Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц



Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц
Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц
Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц
Способ определения модуля упругости юнга материала микро- и наночастиц

 


Владельцы патента RU 2494038:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем вдавливания индентора в поверхность образца с заданной нагрузкой, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга. Сущность: совместно используют экспериментальное вдавливание индентора и компьютерное моделирование вдавливания индентора методом конечных элементов. Проводят экспериментальное сканирование поверхности частицы, вдавливание индентора в наночастицу заданной силой и определение по упругой составляющей экспериментальной глубины проникновения индентора. Осуществляют генерацию электронной геометрической модели наночастицы, формируют и решают методом конечных элементов контактную задачу вдавливания индентора в частицу в серии экспериментов при постоянном усилии индентирования. Путем варьирования значением модуля упругости добиваются нулевой разницы между экспериментальной и расчетной глубиной проникновения индентора, определяют модуль упругости частицы, соответствующей нулевой разнице расчетной и экспериментальной глубин. Технический результат: разработка способа определения модуля упругости материала микро- и наночастиц произвольной формы. 4 ил.

 

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем вдавливания индентора в поверхность образца с заданной нагрузкой, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга (ниже модуль упругости).

Известен способ определения модуля упругости [Способ определения модуля упругости Юнга материалов, пат. 2292029 Рос. Федерация: МПК G01IN 3/08 Вахрушев А.В., Липанов A.M., Шушков А.А., заявитель и патентообладатель Ижевск, ин-т прикладной механики. - №2005114036/28; заявл. 06.05.2005; опубл. 20.01.2007, Бюл. №2. 6 с.: ил.6], основанный на том, что проводят экспериментальное сжатие шарообразной наночастицы сосредоточенной силой, вычисляют перемещение в точке действия силы на наночастицу; проводят расчет зависимости перемещений от радиуса наночастицы при ее сжатии сосредоточенными силами с помощью компьютерного эксперимента методом молекулярной динамики; сравнивают экспериментальную зависимость перемещения в точке действия силы на наночастицу и зависимость перемещений от радиуса наночастицы, полученную с помощью компьютерного эксперимента с аналитическим решением зависимости перемещений от радиуса упругого шара, сжимаемого сосредоточенными силами, приложенными в противоположные концы диаметра для справочных значений модуля упругости и коэффициента поперечных деформаций исследуемого материала; изменяя модуль упругости, находят такие его значения, при которых совпадают экспериментальная зависимость перемещения в точке действия силы на наночастицу и полученная с помощью компьютерного моделирования зависимость перемещений от радиуса наночастицы с аналитической зависимостью перемещений от радиуса упругого шара, сжимаемого сосредоточенными силами; вычисляют модуль упругости как среднеарифметическое значение, полученное из двух сравнений.

Недостатком указанного способа определения модуля упругости является его применимость только к частицам шарообразной формы.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип [Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Detemining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // J. Mater. Res. 1992. №7 (6). P.1564-1583], является способ определения модуля упругости, основанный на непрерывной регистрации параметров процесса вдавливания жесткого наконечника правильной формы (пирамидального индентора), глубины его погружения в материал и скорости нагружения. Определяют податливость контакта, пропорциональной тангенсу в точке приложения максимальной нагрузки и площадь контакта индентора с образцом. Рассчитывают приведенный модуль упругости, после чего определяют модуль упругости исследуемого образца материала, исходя из известных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона алмазного индентора.

Недостатками указанного способа определения модуля упругости являются: неточность в определении контактной площади индентора с образцом из-за выдавливания или вдавливания материала вокруг отпечатка индентора, индентор должен вдавливаться только в плоскость.

Задача изобретения - устранение указанных недостатков, а именно разработка способа определения модуля упругости материала микро- и наночастиц произвольной формы.

Решение данной задачи разбивается на два этапа: этап стендовых испытаний, этап численных исследований и анализа их результатов.

Этап стендовых испытаний состоит в следующем: производится напыление частиц материала (наноаэрозоля) на рабочую поверхность подложки; осуществляется сканирование и проводится оцифровка точек поверхности с находящимися на них микро- или наночастицами; выполняется позиционирование подложки и индентора любой формы (из набора стендового инструментария) на отсканированную область в районе максимального возвышения (вершины), выбранной для исследования частицы; производится запись данных позиционирования наконечника индентора относительно подложки; осуществляется вдавливание индентора в частицу с силой, воздействие которой заведомо не приводит к превышению порога перехода упругой деформации в пластическую деформацию для тестируемого материала (таким образом, вся деформация материала, произведенная индентором, является обратимой); фиксируются соответствующие значения нагрузки F и глубины вдавливания наконечника индентора в частицу hэксп.

