O que um nanoindentador faz
Dureza e rigidez definem como uma superfície resiste a danos de contato, riscos e desgaste. Os durômetros convencionais medem o tamanho de uma indentação ao microscópio, o que os limita a indentações grandes o bastante para serem vistas e à dureza apenas. Um nanoindentador registra a profundidade da indentação durante todo o ensaio, então pode medir filmes com fração de micrômetro de espessura, grãos e fases isolados, polímeros e tecidos biológicos, e fornecer, a partir da mesma indentação, o módulo de elasticidade e o comportamento ao longo do tempo.
Como funciona a nanoindentação
- A ponta se aproxima da superfície e detecta o contato.
- A carga aumenta até um máximo definido, a uma taxa controlada, enquanto a profundidade é registrada.
- A carga é mantida, muitas vezes para deixar a fluência se estabilizar, e depois retirada, com a profundidade ainda sendo registrada.
- A curva de descarregamento fornece a rigidez de contato e a profundidade de contato. Com a função de área do indentador, elas dão a dureza e o módulo de elasticidade (o método de Oliver & Pharr da ISO 14577 e da ASTM E2546).
Repetir o ensaio em uma grade produz um mapa de propriedades; manter a carga mede a fluência; fazê-la oscilar dá os módulos de armazenamento e de perda.
O que avaliar em um equipamento de nanoindentação
- Medição direta da carga. Os módulos da NANOVEA aplicam a carga verticalmente com um atuador piezoelétrico e a medem com uma célula de carga independente, em malha fechada com um sensor de profundidade capacitivo. A carga é medida, não deduzida, e não há alavanca nem pivô.
- Resolução e ruído no início da faixa. Na faixa mais sensível, o módulo nano resolve 0,006 µN e 0,003 nm (24 bits), com ruído de fundo de 0,5 µN e 0,04 nm.
- Faixa de carga. As faixas de 80, 400, 1800 e 4800 mN cobrem de géis macios a revestimentos duros; com o módulo micro, o mesmo sistema chega a 400 N.
- Calibração da ponta. A Single Indent Area Function (patente europeia nº 3076153) calibra a área da ponta e oferece um controle de qualidade quantificável do indentador.
- Posicionamento e imagem. Exatidão da mesa abaixo de 0,2 µm, videomicroscópio de até 100x e, no PB1000, AFM ou perfilômetro 3D integrados para fazer a imagem da indentação residual.
- Produtividade. O FastMap faz 100 indentações em 5 minutos; ensaios automatizados em várias amostras lidam com amostras de alturas diferentes.
Geometria do indentador
A ponta determina o campo de tensões sob a indentação. A Berkovich é a ponta padrão da nanoindentação; a Vickers dá valores comparáveis à microdureza e resiste a cargas altas; a Knoop é alongada, para camadas finas e diferenças direcionais de dureza, como em compósitos com fibras. O cube corner trinca materiais frágeis com cargas baixas para tenacidade à fratura. As pontas esfero-cônicas são adequadas a metais macios, plásticos e materiais porosos. Punções planos esmagam partículas e medem o escoamento, e pontas em lâmina ensaiam a ruptura de peças cilíndricas como fibras.
Além da dureza
A mesma medição carga-profundidade sustenta um amplo conjunto de ensaios: fluência e relaxação de polímeros e géis, DMA em nanoindentação de 0,1 a 100 Hz com varreduras de frequência e temperatura, tenacidade à fratura de vidro e cerâmicas, tensão-deformação por indentação esférica e cíclica, e escoamento e fadiga com punções planos. No mesmo módulo, os ensaios de risco medem a aderência de revestimentos.
Ensaios nas condições de serviço
Muitos materiais mudam com a temperatura e a umidade, sobretudo os polímeros. O estudo da NANOVEA com umidade controlada mediu a dureza de um filme polimérico caindo de cerca de 0,60 GPa a 25% de umidade relativa para 0,31 GPa a 75%. O módulo nano funciona nos módulos de alta temperatura, baixa temperatura, umidade e líquido, e em sistemas de vácuo, para que as propriedades sejam medidas onde o material trabalha.
