Курсовик1
Корзина 0 0 руб.

Работаем круглосуточно

Доступные
способы
оплаты

Свыше
1 500+
товаров

Каталог товаров

Физико-механические свойства покрытия углеродных нанотрубок

В наличии
0 руб.

Скачать бесплатно курсовую Физико-механические свойства покрытия углеродных нанотрубок

Категория: Курсовые работы

Скачать

Содержание

Аналитическая часть.. 3

1.1 Введение. 3

1.2 Углеродные нанотрубки.. 4

1.2.1 Классификация углеродных нанотрубок. 5

1.2.2 Структура нанотрубок углерода. 5

1.2.3 Свойства УНТ.. 7

1.2.4 Методы синтеза УНТ.. 8

1.2.5 Практическое использование нанотрубок углерода. 9

1.2.6 Оценка экологичности. 10

Технологическая часть.. 11

2.1 Методы измерения микротвердости материала. 11

2.1.1 Метод Виккерса. 12

2.1.2 Метод Бринелля. 13

2.1.3 Метод Роквелла. 15

2.2 Методы измерения адгезионной прочности материала. 17

2.2.1 Метод прямого отрыва. 18

2.2.2 Определение адгезии методом решетчатого надреза. 19

2.3 Нанотвердомеры НаноСкан-4D.. 20

Назначение средства измерений. 20

2.3.1 Описание средства измерений. 20

2.3.2 Особенности измерения микро-твердости в НаноСкан-4D.. 21

2.3.3 Техника безопасности при работе с нанотвердомером НаноСкан 4D+.. 23

2.4 Адгезиметр ОР.. 23

Назначение средства измерений. 23

2.4.1 Описание средства измерений. 24

2.4.2 Особенности измерения адгезии адгезиметром ОР.. 24

2.4.3 Техника безопасности при работе с адгезиметром ОР.. 25

2.5 Методики измерения механических свойств методом инструментального индентирования на базе сканирующего нанотвердомера «НаноСкан». 25

2.5.1 Методы измерения механических свойств тонких пленок. 25

2.5.2 Измерение температурной зависимости механических свойств. 26

2.5.3 Отображение рельефа поверхности. 27

2.5.4 Механическая нанолитография. 28

2.5.5 Иcследование многофазных материалов. 28

Экспериментальная часть.. 29

3.1 Изучение технологии пробоподготовки образцов для проведения исследований механических свойств. 29

3.1.1 Требования, предъявляемые к образцам, исследуемых на микро-твердость. 29

3.1.2 Требования, предъявляемые к образцам, исследуемых на адгезионную стойкость. 30

3.1.3 Требования, предъявляемые к выбору клея. 30

Основные выводы по работе.. 31

Список используемой литературы... 31

Аналитическая часть

1.1 Введение

В данной работе рассматриваются методы, позволяющие измерить физико-механические свойства никелевого покрытия с добавлением одностенных углеродных нанотрубок. Такие покрытия будут перспективными для использования в гальванотехники. Подразумевается, что добавление одностенных углеродных нанотрубок позволит существенно повысить механические свойства исследуемого покрытия, а именно: микро-твёрдость и адгезию. Также, такие покрытия будут полезны для защиты наружных частей автомобилей, различных аппаратов, велосипедов и т.д.

1.2 Углеродные нанотрубки

Алмаз и графит считаются двумя природными кристаллическими формами чистого углерода. В алмазе атомы углерода демонстрируют гибридизацию, в которой четыре связи направлены к углам правильного тетраэдра. Получающаяся трехмерная сеть (алмаз) чрезвычайно жесткая, что является одной из причин ее твердости. В графите происходит гибридизация, при которой каждый атом равномерно связан с тремя атомами углерода (120 °) в плоскости, а на оси присутствует слабая связь. Множество атомов образует гексагональную (сотовую) решетку, типичную для листа графита [1]. Новая форма углерода, фуллерены, была открыта в 1985 году командой, возглавляемой Корто и сотрудниками [2]. Помимо алмаза, графита и фуллерена, квазиодномерная нанотрубка является еще одной формой углерода, о которой впервые сообщил Иджима в 1991 году, когда он обнаружил многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) в углеродной саже, изготовленной методом дугового разряда [3]. Углеродные нанотрубки (УНТ) являются аллотропами углерода. УНТ трубчатой формы, изготовлены из графита. Трубки содержали, по меньшей мере, два слоя, часто намного больше, и имели внешний диаметр примерно от 3 до 30 нм. Примерно через два года он сделал наблюдение одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) [4]. Примерно в то же время Dresselhaus et al. синтезировали одностенные углеродные нанотрубки тем же путем получения МУНТ, но добавляя некоторые частицы переходного металла к углеродным электродам [5]. Одностенные нанотрубки, как правило, уже, чем многостенные трубки, с диаметрами, как правило, в диапазоне 1-2 нм, и имеют тенденцию быть изогнутыми, а не прямыми. За последнее десятилетие была проделана значительная работа по выявлению уникальных структурных, электрических, механических, электромеханических и химических свойств УНТ. Недавние исследования были направлены на улучшение качества каталитически полученных нанотрубок [6, 7].

1.2.1 Классификация углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки подразделяются на два типа: ОУНТ - одностенные углеродные нанотрубки и МУНТ - многостенные углеродные нанотрубки. Сравнение между ними представлено в таблице 1.1 [9–11].

Таблица 1.1 - Сравнение между ОУНТ и МУНТ

ОУНТ

МУНТ

Катализатор необходим для синтеза.

Может производиться без катализатора.

Объемный синтез затруднен, поскольку требует надлежащего контроля за ростом и атмосферными условиями.

Простая реализация массового производства.

Не полностью рассеяны, и образуют связанные структуры. Удельное сопротивление обычно в пределах Ом · м.

Однородно рассеянный без видимого связанного формирования.

Удельное сопротивление обычно в пределах 1,8 × – 6,1 × Ом · м.