Этап численных исследований и анализа их результатов заключается в следующем: на основании данных оцифровки поверхности исследуемой частицы, а также данных позиционирования индентора и геометрии его контактных поверхностей последовательно генерируются компьютерная электронная геометрическая модель и расчетная конечно-элементная модель области исследования; методом конечных элементов (МКЭ) проводится численное решение контактной задачи вдавливания наконечника индентора в частицу с определением глубины вдавливания hмкэ (расчет ведется исходя из известных значений формы и упругих констант индентора, коэффициента поперечной деформации материала частицы, а также экспериментальной силы индентирования F); по результатам серии численных экспериментов (при фиксированном значении силового воздействия F и с варьированием при каждом расчете величины модуля упругости Е) строится экспериментальная кривая зависимости E(Δh), где Δh=hмкэ-hэксп; на основании полученной зависимости Е(Δh)c помощью аппроксимации при Δh=0 находим значение модуля упругости Е исследуемой частицы.

Таким образом, определяем модуль упругости образца материала микро- и наночастиц.

На фиг.1 представлен отсканированный и оцифрованный участок поверхности частицы наноаэрозоля до проведения испытаний индентированием в точку 1. Вид сверху.

На фиг.2 представлена электронная геометрическая модель исследуемой частицы наноаэрозоля, наконечника индентора и подложки (стекла).

На фиг.3 представлена зависимость прикладываемой силы от глубины внедрения индентора в образец (нагрузка).

На фиг.4 представлена экспериментальная кривая зависимости Е(Δh), для нагрузки индентирования 1 мН. При Δh=0 значение модуля упругости E(Δh) соответствует значению модуля исследуемой частицы.

Заявленный в качестве изобретения способ реализовывался с использованием комплексной системы измерения физико-механических характеристик Nanotest 600 [http://www.micromaterials.co.uk] следующим образом: исследуемым материалом микро- и наночастиц в описании примера являлся наноаэрозоль; сканирование поверхности стекла (подложки) с нанесенными микро- и наночастицами производилось с минимальной нагрузкой сканирования 0.01 мН и заданным шагом сканирования - 0.05 мкм; в эксперименте использовался индентор Берковича с модулем упругости Е=1141 ГПа и коэффициентом поперечной деформации ν=0.07; позиционирование подложки относительно наконечника индентора осуществлялось при помощи пьезодвигателей; экспериментальное вдавливание индентора в исследуемую микро- или наночастицу производилось с силой F=1 мН; была определена глубина вдавливания индентора hэксп=0.085279 мкм; была проведена серия численных решений методом конечных элементов контактной задачи внедрения наконечника индентора в вершину исследуемой частицы с формированием экспериментальной зависимости Е(Δh); для исследуемой локальной частицы путем аппроксимации полученной зависимости при Δh=0 определен модуль упругости Ечастицы=5.1*1010 Па.

Благодаря предложенному способу стало возможным определять модуль упругости материала микро- и наночастиц любой геометрической формы.

Способ определения модуля упругости Юнга материала микро- и наночастиц путем совместного использования экспериментального вдавливания индентора и компьютерного моделирования вдавливания индентора методом конечных элементов, отличающийся тем, что проводят экспериментальное сканирование поверхности частицы, вдавливание индентора в наночастицу заданной силой, определение по упругой составляющей экспериментальной глубины проникновения индентора, генерацию электронной геометрической модели наночастицы, формируют и решают методом конечных элементов контактную задачу вдавливания индентора в частицу, в серии экспериментов при постоянном усилии индентирования путем варьирования значением модуля упругости добиваются нулевой разницы между экспериментальной и расчетной глубиной проникновения индентора, определяют модуль упругости частицы, соответствующей нулевой разнице расчетной и экспериментальной глубин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике испытания твердых материалов на микротвердость. .

Изобретение относится к устройствам для исследования или анализа материалов путем определения их твердости и может быть использовано для определения физико-механических характеристик растущих деревьев, пиломатериалов, деревянных строительных конструкций и т.п.

