Исследование взаимодействия наноиндентора с эластомером помощью динамической модели движения зонда

Роман Игоревич Изюмов (Roman I. Izyumov), Антон Юрьевич Беляев (Anton Yu. Belyaev), Олег Константинович Гаришин (Oleg K. Garishin)

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.


Ключевые слова


атомно-силовая микроскопия; наноиндентирование; эластомеры; поверхностные эффекты; динамическая модель

Полный текст:

PDF

Литература


Ikeda Y., Kato A., Shimanuki J., Kohjiya S., Tosaka M., Poompradub S., Toki S., Hsiao B. S. Nanostructural elucidation in carbon black loaded NR vulcanizate by 3D-TEM and in situ WAXD measurements. Rubber Chemistry and Technology, 2007, vol. 80 (2), pp. 251–264.

Wang M.-J. Effect of polymer-filler and filler-filler interactions on dynamic properties of filled vulcanizates. Rubber Chemistry and Technology. Rubber Reviews, 1998, vol. 71, no. 3, pp. 520–589.

Johnson K. L. et al. Surface energy and the contact of elastic solids. Proceedings of the Royal Society A, 1971, vol. 324, no. 1558, pp. 301–313.

Johnson L. L. Atomic force microscopy (AFM) for rubber. Rubber Chemistry and Technology, 2008, vol. 81, no. 3, pp. 359–383.

Derjaguin B.V. et al. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. Journal of Colloid and Interface Science, 1975, vol. 53, no. 2, pp. 314–326.

Maugis D. Adhesion of spheres: The JKR–DMT transition using a Dugdale model. Journal of Colloid and Interface Science, 1992, vol. 150, no. 1, pp. 243–269.

Fischer-Cripps A. C. Nanoindentation. New-York: Springer, 2011. 302 p.

Tiwari A. (Ed.) Nanomechanical analysis of high performance materials. Dordrecht: Springer, 2013. 300 p.

Golovin Yu. I. Nanoindentirovanie i ego vozmozhnosti (Nanoindentatioan and its possibilities). Moscow: Mashinostroenie, 2009. 312 p. (In Russian).

Vatankhah R. Nonlinear vibration of AFM microcantilevers with sidewall probe. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2017, vol. 39, no. 12, pp. 4873–4886.

Sahoo D. R. et al. High-throughput intermittent-contact scanning probe microscopy. Nanotechnology, 2010, vol. 21, 075701.

Lantz M. A., Wiesmann D., Gotsmann B. Dynamic superlubricity and the elimination of wear on the nanoscale. Nature Nanotechnology, 2009, vol. 4, pp. 586–591.

Eslami S., Jalili N. A comprehensive modeling and vibration analysis of AFM microcantilevers subjected to nonlinear tip-sample interaction forces. Ultramicroscopy, 2012, vol. 117, pp. 31–45.

Li Z., Shi T., Xia Q. Design optimization of high performance tapping mode AFM probe. Microsystem Technologies, 2018, vol. 24, no. 2, pp. 979–987.

Malovichko I. M. Measuring AFM cantilever stiff-ness from a thermal noise spectrum. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2013, vol. 77, no. 8, pp. 972–974.

Smirnov S., Meshkov G., Iaminskii I. Teplovye kolebaniia v mikro- i nanomekhanicheskikh sistemakh (Thermal oscillation in micro- and nanomechanical systems). Nanoindustry, 2012, vol. 31, no. 1, pp. 42–46 (In Russian).

Sader J. E., Larson I., Mulvaney P., White L. R. Method for the calibration of atomic force microscope cantilevers. Review of Scientific Instruments, 1995, vol. 66, no. 7, pp. 3789–3798.

Sader J. E., Chon J. W. M., Mulvaney P. Calibration of rectangular atomic force microscope cantilevers. Review of Scientific Instruments, 1999, vol. 70, no. 10, pp. 3967–3969.

Tipsnano. AFM Probes and Accessories. URL: http://tipsnano.ru/catalog/afm-standard/contact

Garishin O. K. Modelling of interaction between the atomic force microscope probe with a polymer surface with account of Van der Waals forces and surface tension. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2012, vol. 3, no. 2, pp. 47–54 (In Russian).




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2019-2-46-54

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.


ISSN: 1994-3598

Адрес издателя и учредителя: ПГНИУ, ул. Букирева, д. 15, г. Пермь, 614990

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охраны культурного наследия. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ПИ № ФС77-66788 от 08 августа 2016 г.

Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (специальности: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы; 01.04.07 - Физика конденсированного состояния).

Научное издание

© ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», 2019

Лицензия Creative Commons Материалы журнала публикуются по лицензии Creative Commons - Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).