Низкая чистота. Типичное содержание ОУНТ в готовых образцах методом химического осаждения из паровой фазы составляет около 30–50 мас.%. Однако при использовании метода синтеза с дуговым разрядом сообщается о высокой чистоте до 80%.

Высокая чистота. Типичное содержание МУНТ в свежеприготовленных образцах методом химического осаждения из паровой фазы составляет около 35–90 мас.%.

Высокая вероятность наличия дефектов.

Вероятность наличия дефектов низкая, особенно когда синтезируется дуговым разрядом.

Характеристика и оценка просты.

Имеет очень сложную структуру

1.2.2 Структура нанотрубок углерода

Совершенная нанотрубка – это цилиндр, полученный путем свертывания плоской гексагональной сетки графита без швов (рисунок 1.1). Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную

Рисунок. 1.1- Идеализированная модель однослойной углеродной нанотрубки

характеристику нанотрубки, которая получила название хиральности [11].

Полностью состоящая из углерода, структура чистого ОУНТ может быть визуализирована как свернутая трубчатая оболочка графенового листа, который состоит из шестиугольных колец бензольного типа с атомами углерода. Листы графена представляют собой бесшовные цилиндры, полученные из сотовой решетки, представляющие один атомный слой кристаллического графита. МУНТ - это стопка графеновых листов, свернутых в концентрические цилиндры. Каждая нанотрубка представляет собой отдельную молекулу, состоящую из миллионов атомов, и длина этой молекулы может составлять десятки микрометров, а диаметр - всего 0,7 нм [11]. ОУНТ обычно содержат всего 10 атомов по окружности, а толщина трубки составляет всего один атом. Нанотрубки обычно имеют большое отношение длины к диаметру (аспектное отношение) около 1000, поэтому их можно рассматривать как почти одномерные структуры [12]. МУНТ больше и состоят из множества одностенных труб, уложенных друг на друга. Название МУНТ ограничено наноструктурами с внешним диаметром менее 15 нм, над которыми структуры называются углеродными нановолокнами. УНТ отличаются от углеродных волокон, которые представляют собой не отдельные молекулы, а нити слоистых графитовых листов [13, 14].

В дополнение к двум различным базовым структурам существует три различных возможных типа углеродных нанотрубок. Этими тремя типами УНТ являются углеродные нанотрубки-кресла, зигзагообразные углеродные нанотрубки и хиральные углеродные нанотрубки. Разница в этих типах углеродных нанотрубок создается в зависимости от того, как графит «свернут» в процессе его создания. Выбор оси вращения относительно гексагональной сети листа графемы и радиуса закрывающего цилиндра допускает различные типы ОУНТ. Хиральный вектор представлен парой индексов, и где эти два целых числа соответствуют числу единичных векторов вдоль двух направлений в сотовой кристаллической решетке графена. Все остальные конфигурации, кроме «зигзаг» и «кресло», обозначаются как хиральные. Более подробную информацию о структуре можно найти в обзорах [12, 15, 16].

Хиральность нанотрубки можно однозначно определить с помощью угла α, получаемого направлением скручивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Такие направления показаны на (рисунок 1.2). Вариантов скручивания нанотрубок достаточно много, однако, из них можно выделить те, реализовав которые, не произойдет искажения структуры гексагональной сетки. Таким направлениям удовлетворяют углы α = 0 и α = 30°, что отвечает хиральности (m, 0) и (2n, n) [1].

Рисунок 1.2. Модель образования нанотрубок с различной хиральностью при свертывании в цилиндр гексагональной сетки графита

1.2.3 Свойства УНТ

Прочность углерод-углеродных связей придает УНТ удивительные механические свойства. УНТ демонстрирует удивительные механические, термические и электронные свойства. Их плотность может составлять всего 1,3 г / см3 (одна шестая от нержавеющей стали). Модуль Юнга УНТ превосходит все углеродные модификации со значениями, превышающими 1 ТПа, что примерно в 5 раз выше, чем у стали [17]. Однако их прочность - это то, что действительно выделяет их среди остальных модификаций углерода. Углеродные нанотрубки - самые прочный материал, когда-либо обнаруженный человечеством. Максимальная измеренная сопротивление растяжению или разрывное усилие для углеродных нанотрубок было до 63 ГПа, что примерно в 50 раз выше, чем у стали [17]. Даже самые слабые типы углеродных нанотрубок имеют прочность несколько ГПа [18]. Кроме того, УНТ обладают хорошей химической и экологической стабильностью и высокой теплопроводностью (~ 3000 Вт / м / К, сравнимо с алмазом). Эти свойства в сочетании с легкостью углеродных нанотрубок дают им большой потенциал в таких областях, как авиакосмическая промышленность. Электронные свойства углеродных нанотрубок также необычны. Они обладают высокой электропроводностью (сравнимо с медью). Особенно примечателен тот факт, что нанотрубки могут быть металлическими или полупроводниковыми. В зависимости от отношения между этим осевыми направлениями и единичными векторами, описывающими гексагональную решетку, нанотрубки могут вести себя электрически как металл или полупроводник. Полупроводниковые нанотрубки имеют запрещенные зоны, которые масштабируются обратно пропорционально диаметру, в диапазоне приблизительно от 1,8 эВ для трубок очень малого диаметра до 0,18 эВ для максимально широкой стабильной ОУНТ [19]. Таким образом, некоторые нанотрубки имеют проводимость выше, чем у меди, а другие ведут себя больше как кремний. Существует большой интерес к возможности построения наноразмерных электронных устройств из нанотрубок. Есть несколько областей технологии, где углеродные нанотрубки уже используются. К ним относятся плоские дисплеи, сканирующие зондовые микроскопы, сенсорные устройства и топливные элементы.

