Co robi nanoindenter
Twardość i sztywność decydują o tym, jak powierzchnia opiera się uszkodzeniom kontaktowym, zarysowaniu i zużyciu. Konwencjonalne twardościomierze mierzą wielkość odcisku pod mikroskopem, co ogranicza je do odcisków dość dużych, by je zobaczyć, i do samej twardości. Nanoindenter rejestruje głębokość odcisku przez całe badanie, więc może mierzyć warstwy o grubości ułamka mikrometra, pojedyncze ziarna i fazy, polimery i tkanki biologiczne, a z tego samego odcisku podać moduł sprężystości i zachowanie w czasie.
Jak działa nanoindentacja
- Ostrze zbliża się do powierzchni i wykrywa kontakt.
- Obciążenie rośnie do zadanego maksimum z kontrolowaną szybkością, a głębokość jest rejestrowana.
- Obciążenie jest utrzymywane, często aż ustabilizuje się pełzanie, a następnie zdejmowane przy dalszej rejestracji głębokości.
- Krzywa odciążania daje sztywność kontaktu i głębokość kontaktu. Wraz z funkcją pola powierzchni wgłębnika dają one twardość i moduł sprężystości (metoda Olivera i Pharra w ISO 14577 i ASTM E2546).
Powtarzanie badania w siatce daje mapę właściwości; utrzymywanie obciążenia mierzy pełzanie; jego oscylacja daje moduł zachowawczy i stratności.
Na co zwrócić uwagę w urządzeniu do nanoindentacji
- Bezpośredni pomiar obciążenia. Moduły NANOVEA przykładają obciążenie pionowo aktuatorem piezoelektrycznym i mierzą je niezależnym czujnikiem siły, w pętli zamkniętej z pojemnościowym czujnikiem głębokości. Obciążenie jest mierzone, a nie wnioskowane, i nie ma wysięgnika ani punktu obrotu.
- Rozdzielczość i szum na dole zakresu. W najczulszym zakresie moduł nano rozróżnia 0,006 µN i 0,003 nm (24 bity), przy szumie własnym 0,5 µN i 0,04 nm.
- Zakres obciążeń. Zakresy 80, 400, 1800 i 4800 mN obejmują od miękkich żeli po twarde powłoki; po dodaniu modułu mikro ten sam system sięga 400 N.
- Kalibracja ostrza. Single Indent Area Function (patent europejski nr 3076153) kalibruje pole powierzchni ostrza i zapewnia mierzalną kontrolę jakości wgłębnika.
- Pozycjonowanie i obrazowanie. Dokładność stołu poniżej 0,2 µm, mikroskop wideo do 100x, a w PB1000 zintegrowane AFM lub profilometr 3D do obrazowania odcisku resztkowego.
- Wydajność. FastMap wykonuje 100 odcisków w 5 minut; zautomatyzowane badania wielu próbek radzą sobie z próbkami o różnej wysokości.
Geometria wgłębnika
Ostrze określa pole naprężeń pod odciskiem. Berkovich to standardowe ostrze nanoindentacji; Vickers daje wartości porównywalne z mikrotwardością i jest odporny na duże obciążenia; Knoop jest wydłużony, do cienkich warstw i kierunkowych różnic twardości, np. w kompozytach włóknistych. Cube corner pęka materiały kruche przy małych obciążeniach do pomiaru odporności na pękanie. Ostrza sferyczno-stożkowe nadają się do miękkich metali, tworzyw sztucznych i materiałów porowatych. Płaskie stemple miażdżą cząstki i mierzą granicę plastyczności, a ostrza nożowe badają niszczenie części cylindrycznych, takich jak włókna.
Więcej niż twardość
Ten sam pomiar obciążenie–głębokość obsługuje szeroki zestaw badań: pełzanie i relaksację polimerów i żeli, DMA w nanoindentacji od 0,1 do 100 Hz z przemiataniem częstotliwości i temperatury, odporność na pękanie szkła i ceramiki, naprężenie–odkształcenie z indentacji sferycznej i cyklicznej oraz granicę plastyczności i zmęczenie płaskimi stemplami. Na tym samym module testy zarysowania mierzą adhezję powłok.
Badania w warunkach pracy
Wiele materiałów zmienia się z temperaturą i wilgotnością, zwłaszcza polimery. Badanie NANOVEA w kontrolowanej wilgotności wykazało spadek twardości folii polimerowej z około 0,60 GPa przy 25% wilgotności względnej do 0,31 GPa przy 75%. Moduł nano pracuje w modułach wysokiej i niskiej temperatury, wilgotności i cieczy oraz w systemach próżniowych, więc właściwości mierzy się tam, gdzie materiał pracuje.
