Определение механических свойств материала при индентировании в колебательном режиме

Роман Игоревич Изюмов (Roman I. Izyumov), Антон Юрьевич Беляев (Anton Yu. Belyaev), Александр Львович Свистков (Aleksander L. Svistkov)

Аннотация


В работе предложен новый способ расшифровки данных, получаемых с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) в колебательном режиме наноиндентирования. Разработана модель взаимодействия зонда АСМ на упругой балке (кантилевере) с образцом. Помимо статической нагрузки на основании кантилевера задана силовая модуляция по гармоническому закону. Такой подход позволяет использовать для расчёта механических характеристик не только силу взаимодействия зонда с материалом, но и сдвиг фазы колебаний кантилевера по отношению к заданному гармоническому сигналу на его основании, а также соотношение амплитуд этих колебаний. Данная информация дает возможность оценить наличие вязкости материала. Было показано преимущество колебательного режима перед квазистатическим индентированием, заключающееся в возможности исключить влияние необратимых процессов (пластика, хрупкое разрушение в материале) на результат эксперимента и выявить наличие временных зависимостей. Показано, что модель содержит небольшое количество констант, предложены методы их определения. Проведенные с помощью разработанной модели расчёты позволили сделать ряд рекомендаций по выбору жесткости кантилевера для получения наиболее информативных результатов эксперимента. Данный подход представляется перспективным при исследовании материалов с высокой степенью неоднородности по жёсткости, в том числе при определении локальных свойств наполненных нанокомпозитов вблизи частиц наполнителя.


Ключевые слова


наноиндентирование; атомно-силовая микроскопия; динамическая модель взаимодействия; модуляция силы

Полный текст:

PDF

Литература


Garcia R., Perez R. Dynamic atomic force microscopy methods. Surface Science Reports, 2002, vol. 47, pp. 197–301.

Anselmetti D. et al. Imaging of biological materials with dynamic force microscopy. Nanotechnology, 1994, vol. 5, pp. 87–94.

Sader J.E., Pacifico J., Green C.P., Mulvaney P. General scaling law for stiffness measurement of small bodies with applications to the atomic force microscope. Journal of Applied Physics, 2005, vol. 97. 124903.

Haviland D. B. Quantitative force microscopy from a dynamic point of view. Current Opinion in Colloid and Interface Science, 2017, vol. 27, pp. 74–81.

Maivald P., et al. Using force modulation to image surface elasticities with the atomic force microscope. Nanotechnology, 1991, vol. 2, pp. 103–106.

Killgore J.P., et al. Viscoelastic Property Mapping with Contact Resonance Force Microscopy. Langmuir, 2011, vol. 27, pp. 13983–13987.

Stana G. and Price W. Quantitative measurements of indentation moduli by atomic force acoustic microscopy using a dual reference method. Review of Scientific Instruments, 2006, vol. 77. 103707.

Hertz H. On the contact of rigid elastic solids and on hardness, in Miscellaneous Papers. London: MacMillan, 1882/1896.

Caron A., Arnold W. Observation of local internal friction and plasticity onset in nanocrystalline nickel by atomic force acoustic microscopy. Acta Materialia, 2009, vol. 57, pp. 4353–4363.

Yuya P. A., Hurley D. C., Turner J. A. Contact-resonance atomic force microscopy for viscoelasticity. Journal of Applied Physics, 2008, vol. 104. 074916.

Stan G., Cook R. F. Mapping the elastic properties of granular Au films by contact resonance atomic force microscopy. Nanotechnology, 2008, vol. 19. 235701.

Radmacher M., Tillmann R. W., Gaub H. E. Imaging viscoelasticity by force modulation with the atomic force microscope. Biophysical Journal, 1993, vol. 64, pp. 735–742.

Muraoka M., Arnold W. A method of evaluating local elasticity and adhesion energy from the non-linear response of AFM cantilever vibrations. JSME International Journal Series A, 2001, vol. 44 (3), pp. 396–405.

Hurley D. C., et al. Mapping substrate/film adhesion with contact-resonance-frequency atomic force microscopy. Applied Physics Letters, 2006, vol. 89, 021911.

Morozov I. A., Svistkov A. L., Heinrich G., Lauke B. Structure of the carbon-black-particles framework in filled elastomer materials. Polymer Science Series A, 2007, vol. 49 (3), pp. 292–299.

Lauke B. Effect of particle size on fracture toughness of polymer composites. Composites Science and Technology, 2008, vol. 68 (15–16), pp. 3365–3372.

Yao H., et al. Effect of silane coupling agent on the fatigue crack propagation of silica-filled natural rubber. Journal of Applied Polymer Science, 2015, vol. 132 (20). 41980.

Johnson K. L., Kendall K., Roberts A. D. Surface energy and the contact of elastic solids. Proc. R. Soc. A, 1971, vol. 324 (1558), pp. 301–313.

Derjaguin B. V., Muller V. M., Toporov Y. P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. Journal of Colloid and Interface Science, 1975, vol. 53 (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 (1), pp. 243–269.

Izyumov R. I., Belyaev A. Yu., Garishin O. K. Investigation of the interaction of nanoindenter with elastomer using a dynamic model of probe movement. Bulletin of Perm University. Physics, 2019, vol. 2. pp. 46–54.

Tipsnano. AFM Probes and Accessories: [Electronic resource]. URL: ttps://www.ntmdt-tips.com/products/view/nsg30 (access date: 10.03.2020).

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 (7), pp. 3789–3798.

Cook S. M., Schäffer T. E., Chynoweth K. M., et al. Practical implementation of dynamic methods for measuring atomic force microscope cantilever spring constants. Nanotechnology, 2006, vol. 17, pp. 2135.




DOI: http://dx.doi.org/10.17072/1994-3598-2020-3-39-47

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).