1.2.4 Методы синтеза УНТ

Высококачественные материалы из нанотрубок желательны как для фундаментальных, так и для технологических применений. Высокое качество означает отсутствие структурных и химических дефектов в значительном масштабе длины (например, 1-10 микрон) вдоль осей трубки. Количество патентов и публикаций по синтезу углеродных нанотрубок быстро растет. Однако остается много проблем, которые необходимо решить в отношении синтеза УНТ. В настоящее время существует четыре основных проблемы в области синтеза нанотрубок. 1) массовое производство, то есть разработка недорогих крупномасштабных процессов синтеза высококачественных нанотрубок, включая ОУНТ. 2) Избирательное производство, то есть контроль над структурой и электронными свойствами произведенных нанотрубок. 3) организация, то есть контроль расположения и ориентации полученных нанотрубок на плоской подложке. 4) Механизм, то есть развитие глубокого понимания процессов роста нанотрубок. Механизм роста все еще является предметом споров, и во время образования УНТ может действовать несколько механизмов. Разнообразные методы были разработаны для производства УНТ и МУНТ с различной структурой и морфологией в лабораторных количествах. Для синтеза УНТ обычно используются три метода: дуговой разряд [20, 21], лазерная абляция [22] и химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ) [23–26]. Основными элементами для формирования нанотрубок являются катализатор, источник углерода и достаточное количество тепла. Общей особенностью этих методов является добавление тепла к источнику углерода для получения фрагментов (групп или отдельных атомов C), которые могут рекомбинировать для генерации УНТ. Источником энергии может быть электричество от дугового разряда, тепло от печи (~ 900 ° C) или высокоинтенсивный свет от лазера (лазерная абляция).

1.2.5 Практическое использование нанотрубок углерода

Применение углеродных нанотрубок в микроэлектронике является перспективным, поскольку, небольшие размеры, возможность получения требуемой электропроводности, механическая прочности и химической устойчивости - являются важными преимуществами для производства рабочих элементов в данной области. Теоретически было выяснено, что если в совершенной однослойной нанотрубке с хиральностью (8, 0) создать дефект в виде пары пятиугольник–семиугольник, то хиральность трубки в области наличия дефекта становится (7, 1). Нанотрубка с хиральностью (8, 0) представляет собой полупроводник с Eg = 1,2 эВ, в то время, как нанотрубка с хиральностью (7, 1) представляет из себя полуметалл, для которого Eg=0. Отсюда следует, что нанотрубка с внедренным дефектом может считаться гетеропереходом металл–полупроводник и являться основой полупроводникового элемента рекордно малого размера.

В настоящее время все силы ученых направлены на создание технологии, позволяющей реализовать углеродные нанотрубки, заполненные проводящим или сверхпроводящим материалом. Результатом создания таких углеродных конструкций позволило бы создать токопроводящие соединения, позволивших перейти к реализации наноэлектронных устройств, габариты которых будут на несколько порядков меньше нынешних. Однослойные нанотрубки могут быть использованы в качестве тончайших зондов для исследования поверхностей с шероховатостью на нанометровом уровне. В таком случае применяется наибольшая механическая прочность нанотрубки. Модуль упругости E вдоль продольной оси нанотрубки составляет порядка 7000 ГПа, в то время, как зонды из стали и иридия почти достигают значений E = 200 и 520 ГПа соответственно. Так же, можно отметить, что однослойные нанотрубки, в частности, способны упруго вытягиваться на 16%. Для того, чтобы увидеть такую особенность материала у железной спицы длиной 30 см, ей необходимо увеличиться в длине под нагрузкой на 4,5 см, а после снятия нагрузки возобновить исходную длину. Зонд из нанотрубки который имеет сверхупругие свойства, при избыточном усилии будет изгибаться упруго, осуществляя тем самым контакт с поверхностью.

Для многочисленных технологических применений привлекательна высокая удельная поверхность материала нанотрубок. В процессе роста произвольно появляются ориентированные спиралевидные нанотрубки, что ведет к возникновению большого количества полостей и пустот нанометрового размера. В итоге удельная поверхность материала нанотрубок достигает значений порядка 600 м2/г. Такая высокая удельная поверхность позволяет использовать их в фильтрах и других приборах химических технологий [27].

1.2.6 Оценка экологичности

Углеродные нанотрубки довольно инертны, в связи с этим они с трудом распадаются в нормальных условиях, также они способны мигрировать в различных экологических системах. Например, приникнув в водную среду наночастицы могут попасть в организмы обитателей данной среды: планктон, рыба и пр. Такие организмы находятся в основании экологической пирамиды, они могут собирать разные загрязнители, в том числе УНТ, а дальше распространять их животным, которые находятся на более высоких уровнях пищевой цепи.

Исследователи на протяжении многих лет анализируют отравляющее действие УНТ на окружающую среду. На данный момент, с уверенностью можно сказать, что углеродные нанотрубки во много раз генотоксичны по сравнению с другими наночастицами углерода.

Если мы говорим об изготовлении приборов электронной техники, строительных материалов, пищевых продуктов или биологически активных добавок к пище, упаковки пищевых продуктов - очень важной является оценка рисков для здоровья при употреблении данных продуктов, а также оценка влияния наночастиц и наноматериалов на окружающую среду в процессе их производства. В качестве примера таких рисков, можно привести образование воздушных взвесей наночатиц, как вторичного продукта производства. Как правило,наночастиц оказывают негативное влияние на здоровье человека,в том плане,что они токсичны,и а дальнейшем способны провоцировать ряд заболеваний.

Опираясь на вышеизложенное, нужно сказать, что при работе с наночастицами, очень важно не забывать использовать технические средства контроля токсичности местности, для своевременного определения опасности и сведения к минимуму выбросов в рабочую зону.

Также предприятия должны быть оснащены вытяжными устройствами для очищения воздуха от испарений и т.д [28].

Технологическая часть

2.1 Методы измерения микротвердости материала

Твердость - это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки. Более твердое тело будем называть индентор.

