Nanoindenter を使用してガラス繊維の急速な機械性格描写

カバーされるトピック

導入
明白なテスト
方法
結果
NanoVision スキャン結果
明白な試験結果
結果の議論
係数のマップおよび硬度のマップの比較
NanoVision スキャンおよび明白なテストの比較
結論
参照
Agilent の技術について

導入

弾性率および硬度の表面マップを得ることはずっと nanoindentation のコミュニティの耐久性がある目的です。 1 つの提供された解決は表面の AFM そっくりのスキャンからの特性を推論することです。 時々マップする係数と呼出されるこの技術に微妙で重要な限定があります。 多くの実用的な状況の下で、表面荒さおよび初期の可塑性は接触域およびこうして弾性率 [1] の決定を妥協します。 なお、働くためにマップする係数のために接触は伸縮性があなければなりませんが硬度テストが材料で可塑性を引き起すことを必要とするのでこの条件はマップする硬度を除きます。

明白なテスト

Agilent の技術は」最近 Agilent NanoIndenter G200 の明白なテストオプションの提供のユーザーを機械特性のマップのための広範囲の解決導入しました。 明白革命的な方法で従来の刻み目のテスト [2] 前例のないテストの速度 [3] 達成するために試験的に実行します。

明白なテストは 1 つの完全な刻み目のサイクル/秒を、アプローチを含んで、接触の検出、ロード行いましたり、および次の刻み目のサイトへの動き荷を下します。 従って弾性率および硬度の本当の表面マップを作成するのに、刻み目の高速アレイの実行によって明白なテストが単に利用することができます。 この短い記事は明白なテストの使用をガラス繊維の硬度そして弾性率をマップする詳しく述べます。

明白なテストオプションは主デザインコンポーネントとして別の G200 オプション、 Agilent NanoVision を、利用します; NanoVision は旅行およびソフトウェアを画像処理することの優秀な位置、平坦を提供します。 しかしこれら二つのオプションは同一、ではないです。 明白なテストは超高速のテストの重要部分として NanoVision を必要としますが、最初に想像されたと同時に NanoVision はまた使用することができます (すなわち、良質の、 AFM そっくりの画像を生成するため)。 ここに示される作業では NanoVision は両方ように明白なテストのコンポーネント自分自身で示され。

方法

すべてのテストは明白なテスト、 NanoVision および Berkovich の圧子と合った Agilent DCM II ヘッドを利用する Agilent NanoIndenter G200 と行われました。 サンプルは nanoindentation のために metallographically 取付けられ、磨かれたガラス繊維のコンピュータのボードのセクションでした。 ガラス繊維はガラスの良いファイバーによって補強されるプラスチックです。 ガラス繊維のコンピュータのボードのために、 thermosetting プラスチック (thermosets) は充填材として使用されます。 この作業でテストされるガラス繊維の厳密な憲法は未知で、しかし大いに要素の機械特性から博学である場合もあります。

試験区域は光学顕微鏡 (40x 光学拡大) の下の表面を見ることによって選ばれました。 次に、 NanoVision スキャンは表面の良質の、 AFM そっくりの画像を得るために行われました。 スキャンロードは 10μN でした。 明白なテストがそれから 40μm x 40μm の領域上の 40 x 40 の刻み目のアレイを規定するのに使用されました。 テスト方法は Force.mss へ ` の明白なテスト」であり、明白なテストアレイのすべての刻み目に 1mN の最大力がありました。

結果

NanoVision スキャン結果

NanoVision スキャンからの図 1 表示表面の位層幾何学。 このスキャンは達成することができるものがの NanoVision と約 17 分かかり、典型的です。 赤い円は個々のガラス繊維の露出された端です; 青い領域は thermoset 注入口です。 図 1 が圧子が位層幾何学をトレースしている間表面が付いている連続的な接触に残る本物スキャンであることに注意することは重要です。 すなわち、この画像は明白なテストではないです; 明白なテストは各刻み目の後で表面を離れて圧子を選ぶ領域上の個々の刻み目を行います。 図 1 は均等に 80,000 ピクセル画像を形作る各スキャンの長さに沿う y 方向に記録される 400 ポイントとの x 方向で間隔をあけられる、から成り立ちます 200 ラインスキャン。

