Способ определения вязкости и модуля упругости наноиндентированием полимерного или биологического материала

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И МОДУЛЯ УПРУГОСТИ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЕМ ПОЛИМЕРНОГО ИЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Рудницкий Валерий Аркадьевич Крень Александр Петрович Чижик Сергей Антонович Абетковская Светлана Олеговна(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения вязкости и модуля упругости наноиндентированием полимерного или биологического материала, заключающийся в том, что проводят двукратное вдавливание жесткого индентора в испытуемый образец с постоянными скоростями 1 и 2, Фиг. 1 12993 1 2010.04.30 причем 2 меньше 1, регистрируют диаграммы вдавливания индентора в виде зависимости значений контактной силыот глубины вдавливания индентора , задают значения глубины вдавливания индентора зад, определяют по записанным диаграммам значения контактных сил Р 1 и Р 2, соответствующие зад, и определяют вязкостьи модуль упругостив соответствии с выражениями 12 Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к измерению вязкости и модуля упругости полимеров или биологических материалов и может использоваться в промышленности и медицине при создании новых видов полимеров, при определении свойств существующих полимеров или биологических тканей. Известен способ определения модуля упругости, основанный на квазистатическом(медленном) вдавливании индентора в материал, регистрации контактного усилияи перемещения индентораи вычислении модуля упругости по наклону прямой, построенной в координатах - (где- показатель степени, зависящий от формы индентора) 1. Недостатком является ограниченная информативность способа, поскольку здесь измеряется только один параметр материала - равновесный модуль упругости . Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения модуля упругости и вязкости, заключающийся в нанесении однократного удара индентором по испытуемому материалу, регистрации изменения текущих значений контактных усилий,глубины вдавливания и скорости индентора, расчете упругой и вязкой составляющей контактного усилия по которым судят о модуле упругости и вязкости вязкоупругого материала 2. Недостатком этого способа является невозможность реализации ударного взаимодействия индентора в наномасштабном диапазоне значений сил и перемещений, а также зависимости модуля упругости и вязкости от предударной скорости. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что с целью повышения информативности наномасштабного определения вязкости и модуля упругости полимерных или биологических материалов по параметрам вдавливания жесткого индентора производят двукратное вдавливание индентора в одну и ту же точку испытуемого образца с постоянными скоростями 1 и 2, причем 2 меньше 1. Записывают диаграммы зависимостей контактной силыот глубины вдавливания . Задаются значением глубины вдавливания зад. Определяют по записанным диаграммам значения контактных усилий Р 1 и Р 2, соответствующих глубине вдавливания зад, и определяют вязкость по формуле 12, зад (12 ) а модуль упругости по формуле 4 1 зад 1 12 12993 1 2010.04.30 Положительный эффект предлагаемого способа заключается в возможности измерений характеристик вязкоупругих материалов на наномасштабном уровне вследствие использования таких режимов нагружения, которые позволили применить известные эмпирические зависимости для макроуровневых значений сил и перемещений в виде зависимости контактной силыот глубины вдавливанияк наномасштабным измерениям. На фиг. 1 схематично представлено устройство для реализации способа. На фиг. 2 приведены диаграммы вдавливания индентора. Устройство для реализации способа (фиг. 1) состоит из индентора 1, закрепленного на конце микроконсоли 2 с известной жесткостью С, вторым концом соединенной с корпусом 3, лазерного измерителя прогиба 4 микроконсоли 2, пьезоэлектрического механизма перемещения 5, предметного столика 6. Испытуемый образец обозначен позицией 7. Согласно предлагаемому способу, определение вязкости и модуля упругости происходит следующим образом. С помощью механизма перемещения 5 производят подъем предметного столика 6 с испытуемым образцом 7 со скоростью 1 и с момента соприкосновения индентора 1 с испытуемым образцом 7 регистрируют величину этого перемещения . При этом происходит вдавливание индентора 1 в испытуемый образец 7, текущая глубина вдавливания которогоопределяется разностью между перемещениеми прогибоммикроконсоли 2. Определяют текущие значения контактного усилияпутем умножения прогибамикроконсоли 2 на известную жесткость С микроконсоли 2. После этого отводят предметный столик 6 с испытуемым образцом 7 в исходное положение и производят повторный подъем предметного столика 6 с испытуемым образцом 7 со скоростью 2 меньшей, чем 1, фиксируя текущие значения глубины вдавливанияи контактной силы , как и при предыдущем нагружении. Для конкретного примера испытания образца из полиуретана при скоростях переменН нН и 20,459(фиг. 2) показаны диаграммы вдавливащения индентора 10,834 мс мс ния в виде зависимости контактной силыот глубины вдавливания . Зададимся значением глубины вдавливания зад 60 нм, и по зависимостямопределим значения 1940 нН и 2575 нН и далее вязкость по формуле 12, зад (12 ) а модуль упругости по формуле 4 1 зад 1 12, 3 2 3 зад где-коэффициент Пуассона.- радиус индентора. Для низкомодульных полимеров коэффициент Пуассонапринимается равным 0,5 3. Подставляя значения зад, Р 1 и Р 2 в формулы для вязкости и модуля упругости, получим 16,2 МПас,48,38 МПа. Предлагаемый способ позволяет определять в наномасштабном диапазоне значений сил и перемещений с достаточной для практики точностью два основных механических параметра полимерных и биологических материалов - вязкость и модуль упругости,вследствие учета различной реакции материала на механическое воздействие, производимое индентором с различной скоростью нагружения. 12993 1 2010.04.30 Источники информации 1.. 6247355. ,.. 2. Крень А.П., Рудницкий В.А., Дейкун И.Г. Определение вязкоупругих параметров резин методом динамического индентирования с использованием нелинейной модели деформирования // Каучук и резина. - 2004. - 6. - С. 19-23. 3..,,- ,1961. - 535 . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4