Материал индентора должен быть значительно тверже испытуемого материала (алмаз, сапфир, твердая закаленная сталь или твердый сплав).

Методы измерения твердости, по скорости, делятся на динамические и статические. В свою очередь, статические методы, по характеру взаимодействия с материалом, делятся на методы вдавливания и царапания. К статическим методам относятся: Метод Виккерса, Роквелла, Бринелля.

2.1.1 Метод Виккерса

Тест Виккерса (HV) был разработан в Англии в 1925 году и был официально известен как тест на твердость алмазной пирамиды (DPH). Он используется для определения твердости различных твердых материалов (металлов, керамики и т. д.). Алмазная пирамида прижимается к твердому телу с определенной нормальной нагрузкой, и твердость рассчитывается на основе отпечатка, оставленного на поверхности [29].

Рассматриваемая методика сводится к тому, что исследованное изделие под действием нагрузки Р, вдавливается алмазный наконечник (индентор), который имеет внешний вид правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°, затем измеряются диагонали отпечатка d, сохранившегося после снятия нагрузки (рисунок 2.1).

https://studfiles.net/html/2706/182/html_ZkgWI_StER.DVuE/img-clJ4kk.png

Рисунок 2.1 –Метод Виккерса

Диагональ отпечатка d фиксируется с помощью микроскопа, который установлен на приборе. Значение твердости по Виккерсу HV определяется по специальным таблицам по измеренной величине d.

Величина нагрузки Р может варьироваться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу определяется отношением приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F, по формуле (2.1):

(2.1)

Данная методика используется для определения твердости деталей небольшой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют большую твердость. В основном, при измерениях используют малые нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. То есть, с уменьшением толщины детали, должна уменьшается и прикладываемая к ней нагрузка.

По сравнению с методами твердости по Роквеллу и Бриннеллу индентор в виде пирамиды имеет преимущество, поскольку квадратные отпечатки легче измерить, чем круглые отпечатки от сферических и конических инденторов. Еще одним преимуществом теста на твердость по Виккерсу является отсутствие различных шкал по сравнению с тестами Роквелла и Бриннелла [29].

Также, достоинством этого метода является возможность определения твердости любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоев. А также достаточно высокая точность и чувствительность метода.

2.1.2 Метод Бринелля

Бринелль изобрел метод определения твердости в Швеции в 1900 году. Самый старый из существующих сегодня методов испытаний на твердость, тест Бринелля часто используется для определения твердости изделий, чья структура зерна слишком велика для Роквелла или Виккерса. тестирование. Поэтому тесты Бринелля часто проводятся на больших деталях. Изменяя испытательное усилие и размер шарика, почти все металлы могут быть испытаны с использованием теста Бринелля. Значения Бринелля считаются независимыми от испытательной силы при условии, что соотношение размера шарика и испытательной силы одинаково.

Благодаря широкому диапазону испытательных нагрузок, метод Бринелля можно использовать практически на любом металлическом материале. Размер детали ограничен только емкостью измерительного прибора.

  • Индентор вдавливается в образец с помощью точно контролируемой испытательной силы.
  • Силу поддерживают в течение определенного времени выдержки, обычно 10 -15 секунд.
  • После окончания времени выдержки индентор удаляется, оставляя в образце круглый отступ.
  • Размер отступа определяется оптически путем измерения двух диагоналей круглого отступа с использованием либо портативного микроскопа, либо одного, который интегрирован с устройством приложения нагрузки.
  • Коэффициент твердости по Бринеллю является функцией испытательной силы, деленной на изогнутую площадь поверхности отступа.
  • Отступ считается сферическим с радиусом, равным половине диаметра шара.
  • Среднее значение двух диагоналей используется в следующей формуле для расчета твердости по Бринеллю [29].

Данный метод позволяется определить твердость изделия с помощью вдавливания в исследуемый образец стального шарика конкретного диаметра D под приложенной заданной нагрузкой P в течение определенного времени (рисунок 2.2).

https://studfiles.net/html/1611/166/html_vIyBVO9NMN.F8H4/img-Vy_hVB.png

Рисунок 2.2- Метод Бринелля

Число Бринелля, которое обычно колеблется от HB 50 до HB 750 для металлов, будет увеличиваться по мере того, как образец становится более твердым. Само же значение твердости измеряется в кгс/мм2 или МПа и считается по формуле (2.2):

(2.2)

Чтобы перевести значение твердости по Бринеллю в единицы СИ нужно произвести умножение значения твердости в кгс/мм2 на 9,81;

Диаметр шарика и мера воздействия на образец выбираются в соответствии с его толщиной и твердостью. Твердость фиксируют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D2. Данное соотношение отличается для металлов разной твердости.

Данный метод не рекомендуется использовать при исследовании материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может существенно деформироваться, что, в свою очередь, внесет погрешность в результаты испытаний [29].

Основным недостатком метода Бринелля является необходимость оптического измерения размера отступа. Это требует, чтобы контрольный след был четким, так как от этого зависит точность измерений. Еще одним недостатком является время. Медленно. Измерение может занять 30 секунд, не считая времени подготовки образца [].

2.1.3 Метод Роквелла

Стэнли П. Роквелл (1890—1957) изобрел испытание на твердость которое позже было названо в его честь. Он был металлургом в крупной компании по производству шарикоподшипников и нуждался в быстром эффекте термообработки на обоймах стальных подшипников.

Единственными испытаниями на твердость, которые он имел в свое время, были Виккерс, Бринелль и метод по склероскопу. Тест Виккерса занимал слишком много времени, отступы Бринелля были слишком большими для его деталей, а склероскоп был сложен в использовании, особенно на его мелких деталях.

Чтобы удовлетворить свои потребности, он изобрел свой метод испытаний. Данная технология позволила в течение нескольких секунд провести точный тест на твердость деталей различных размеров.

Значения твердости по Роквеллу выражаются как комбинация числа твердости и символа шкалы, представляющего индентор и незначительные и основные нагрузки. Число твердости выражается символом HR и обозначением шкалы [29].

