와 충전재의 스크래치 및 내마모성에 대한 연구는 기계식 테스터의 전반적인 유용성을 더합니다. 날카로운 2미크론 팁을 사용하여 충전재의 마모를 정량적으로 비교하면 실제 적용 시 거동을 더 잘 예측할 수 있습니다. 멀티 패스 마모 또는 직접 회전 마모 테스트도 장기적인 생존 가능성에 대한 중요한 정보를 제공하는 일반적인 테스트입니다.
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