図 1. NanoVision スキャンによるガラス繊維の表面の位層幾何学。 この画像のために、先端は表面が付いている連続的な接触に位層幾何学をトレースしている間残りました。 スキャン力 = 10μN; スキャン時間 = 17 分; 画像のサイズ = 200x400 ピクセル。

明白な試験結果

図 2 は図 1. 図 2 と同じ領域上の明白なテスト刻み目のアレイの結果を示します (a) は弾性率を、が図 2 表示します (b) は硬度を表示します。 1 つの刻み目のアレイだけ係数および硬度のマップ両方のための情報を得るために必要となりました。 係数および硬度に加えて、他のチャネルは剛さ、表面の高度および接触の深さを含んで、マップするために使用できます。 この明白なテストは 40x40 刻み目でこれらのマップ 1600 ピクセル画像を作るアレイを構成しました。 テストの時間はちょうどやや長く 26 分 - NanoVision スキャンよりでした。

図 2. (a) ヤングの係数および (b) 明白なテストによるガラス繊維の硬度のマップ。 これらの画像は 1600 の個々の刻み目から成り立つ単一の明白なテストの結果を表示します。 最大刻み目力 = 1mN; 時間を = 26 分テストして下さい; 画像のサイズ = 40x40 ピクセル。

図 3 および 4 はヒストグラム形式で図 2 と同じ情報を、示します。 硬度および係数は両方ガラス繊維の 2 つのコンポーネントを表すピークを示します: thermoset プラスチックおよびガラス繊維。 この情報から、コンポーネントの特性は表 1. で推論され、報告されます。 報告された特性は適度です: 72 GPa はガラスのための典型的な係数であり、 8.5 GPa は堅いポリマーのための適度な係数です。

各ガラス繊維の要素のためのピークを示す 1600 の係数の測定の図 3. ヒストグラム。 中間値は両方の要素によって影響されます。

各ガラス繊維の要素のためのピークとの双峰分布を、示す 1600 の硬度の測定の図 4. ヒストグラム。

明白なテスト機械特性からのガラス繊維のコンポーネントの表 1. の特性はマップします。

コンポーネント係数 (Std. Dev。)硬度 (Std. Dev。)
Thermoset プラスチック8.51 (0.26)0.54 (0.02)
ガラス繊維79.97 (5.40)6.99 (0.26)

結果の議論

係数のマップおよび硬度のマップの比較

図 2 で示されている係数のマップ (a) は 2 つの材料の境界で報告された値が抑制の効果によってかなり影響を及ぼされることを、特に明らかにします。 感じられた係数がプラスチック注入口のそれよりわずかに高い、しかしまだ大いにガラスのそれよりより少しありますファイバーのまわりの ` のハローが」。 圧子によってはこの領域の表面が接触するとき、によりファイバーに達するには十分に大きい伸縮性がある変形のフィールドを引き起こします。 従って、感じられた係数はプラスチックのちょうどそれでが、近くのファイバーの高い係数によって影響を及ぼされます。 これはそれが圧子によってが直接接触しない時でさえ抑制材料が測定された係数に影響を与えるので抑制の効果と呼出されます。

実際には、抑制の効果は両方の方法行きます。 圧子がガラス繊維と接触してあるが、ファイバーの端の近くにあるとき、感じられた係数は近くのプラスチックの承諾がより低く原因です。 抑制の効果は図 3 で示されている係数のヒストグラムでまた目に見えます - 2 つのピーク間の読書は伸縮性があるフィールドが両方の材料に出会う刻み目のためです。