Твердость по методу Роквелла фиксируется благодаря внедрению алмазного конуса или стального шарика в материал, после чего, по глубине полученного отпечатка определяют значение исследуемого механического свойства [30].

Существует 30 различных шкал. Например, C и B для испытаний стали, латуни и других металлов. Однако все более широкое использование материалов, помимо стали и латуни, а также тонких материалов, требует базовых знаний о факторах, которые необходимо учитывать при выборе правильной шкалы для обеспечения точного теста Роквелла. Выбор не только между тремя различными основными нагрузками для каждого испытания, но также и между алмазным индентором и сталью диаметром 1/16, 1/8, 1/4 и 1/2 дюйма. Шариковые инденторы. Для мягких материалов, таких как медные сплавы, мягкая сталь и алюминиевые сплавы, используется стальной шарик диаметром 1/16 "с нагрузкой в 100 кг, а твердость измеряется по шкале" B ". При испытании более твердых материалов, твердый чугун и многие стальные сплавы, алмазный конус в 120 градусов используется с нагрузкой до 150 кг, а твердость измеряется по шкале "C." Существует несколько шкал Роквелла, кроме шкал "B" и "C", (которые называются общими шкалами). Правильно сообщаемое значение Роквелла будет иметь число твердости, за которым следуют "HR" (твердость по Роквеллу) и буква шкалы. Например, 50 HRB указывает, что материал имеет показание твердости 50 на B масштаб.

Индентор перемещается вглубь поверхности детали, затем прикладывается незначительная нагрузка и устанавливается исходная позиция [30].

К образцу прикладываются две последовательные нагрузки, первая-предварительная Р0=10 кгс и вторая - общая Р, которая равна сумме предварительной Р0 и основной Р1 нагрузок. (рисунок 2.3).

https://studfiles.net/html/2706/1026/html_B1N9maItNJ.l8IL/img-Uv8Qf8.png

Рисунок 2.3- Метод Роквелла

Твердость по Роквеллу НR вычисляют по формуле (2.3):

(2.3)

где h0 - глубина внедрения наконечника под действием предварительной нагрузки, мм;

h -глубина внедрения наконечника под действием общей нагрузки, мм;

k -постоянная величина, равная 0,26 мм для шарика и 0,2 мм для алмазного конуса;

с -цена деления шкалы индикаторного прибора, соответствующая внедрению наконечника на 0,002 мм.

Значение твердости по Роквеллу определяется условными единицами и фиксируется главным образом по показаниям индикатора в время проведения исследования [30].

Если есть сомнения в пригодности указанной шкалы, следует провести анализ следующих факторов, которые контролируют выбор шкалы:

  • Тип материала.
  • Толщина образца.
  • Локализация проведения испытания.
  • Ограничения шкалы [30].

Если говорить о том, какой метод более универсален - Бринелля или Роквелла, то здесь стоит отметить, что последний метод позволяет исследовать металлы и сплавы различной твердости, и, даже твердые сплавы. Также, данный метод позволяет интенсифицировать твердости относительно тонких образцов (толщиной до 0,4 мм).

Производительность данного метода напрямую зависит от индикаторного прибора, позволяющего определить значение твердости непосредственно отсчетом по шкале, но, все же, необходимо провести измерение несколько раз для определения средней величины, так как точность определения значения твердости ниже. [30]

2.2 Методы измерения адгезионной прочности материала

Адгезия - это связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями.

Причины возникновения адгезионной связи - действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия.

Адгезия обусловливает склеивание твердых тел субстратов с помощью клеящего вещества адгезива, а также связь защитного или декоративного лакокрасочного покрытия с основой.

Когезия ­- связь между одинаковыми молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы.

Когезия характеризует прочность тела и его способность противостоять внешнему воздействию.

Независимо от последующего использования, структурные, механические и функциональные свойства пленок и покрытий зависят от их адгезии к подложке. Это требует измерения адгезионной прочности пленок и покрытий для контроля качества в соответствии с отраслевыми стандартами и спецификациями продукта. Хорошая адгезия обеспечит долговечность пленок, а плохая адгезия ускоряет их износ [31]. Существуют две формы прочности: когезионная (внутри пленки или подложки) и адгезивная (на границе раздела покрытие-подложка). Существует много методов и приемов для определения адгезионной прочности. Выбор технологии зависит от индивидуальных требований. Доступно более 200 методов и методов измерения адгезии [32]. Что касается размеров образца, то методы для их исследований можно разделить на «макро» и «микро» [33]. Наиболее часто используемыми методами измерения адгезии тонких пленок и покрытий являются тесты на вдавливание [34] и на царапание [35-36]. Тем не менее, испытание на отрыв обеспечивает количественный результат измерения адгезии.

2.2.1 Метод прямого отрыва

Адгезия однослойного покрытия или многослойной системы оценивается путем измерения минимального растягивающего усилия, необходимого для отрыва или разрушения покрытия в направлении, перпендикулярном подложке. Этот метод максимизирует растягивающее напряжение по сравнению с напряжением сдвига, применяемым другими методами, такими как адгезия к царапинам, и результаты могут быть несопоставимыми. Испытание проводится путем закрепления крепежного приспособления перпендикулярно поверхности покрытия с помощью клея. После затвердевания клея, к приспособлению прикрепляют испытательное устройство и выравнивают, чтобы усилие было приложено точно перпендикулярно испытуемой поверхности. Прилагаемое усилие постепенно увеличивается и отслеживается до тех пор, пока либо не отсоединится пробка материала покрытия, либо пока не будет достигнуто указанное значение. Также может произойти смешанное разрушение клея/приклеенного компонента (рисунок 2.4) [37].

