Особенности исследования состояния связующего около частиц наполнителя в эластомерных композитах с помощью атомно-силового микроскопа
DOI:
https://doi.org/10.17072/1994-3598-2018-1-36-45Аннотация
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является одним из наиболее перспективных методов исследования структуры материалов на микро и наноуровне, а также их локальных физико-механических свойств (которые, как уже известно, могут очень сильно отличаться от макросвойств). Получаемые с помощью АСМ экспериментальные данные сами по себе малоинформативны. Поэтому требуется их дальнейшая теоретическая расшифровка с привлечением различных математических и физических моделей. К тому же существует еще и серьезная проблема оценки точности и достоверности полученных на АСМ результатов. Особенно сильно это проявляется при исследовании материалов с сильно выраженной механической структурной неоднородностью. К таким материалам относятся рассматриваемые в данной работе эластомеры, наполненные жесткими дисперсными частицами. В статье приводятся методика математической обработки таких экспериментальных данных, позволяющая существенно повысить точность их расшифровки. В ее основе лежит использование трех критериев для фильтрации и обработки изначально полученной экспериментальной информации: 1) Критерий "рельефа наноуровня", позволяющий выделить из полученной при сканировании общей картины рельеф с объектами малой кривизны. Именно на нем хорошо видны выступающие на поверхности частицы наполнителя (обычно закрытые тонкой пленкой эластомерного связующего, известного в литературе как связанный каучук); 2) Критерий "адгезионного отклонения", с помощью которого можно выделять частицы наполнителя по изменению адгезионных сил между зондом АСМ и поверхностью образца; 3) Критерий " индентационной податливости", предназначенный для определения местоположения и жесткости частиц наполнителя. Все эти критерии были использованы при расшифровке данных сканирования на АСМ поверхности дисперсно наполненного эластомерного композита. Из анализа полученных результатов определены оптимальные условия для применения каждого из критериев. Также проведена оценка точности экспериментальных результатов на базе сравнения данных, полученных при прямом и обратном горизонтальном ходе зонда АСМ при сканировании одного и того же участка поверхности.Библиографические ссылки
Giessib F. J. AFM’s path to atomic resolution. Materials Today, 2005, vol. 8, no. 5, pp. 32–41.
Butt H., Capella B., Kappl M. Force measurements with the atomic force microscope: Technique, interpretation and applications. Surface science reports, 2005, vol. 59, pp. 1–152.
Schuh C. A. Nanoindentation studies of materials. Materials Today, 2006, vol. 9, no. 5, pp. 32–40.
He, Y., Geng, Y., Yan, Y. et al. Fabrication of nanoscale pits with high throughput on polymer thin film using afm tip-based dynamic plowing lithography. Nanoscale Res Lett, 2017, vol. 12(544). DOI: 10.1186/s11671-017-2319-y
Yan Y., Geng Y., Hu Z. Recent advances in AFM tip-based nanomechanical machining. Int J Mach Tool Manu, 2015, vol. 99, pp. 1–18. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2015.09.004
Binnig G., Quate C. F., Gerber C. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett, 1986, vol. 56, no. 9, pp. 930–933.
Chvalun S. N. Polimernyye nanokompozity. Priroda, 2000, no. 7, pp. 22–30. (In Russian).
Vanlandingham M. R., McKnicht S. H., Palmese G. R. et al. Relating elastic modulus to indentation response using atomic force microscopy. Journal of Materials Science Letters, 1997, vol. 16, pp. 117–119.
Bhushan B. Handbook of micro-nano-tribology. Springer, 1999, 433 p.
Johnson L. L. Atomic force microscopy (AFM) for rubber. Rubber chemistry and technology, 2008.
Poon B., Rittel D., Ravichandran G. An analysis of nanoindentation in linearly elastic solids. International Journal of Solids and Structures, 2008, vol. 45, no. 24, pp. 6018–6033. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2008.07.021
Pettersson T., Hellwig J., Gustafsson P. J. et al. Measurement of the flexibility of wet cellulose fibers using atomic force microscopy. Cellulose, 2017, vol. 24, no. 4139. DOI: 10.1007/s10570-017-1407-6
Reggente M., Rossi M., Angeloni L. et al. Atomic force microscopy techniques for nanomechanical characterization: a polymeric case study. JOM, 2015, vol. 67, 849. DOI: 10.1007/s11837-015-1340-9
Ding Y. H., Deng X. H., Jiang X. et al. Nanoscale mechanical characterization of PMMA by AFM nanoindentation: a theoretical study on the time-dependent viscoelastic recovery. Journal of Mate-rial Science, 2013, vol. 48, 3479. DOI: 10.1007/s10853-013-7138-7
Chen A., Qian C., Chen Y. et al. Exploring the elastic behavior of core–shell organic–inorganic spherical particles by afm indentation experiments. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, 2014, vol. 24, 1070. DOI: 10.1007/s10904-014-0098-9
Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K. J. et al. Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented indentation. Acta Mater, 2001, vol. 49, В. 19, pp. 3899–3918.
