Исследование взаимодействия наноиндентора с эластомером помощью динамической модели движения зонда

Аннотация

Исследование наполненных эластомеров с помощью методов атомно-силовой микроскопии является перспективным, эффективным и информативным способом изучения структуры материалов на микро и наноуровне, их локальных механических свойств. Она позволяет с очень хорошим пространственным разрешением получать в режиме наноиндентирования характеристики приповерхностного слоя. Однако для расшифровки получаемых микроскопом данных необходимо иметь модель индентирования, адекватную масштабу исследований и специфике материала. Распространенные модели индентирования основаны на упругой модели Герца и являются её в той или иной степени усложнённой версией за счёт рассмотрения сил различной природы (адгезионные силы, нелинейные свойства исследуемого материала, вязкоупругое поведение, неровности поверхности, капиллярные явления). Используемые в настоящее время модели взаимодействия наноиндентора и поверхности образца требуют уточнения и дополнения. Предлагается учесть в разрабатываемой модели ранее не принимавшиеся во внимание факторы, связанные с особенностями проводимых экспериментов, рассматриваемых масштабов и материалов (поверхностное натяжение, силы Ван-дер-Ваальса, геометрическая нелинейность, инерционные эффекты, связанные с большой скоростью индентации, динамической реакции материала на удар, отскок зонда при контакте с поверхностью образца). В работе представлены результаты исследования динамического поведения наноиндентора с помощью численной модели. Объектом моделирования является абсолютно жесткий зонд с эффективной жесткостью k и эффективной массой m. Движение зонда описывается вторым законом Ньютона. Параметры численной модели подобраны с учётом экспериментальных данных. Разработанная модель адекватно описывает движение зонда в процессе наноиндентирования эластомерного материала, а результаты моделирования хорошо согласуются с реальными экспериментальными данными.