Рисунок 2.4 – Образец для определения прочности сцепления тонких покрытий

1 – подготовленный образец; 2 – зажимные цапфы (стрелки указывают направление нагрузки); 3 – покрытие; 4 – прослойка клея

2.2.2 Определение адгезии методом решетчатого надреза

Суть данного метода главным образом сводится к нанесению решетчатых надрезов на готовое лакокрасочное покрытие с дальнейшей его визуальной оценкой по 4-х балльной шкале.

Для проведения исследований необходимо взять два образца, не менее чем на трех участках поверхности которых, в дальнейшем, будут осуществляться надрезы.

Резак состоит из нескольких равномерно распределенных лезвий. Режущим инструментом производятся параллельные разрезы при постоянном давлении. Второй разрез, выполненный под углом 90 ° к первому, и, тем самым формируется квадратный рисунок (рис. 2.5). На этом этапе может наблюдаться первичная адгезия, которая не зависит от клейкой ленты. На основании степени расслаивания в квадратной области адгезия покрытия может быть визуально классифицирована от 0 до 5. Значение 0 означает отсутствие расслаивания и увеличение площади отрыва поперечного разреза менее чем на 5% (класс 1), 5. –15% (класс 2), 15–35% (класс 3), 35–65% (класс 4) и значение 5 соответствует большему расслаиванию, чем класс 4, в наблюдаемой области поперечного разреза. После этого проводится проверка ленты по этому шаблону.

https://ars.els-cdn.com/content/image/3-s2.0-B9780857095947500144-f14-07-9780857095947.gif?_

Рисунок 2.5 – Поверхностные надрезы покрытия для оценки адгезии

Адгезия покрытий может быть дополнительно оценена на уровне усиленных испытаний. Эта оценка включает тест на перекрестную штриховку, тест на ленту и, кроме того, тест на кипение. Испытание на кипение имитирует температурную и влажностную нагрузку на покрытие, что является критическим из-за существенного различия от коэффициента теплового расширения. Эта разница может вызвать значительные нагрузки на границе раздела. Испытание на кипение на ранней стадии испытания может быть объединено путем переключения с кипяченой деионизированной воды на комнатную температуру в установленное время в течение нескольких циклов, и на следующем уровне оно может периодически продлеваться [38].

2.3 Нанотвердомеры НаноСкан-4D

Назначение средства измерений

Нанотвердомеры НаноСкан-4D (далее - нанотвердомеры) предназначены для измерений твердости материалов по шкалам индентирования.

2.3.1 Описание средства измерений

Нанотвердомер - это устройство, которое позволяет определить твердость материала, обычно путем исследования влияния на его поверхность локализованного внедрения стандартизированным закругленным или заостренным индентором из алмаза, карбида или твердой стали.

Наноиндентирование широко использовалось для изучения механических свойств небольших объемов материалов, включая твердость и модуль упругости.

Поскольку даже алмазные наконечники могут изнашиваться со временем после многочисленных циклов вдавливания, геометрия наконечника оказывает непосредственное влияние на точность измерений при малых глубинах вдавливания в диапазоне нескольких десятков нанометров.

Измерения с помощью нанотвердомеров сводятся к вдавливанию индентора Берковича с одновременным фиксированием меры воздействия на образец. Далее, исходя из полученных данных, определяется значение твердости по шкалам индетирования. Весь процесс исследования образца на твердость проводится на специальном столике, имеющем привод и в автоматическом режиме, что существенно упрощает процесс измерений, а также сводит к минимуму погрешность измерений [39].

Внешний вид нанотвердомеров с указанием мест нанесения знака утверждения типа и пломбирования приведён на рисунке 2.5.

НаноСкан-4D.Нанотвердомер

Рисунок 2.6 – Нанотвердомер типа НаноСкан

2.3.2 Особенности измерения микро-твердости в НаноСкан-4D

Алмазный индентор внедряется в образец, обозначим меру внедрения Р и затем определяются диагонали следа d, оставшегося после снятия воздействия на изделие.

Индентор имеет угол при вершине 140° и радиус закругления острия ~50нм, а размеры окна сканирования профиля отпечатка порядка 100х100х10 мкм.

Индентор Берковича позволяет более точно определить параметры твердости металлов с высокой твердость, чего нельзя сказать о шариковом инденторе или конусе.

Мера воздействия на образец подбирается индивидуально, в зависимости от механических свойств и толщины изделия. Из этого вытекает такая зависимость, что чем тоньше исследуемый образец, тем меньшая мера воздействия должна быть приложена к нему и наоборот, чем толще образец-большая мера. Обычно, значения P лежат в пределах 5-10кГ, а время выдержки для черных металлов 10-15 сек, а для цветных 30± 2 сек. Это связано с тем, что цветные металлы имеют оксидную пленку, которая дополнительно защищает поверхность металла.

Что касается конкретно метода нанесения отпечатка на образец, то это тест по Виккерсу. Далее след обрабатывается по тесту восстановленного отпечатка.

Твердость по тесту восстановленного отпечатка рассчитывается, как отношение меры воздействия P к площади восстановленного отпечатка, измеренной автоматически с помощью зондового микроскопа по изображению S. Это выражается формулой (2.4): [39]

(2.4)

где

H – это твердость

это максимальная приложенная к индентору нагрузка

– это площадь проекции восстановленного отпечатка, измеренной по его изображению

При образовании по периметру восстановленного отпечатка пластических навалов трехмерное изображение отпечатка позволяет определить их площадь и учесть при вычислении значений твердости. Для автоматизированного измерения площади отпечатка с учетом навалов реализован специальный программный модуль (рисунок 2.6).

Рисунок 2.7-Отпечаток на поверхности исследуемого образца

Преимущество измерения твердости в данном приборе состоит в том, что индентор также играет роль СЗМ,то есть,в реальном времени происходит измерение диагоналей отпечатка и передача его 3-х мерного изображения на компьютер)[6].