Gadelrab K. R., Bonilla F. A., Chiesa M. Densification modeling of fused silica under nanoindentation. Journal of Non-Crystalline Solids, 2012, vol. 358, no. 2, pp. 392–398.
Fischer-Cripps A. C. Nanoindentation and indentation measurements. Mater. Sci. Eng, 2004, vol. 44, pp. 91–102.
Carlsson S., Larsson P. L. On the determination of residual stress and strain fields by sharp indentation testing. Part I: theoretical and numerical analysis. Acta Materialia, 2001, vol. 49. N.12, pp. 2179–2191.
Fischer-Cripps A. C. Nanoindentation. Springer, 2002. 217 p.
Wong S., Haberl B., Williams J. S. et al. Phase transformation dependence on initial plastic deformation mode in Si via nanoindentation. Experimental Mechanics, 2017, vol. 57, 1037. DOI: 10.1007/s11340-016-0213-7
Chrobak D., Kwang-Ho Kim, Kurzydłowski K. J. et al. Nanoindentation experiments with different loading rate distinguish the mechanism of incipient plasticity. Applied Physics Letters, 2013, vol. 103, 072101. DOI: 10.1063/1.4818260
Zhang D., Wang X., Song W. et al. Analysis of crystallization property of LDPE/Fe3O4 nanodielectrics based on AFM measurements. Journal of Material Science: Materials in Electronics, 2017, vol. 28, 3495. DOI: 10.1007/s10854-016-5948-5
Yew Z. T., Olmsted P. D., Paci E. Free energy landscapes of proteins: insights from mechanical probes. Single-molecule Biophysics, 2012, vol. 146, pp. 395–417.
Golovin Yu. I. Vvedeniye v nanotekhnologiyu. Moscow: Mashinostroyeniye, 2003. 112 p. (In Russian).
Mironov V. L. Osnovy skaniruyushchey zondovoy mikroskopii. N. Novgorod: izd-vo Instituta fiziki mikrostruktur RAN, 2004. 115 p. (In Russian).
Filonov A., Yaminskiy I. Obrabotka i analiz dannykh v skaniruyushchey zondovoy mikroskopii: algoritmy i metody. Nanoindustriya, 2007, Vol. 2. pp. 32–34. (In Russian).
D'Acunto M., Dinelli F., Pingue P. Nanoscale rippling on polymer surfaces induced by AFM manipulation. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2015, vol. 6, pp. 2278–2289. DOI: 10.3762/bjnano.6.234
Keryvin V., Charleux L., Bernard C. et al. The influence of indenter tip imperfection and deformability on analysing instrumented indentation tests at shallow depths of penetration on stiff and hard materials. Experimental Mechanics, 2017, vol. 57, 1107. DOI: 10.1007/s11340-017-0267-1
Fischer-Cripps A. C. Nanoindentation, 2011. DOI 10.1007/978-1-4419-9872-9
Korayem A. H., Taghizadeh M., Abdi M. et al. Experimental analysis of rough surface topography and modifying the humidity effect in AFM images to improve the topography quality. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017. DOI: 10.1007/s00170-017-0928-3
Rana M. S., Pota H. R, Petersen I. R. Nonlinearity Effects Reduction of an AFM Piezoelectric Tube Scanner Using MIMO MPC. IEEE/ASME Trans-actions on Mechatronics, 2015, vol. 20 (3). DOI: 10.1109/TMECH.2014.
Liu W., Cheng L., Hou Z., Tan M. An active disturbance rejection controller with hysteresis compensation for piezoelectric actuators. Intelligent Control and Automation (WCICA), 2016. DOI: 10.1109/WCICA.2016.757859
Uzhegova N. I., Svistkov A. L. Multilevel analysis of the relief of a surface sample obtained by atomic force microscopy techniques. Computational Continuum Mechanics, 2016, vol. 9, no. 3, pp. 366–374 (In Russian)
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).
Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.
Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.
Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.
Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.
Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.
Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru
Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.