Изобретение относится к технике контроля и исследования материалов и изделий и может быть использовано для определения параметров рельефа поверхности и механических характеристик материалов с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для оценки твердости почвы. .

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройствам для определения механических свойств горных пород. .

Изобретение относится к способам определения показателей механических свойств монолитных образцов, в том числе образцов горных пород, и может быть использовано при определении сцепления образцов как из искусственных, так и природных материалов.

Изобретение относится к технике контроля материалов и изделий и может быть использовано для измерения параметров рельефа поверхности и механических характеристик материалов с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением.

Изобретение относится к строительству и машиностроению. .

Изобретение относится к способу определения контактной жесткости тел и может быть использовано в автомобилестроении в качестве метода определения жесткости элементов конструкции, в том числе тонкостенных элементов.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения нанопорошков плазмохимическим методом. Композиционный нанопорошок включает частицы, состоящие из ядра, состоящего из слоев карбонитрида титана и нитрида титана, и оболочки, состоящей из слоя никеля, при следующем соотношении слоев ядра и оболочки, мас.%: TiCxNy, где 0,28≤x≤0,70; 0,27≤y≤0,63; - 24-66; TiN0,6 - 30-67; Ni - 4-9.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к технологии получения нанопорошка карбида кремния. Может применяться для изготовления абразивных и режущих материалов, конструкционной керамики и кристаллов для микроэлектроники, катализаторов и защитных покрытий.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к измельчению частиц различных веществ. Устройство содержит корпус с приемной камерой, снабженной периферийным патрубком подвода измельчаемых частиц и соосно соединенными сверхзвуковым соплом и патрубком подачи рабочего газа, камеру смешения, диффузор, сепарирующий элемент, расположенное соосно в сопле непосредственно за критическим сечением сверхзвукового сопла регулировочное тело, выполненное в виде конуса или иглы, при этом внутренняя поверхность сопла имеет шероховатости, высота которых составляет 0,1-0,6 от диаметра узкой части сопла.

Изобретение относится к химико-фармацевтической промышленности и представляет собой способ приготовления биологически активной дисперсной системы, представляющей собой наножидкость на основе наночастиц оксида железа (II, III).
Изобретение может быть использовано в строительстве для армирования бетонных, кирпичных и каменных конструкций. Композиция содержит стеклянный или базальтовый ровинг в количестве 90÷100 вес.ч., пропитанный полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы в количестве 18÷20 в.ч.
Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано для производства сплавов на основе алюминия, например, силуминов, применяемых в авиастроении, ракетной технике, машиностроении и других отраслях промышленности.
Изобретение может быть использовано при изготовлении глазурей, термостойких красок и эмалей, наполнителей полимеров, для объемного и поверхностного декорирования строительной керамики и фарфорово-фаянсовых изделий.

Изобретение может быть использовано в электронике, солнечной энергетике, атомной промышленности, гетероструктурной электронике, машиностроении, металлургии. Пековый кокс прокаливают при 1200-1300°С в течение 2-3 часов.

Группа изобретений может быть использована в химической промышленности. В реактор, содержащий корпус 1, на внешней стороне которого расположены нагревательные элементы 2 и теплоизоляция, загружают твердый дисперсный катализатор.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов ниобата лития с бидоменной структурой, применяемых в устройствах нанотехнологии и микромеханики. .

Изобретение относится к области исследования физических свойств металлов и сплавов, а именно к анализу пластических свойств тонких пленок аморфно-нанокристаллических многокомпонентных металлических сплавов (АНКМС) после их перехода из одного состояния в другое в результате термической обработки. Сущность: осуществляют термическую обработку образцов в заданном температурном интервале и их последующее охлаждение, крепление их на металлической подложке, покрытой со стороны образца полимерным композитным материалом, микроиндентирование образцов четырехгранной пирамидкой с нагрузкой, скоростью и временем воздействия на образец до появления трещин в виде фигур, близких к вложенным квадратам, и расчет коэффициента пластичности исследуемого образца пленки. Дополнительно определяют среднее расстояние и минимальное среднее расстояние между соседними трещинами соответствующих сторон квадратов, а коэффициент пластичности находят из выражения ε=(d-h)/h. Технический результат: повышение точности расчетов коэффициента пластичности. 3 ил.
Наверх