2.3.3 Техника безопасности при работе с нанотвердомером НаноСкан 4D+

  • В лаборатории должен быть общий рубильник для включения и выключения внутрилабораторной сети.
  • Перед началом работы вновь собранную установку необхо­димо испытать на герметичность и прочность при максимальном рабочем разрежении, приняв меры предосторожности;
  • Электроприборы в лаборатории должны быть обязательно заземлены.
  • Не следует пользоваться неисправными приборами, приборами с нарушенной изоляцией, с расшатанными штепсельными вилками.
  • Запрещено браться мокрыми руками за штепсельные вилки.
  • Нельзя подвергать электроприборы и провода воздействию влаги.
  • При необходимости нагрева или охлаждения частей установ­ки следует сначала создать необходимое разрежение, а затем осто­рожно вести нагрев или охлаждение [40].

2.4 Адгезиметр ОР

Назначение средства измерений

Адгезиметр ОР предназначен для измерения адгезии покрытий методом прямого отрыва покрытия от основания, на которое оно нанесено.

2.4.1 Описание средства измерений

Адгезиметр имеет достаточно простую конструкцию. Металлический корпус, на котором имеется специальная измерительная шкала, поворотный механизм с круговой шкалой, захватные механизмы, с помощью которых закрепляются испытательный грибки и станины для исследований. Корпус самого прибора сделан, как правило, из анодированного алюминия. Станина же из черного металла. (рисунок 2.7) [41].

Адгезиметр ОР

Рисунок 2.8 – Внешний вид адгизиметра ОР

2.4.2 Особенности измерения адгезии адгезиметром ОР

Прибор работает по принципу малогабаритной разрывной машины. Клеят испытательный цилиндр к покрытию. Поворачивают штурвал прибора по часовой стрелке до упора и полностью ослабляют тем самым пружину. Устанавливают цилиндр, приклеенный к покрытию, в отверстие станины. Устанавливают прибор на цилиндр и цилиндр вставляют в обойму разрывного механизма прибора. Медленно поворачивают против часовой стрелки штурвал, пока исчезнет люфт и пружина установится во взведенное состояние.

Совмещают нулевую "0" риску круговой шкалы прибора с шагом 1 кг, пока она совпадет с вертикальной риской и нулем вертикальной шкалы прибора.

Плавно и со скоростью 1 кг за 10 секунд, равномерным, медленным вращением штурвала поворотного механизма взведения пружины и с шагом нанесенных вертикальных рисок на штурвале с круговой шкалой, взводят пружину прибора до отрыва покрытия от основания.

При этом риски на шкале прибора указывают усилие отрыва, приложенное к испытательному цилиндру.

Когда покрытие оторвется, фиксируют показание усилия отрыва по шкалам прибора.

Применение набора цилиндров разной площади позволяет получить разное усилие отрыва на квадратный миллиметр поверхности исследуемого покрытия [40].

2.4.3 Техника безопасности при работе с адгезиметром ОР

  • Не использовать неисправный прибор
  • Не допускать падения прибора
  • Не подкладывать пальцы под прибор
  • Остерегаться ударов о прибор [7]

2.5 Методики измерения механических свойств методом инструментального индентирования на базе сканирующего нанотвердомера «НаноСкан»

2.5.1 Методы измерения механических свойств тонких пленок

Применение тонких пленок связано с защитными и износоустойчивыми покрытиями для разного рода объектов. Современной задачей контроля качества изделий является корректное определение механических свойств таких пленок без воздействия подложки.

Измерительное индитирование сводится к тому, что индентор определенной формы, например, пирамиды, под действием приложенного усилия Р внедряется в поверхность изделия с определенной заданной скоростью и с дальнейшей задержкой индентора в образце. Так происходит выдержка материала под нагрузкой и, после отвода индентора в обратном направлении, фиксируются значения максимальной нагрузки и соответствующего смещения.

Но, результаты измерений, могут быть не совсем корректными в силу шероховатости поверхности образца, остаточных напряжений и так называемого «эффекта подложки», который указывает на то, что отклик материала при исследованиях зависит как от свойств пленки, так и от свойств подложки.

Также, существует так называемый метод склерометрии, когда на поверхность образца наносятся царапины, с последующим сканированием. Для того, чтобы провести данное исследование, сначала необходимо откалибровать алмазный наконечник на эталонном образце, что осуществляется путем нанесения ряда царапин при различном усилии. В дальнейшем, твердость образца сравнивается с эталонной по зависимостям приложенных нагрузок и полученных ширинах царапин.

Роль СЗМ играет тот же самый алмазный наконечник, с помощью которого осуществляется нанесение царапин. Это является существенным преимуществом с точки зрения временных затрат при проведении исследований.

Такой метод является очень удобным, по сравнению с методами вдавливания при измерении твердости тонких пленок в наномасштабе. Он позволяет определить сразу несколько параметров тонких пленок в пределах одного исследовании: отслоение пленки, ее деламинацию. Также СЗМ позволяется свести к минимуму влияние преобладающих упругих деформаций, что характерно для методов вдавливания[].

2.5.2 Измерение температурной зависимости механических свойств

Если необходимо определить механические свойства материала при повышенных температурах, используют специальный предметный столик с контроллером температуры нагрева. Такой столик способен нагреть образец до 400 °С с точностью 0,1 °С. Такой режим позволяет определить твердость, изоносостойкость, и ряд других характеристик при определенной температуре [].

Характерные размеры образца для температурных исследований с помощью «НаноСкан» составляют 25 х 25 х 10 мм.

В качестве примера экспериментальной зависимости механических свойств материала от температуры на рисунке, (а), (б) представлены графики зависимостей твердости и модуля упругости от температуры для полиметилметакрилата (ПММА) при нагреве до 140 °С [].

