Определение механических свойств материала при индентировании в колебательном режиме
DOI:
https://doi.org/10.17072/1994-3598-2020-3-39-47Ключевые слова:
наноиндентирование, атомно-силовая микроскопия, динамическая модель взаимодействия, модуляция силыАннотация
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.Библиографические ссылки
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.
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.
