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. 나노베아 CB500 기계 테스터 ~에 의해
0.03~200N의 넓은 하중 범위를 사용하여 뛰어난 정밀도와 신뢰성으로 압입 및 스크래치 테스트를 모두 수행합니다.

나노베아

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 나노베아의 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 나노베아 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.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

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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.

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. 나노베아 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 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 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

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

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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

나노인덴테이션을 이용한 생체 조직 경도 평가

생체 조직 나노인덴테이션의 중요성

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.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

라이브 채팅

나노 인덴테이션을 이용한 치아 경도 평가

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.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

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