対照によって、図 2 の硬度のマップ (b) は厳しく二頂です。 特性はプラスチックのまたは少しだけのガラスの、どちらかです。 図 4 で示されている硬度のヒストグラムはまたこの観察をサポートします (すなわち、非常にプラスチックのそれとガラスのそれ間に少数の読書があります)。 通常、硬度の測定は (硬度の測定によって量を示される) のフィールドがプラスチック変形ので伸縮性がある変形のフィールドより大いに小さい材料の抑制により少なく敏感です。

NanoVision スキャンおよび明白なテストの比較

表面の位層幾何学の画像が望まれれば、 NanoVision スキャンを行うことは明白なテストアレイよりよいです; ただし量的な機械特性が望まれれば、そしてそれ明白なテストアレイを行うことよいです。 各技術に適切な使用法があります。 対等なテストの時間のために、 NanoVision スキャンは明白なテストアレイより大いに高リゾリューションの画像をもたらします。

この記事で示される作業では図 1 は (単独で NanoVision 著生成される) 80,000 のピクセルおよび図 2 (明白なテストによって生成される) から成り立ちます 1600 のピクセルだけから成り立ちます。 NanoVision スキャンによって、圧子は表面によって連続的な接触に残りますが、明白なテストによって、圧子はアレイで各ポイントで実際に量的な機械特性を得るために完全な刻み目のサイクルを (アプローチ、接触の検出、ロードは、次の刻み目のサイトへの動き荷を下し) 行います。 要約すると、 NanoVision は基本的なイメージ投射のために最もよいですが、明白なテストは量的な機械特性のマップを得るための唯一の道です。

結論

通常、単独で Agilent NanoVision オプションを利用することはもっと非常に解決するが、 (利用することは NanoVision スキャンより低分解能を NanoVision を組み込む) Agilent 明白なテストオプションマップする量的な機械特性にとはいえ与えます表面の位層幾何学の画像を生成します。 明白なテストが 40x40 のアレイを行うのに字下がりにします 40µm x 40µm 領域上の区分されたガラス繊維のコンピュータのボードの硬度そして弾性率をマップするために使用されました。 1600 の刻み目は 26 分以下に完了しました。 測定された特性は構成材料のための予想に一致させました。 期待どおりに、係数のマップは硬度のマップよりずっとそれ以上に抑制の効果を明示しました。

参照

1. クローフォード、 B.、 「剛さのマップ: ダイナミックな映像技術は」、 Agilent Technologies、 Inc. 2011 年、文書化しません: 5990-6329EN のアクセスされる日付: 2012 年 2 月 21 日; から使用できる: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5990-6329EN.pdf
2. ロードを使用して硬度そして伸縮性があ係数を定めるためのオリバー、 W.C. および Pharr、 G.M.、 「改善された刻み目の実験を」、材料の研究 7(6) 感じる技術および変位 1564-1583 1992 年のジャーナル。
3. 弾性率の干し草、 J.、 「急速な性格描写および明白なテストによる硬度」、 Agilent Technologies、 Inc. から使用できる 2012 年: http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-34000.0.00&c=186083.i.2&to=79831.g.1&cc=US&lc=eng&pageMode=LB

Agilent の技術について

ナノテクノロジーの器械は画像可能にし、処理し、そして電気、化学、生物的、分子、および原子いろいろ nanoscale の動作を - 特徴付けます。 ナノテクノロジーの器械、アクセサリ、ソフトウェア、サービスおよび消耗品の私達の成長するコレクションはあなたが nanoscale の世界を理解する必要がある糸口を明らかにすることができます。

高精度の原子力の顕微鏡の広い範囲を (AFM)一義的な研究の必要性を満たすために提供します。 Agilent の非常に設定可能な器械は必要性が発生すると同時にシステム・ケイパビリティを拡大することを可能にします。 Agilent の工業一流の環境の温度システムおよび流動処理は優秀な液体および柔らかい材料イメージ投射を可能にします。 アプリケーションは物質科学、電気化学、ポリマーおよび人生の科学アプリケーションを含んでいます。

Date Added: May 17, 2012 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:10

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