Измерение температурной зависимости механических свойств

Рисунок 2.9 – Зависимость твердости и модуля упругости ПММА от температуры (а); Зависимость нагрузка-перемещение при температуре 30 °C и 100 °C, полученные на образце ПММА (б)

2.5.3 Отображение рельефа поверхности

Нанотвердомеры Нано Скан способны выдавать техмерные снимки рельефа поверхности исследуемых образцов методом СЗМ. Анализ осуществляется в полуконтактном режиме самим индентором путем совершения резонансных колебаний на частоте F ~10 кГц и с амплитудой A <50 нм. В процессе анализа поверхности материала поддерживается постоянной частота F или амплитуда A колебаний.

Если мы осуществляем сканирование поверхности по частоте, то необходимым условием проведения измерений в таком режиме является обеспечение жесткой области контакта алмазного наконечника с поверхностью образца. Для такого режима подходят материалы с высокой твердостью и модулем упругости. Также, при данном режиме, практически отсутствует влияние загрязнений на поверхность материала.

Если же сканирование производится по амплитуде, то необходимо осуществлять постоянный вязкий контакт алмазного индентора в поверхность, это делается для исследования мягких образцов [].

2.5.4 Механическая нанолитография

Приборы серии «НаноСкан» предоставляют широкие возможности для прецизионной механической микрообработки и нанолитографии. Использование алмазных инденторов позволяет резать практически любой из известных материалов. Контролируя усилие прижима в процессе резания с разрешением от 10 мкН можно устойчиво получать царапины шириной от 100 нм и глубиной в несколько нанометров. При этом максимальная глубина царапины может достигать несколько микрометров за счет использования прецизионных пьезокерамических нанопозиционеров и механических линейных трансляторов точность позиционирования алмазного индентора достигает 10 нм в поле 100х100 мкм и около 100 нм в поле 100 х100 мм.

Результат микрообработки поверхности может быть проконтролирован тем же алмазным индентором путем сканирования в режиме зондового микроскопа или с помощью цифрового оптического микроскопа.

Режим механической нанолитографии может использоваться для создания регулярных структур на поверхности, удаления окисных пленок, освобождения от покрытий в заданных областях, корректировки геометрии элементов микроэлектроники, а также микромеханических систем (МЭМС).

2.5.5 Иcследование многофазных материалов

Исследование свойств многофазных материалов подразумевает точное позиционирование индентора в заданных областях поверхности, соответствующих отдельным составляющим компонентам. Сканирующий нанотвердомер «НаноСкан» объединяет в себе функции сканирующего зондового микроскопа и твердомера. Возможности прибора позволяют получать трехмерное изображение рельефа поверхности многофазного образца и затем с привязкой к полученному изображению точно указать места измерений. Точность позиционирования индентора относительно поверхности при измерении составляет порядка 100 нм в плоскости XY.

Экспериментальная часть

3.1 Изучение технологии пробоподготовки образцов для проведения исследований механических свойств

3.1.1 Требования, предъявляемые к образцам, исследуемых на микро-твердость

1) Толщина образца (или изделия) должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основного усилия

2) Шероховатость поверхности образца (или участки для измерения твердости изделия) должна быть не более 2,5 мкм, если нет других указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию.

3) Образец должен быть подготовлен таким образом, чтобы не изменялись его свойства в результате механической или другой обработки, например, от нагрева или наклепа.

4) Испытуемое изделие (образец) не должно смещаться при измерении твердости.

5) Выбор индентора, нагрузки, минимальной толщины изделия (образца) и продолжительности выдержки производится исходя из материала изделия, ожидаемой твердости и толщины изделия в месте измерения твердости.

6) Для металлов с твердостью по Бринеллю 343 МПа (35 кгс/мм2) расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметров отпечатка, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка.

7) Для металлов с твердостью по Бринеллю 343 МПа (35 кгс/мм2) расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее трех диаметров отпечатка, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее шести диаметров отпечатка [9].

3.1.2 Требования, предъявляемые к образцам, исследуемых на адгезионную стойкость

Отбор, этикетирование и хранение проб, а также подготовка соответствующей документации должны проводиться квалифицированным персоналом. После выбора чистого пробоотборника подходящего типа и размера взятие проб должно производиться с соблюдением соответствующих норм и требований техники безопасности, выполнение которых позволяет свести опасные выделения к минимуму.

Используемый метод отбора проб должен учитывать, как физические, так и химические свойства испытываемого материала, например, его чувствительность к свету и окисление, склонность к возникновению поверхностных реакций (образование поверхностной пленки), а также его гигроскопические, физиологические и токсикологические характеристики.

Хранение проб, включая контрольные пробы, должно соответствовать требованиям к управлению качеством, касающимся этикетирования, оперативного контроля и продолжительности хранения [10].

3.1.3 Требования, предъявляемые к выбору клея

Особое внимание требуется при выборе подходящих клеев для использования в испытании. Чтобы получить разрушение покрытия, важно, чтобы когезинные и связующие свойства данного клея были лучше, чем у испытуемого покрытия.

Чтобы определить пригодность клея, необходимо предварительно просмотреть перечень. Подходящие клеи, и, если применимы, их несмешанные компоненты не должны вызывать видимых изменений покрытия в течение периода, равного времени затвердевания этого клея.

Предпочтительно использовать клеем, дающие самые высокие результаты, что означает наибольшее разрушение связующего вещества системы покрытие/поверхность.

В большинстве случаев цинокрилат, двухкомпонентный эпоксид без растворителя и катализированные пероксидом полиэфирные клеи считают подходящими. В конкретных испытаниях в условиях повышенной влажности время затвердевания клея должно быть максимально коротким. Применение двухкомпонентного быстросохнущего эпоксидного клея предпочтительно в таких ситуациях [10].

Основные выводы по работе

В ходе работы была изучена литература по реализации методов исследования физико-механических свойств материалов

• Были рассмотрены перспективы использования данных технологий

• Были рассмотрены общие сведения об углеродных нанотрубках

• Были рассмотрены основные этапы подготовки поверхности образца

• Были изучены общие принципы работы приборов, используемых для реализации данных технологий

Уникальность
64
Loading...