Зонд для измерения механических характеристик материалов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Чижик Сергей Антонович Чикунов Владислав Валентинович Худолей Андрей Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Зонд для измерения механических характеристик материалов, содержащий резонатор, выполненный в форме камертона, состоящий из пьезоэлектрических электродов, разделенных между собой разделительным электродом, индентор, размещенный на конце одного из пьезоэлектрических электродов, управляемый источник напряжения, подключенный к разделительному электроду, схему возбуждения и детектирования, подключенные раздельно к пьезоэлектрическим электродам, отличающийся тем, что на конце другого пьезоэлектрического электрода размещен дополнительный индентор, причем контакт индентора или дополнительного индентора с поверхностью обеспечивают путем перезакрепления зонда в держателе сканирующего зондового микроскопа, а схемы детектирования и возбуждения подключены к пьезоэлектрическим электродам через дополнительно введенный блок управления. 2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный индентор выполнен в форме шара. 3. Зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что контакт индентора или дополнительного индентора с поверхностью обеспечивают автоматически. 46762008.10.30 Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к зондам для измерения механических характеристик материалов, и может быть использована для определения механических (твердость, модуль упругости) и трибологических (коэффициент трения, износ) свойств материалов. Известно устройство для исследования механизма трения в нанотрибоконтактах путем моделирования процесса взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа с атомарногладкой поверхностью образца в режиме измерения латеральных сил для визуализации эффекта прилипания-скольжения, реализуемого на механизме маятникового типа с имитацией атомов образца магнитами, обладающими вертикальной степенью свободы 1. Существенным недостатком известной конструкции является отсутствие возможности исследования механических характеристик в зоне нанотрибоконтакта и изучения механизма трения посредством прямых измерений. Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство(зонд) для измерения механических характеристик материалов в виде резонатора, выполненного в форме камертона, состоящего из двух внешних и одного разделительного пьезоэлектрических электродов, с закрепленным на одном из внешних электродов индентором,нагружаемым, подводимым и отводимым от поверхности за счет изгиба разделительного электрода, и снабженным управляемым источником напряжения, схемой детектирования и возбуждения 2. Для проведения измерений к пьезоэлектрическому стержню без индентора подключают схему возбуждения, разделительный электрод к управляемому источнику напряжения, а пьезоэлектрический стержень с закрепленным индентором к схеме детектирования. Далее схемой возбуждения приводят в вынужденные колебания пьезоэлектрический электрод без индентора, при этом электрод с индентором начинает свободно колебаться, затем подводят индентор к поверхности и нагружают его посредством подачи напряжения на разделительный электрод от управляемого источника напряжения,при этом схемой детектирования фиксируют изменения частоты и амплитуды колебаний индентора, по которым определяют механические характеристики (твердость, модуль упругости) исследуемого материала. Основное достоинство устройства заключается в обеспечении возможности определения механических характеристик материала на основе прямых измерений для нано- и субмикронных структурных уровней объекта. Недостатком известной конструкции зонда является то, что колебания индентора совпадают с направлением действия прижимной силы, в результате чего основная часть энергии колебаний резонатора, подводимой к поверхности объекта, затрачивается на деформирование материала образца, а не на преодоление фрикционной нагрузки, что не позволяет использовать указанную конструкцию зонда для определения трибологических(коэффициент трения, износ) характеристик материалов. Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей зонда за счет обеспечения дополнительной возможности проведения трибологических измерений (коэффициент трения, износ) характеристик материалов. Задача решается следующим образом. В известном зонде для измерения механических характеристик материалов, содержащем резонатор, выполненный в форме камертона, состоящий из пьезоэлектрических электродов, разделенных между собой разделительным электродом, индентор, размещенный на конце одного из пьезоэлектрических электродов,управляемый источник напряжения, подключенный к разделительному электроду, схему возбуждения и детектирования, подключенные раздельно к пьезоэлектрическим электродам, согласно предлагаемому техническому решению, на конце другого пьезоэлектрического электрода размещен дополнительный индентор, причем контакт индентора или дополнительного индентора с поверхностью обеспечивают путем перезакрепления зонда в держателе сканирующего зондового микроскопа, а схемы детектирования и возбуждения подключены к пьезоэлектрическим электродам через дополнительно введенный блок 2 46762008.10.30 управления, обеспечивающий переподключение схем детектирования и возбуждения. Кроме того, дополнительный индентор выполнен в форме шара, а контакт индентора или дополнительного индентора с поверхностью может производиться автоматически. Так как зонд представляет собой колебательный контур, то наличие инденторов на обоих концах пьезоэлектрических электродов уравновешивает систему по массе, что в целом улучшает работу резонатора. Перезакрепление зонда в держателе сканирующего зондового микроскопа обеспечивает работу зонда в двух режимах измерение механических характеристик материалов, реализуемое колебаниями индентора в направлении прижимной силы его к поверхности, и измерение трибологических характеристик материалов,реализуемое посредством возвратно-поступательных колебаний дополнительного индентора вдоль поверхности объекта. Так как предлагаемый зонд имеет два индентора, то для проведения различных измерений необходимо помимо перезакрепления осуществлять переподключение схем детектирования и возбуждения для пьезоэлектрических электродов,таким образом, чтобы схема детектирования была подключена к пьезоэлектрическому электроду, индентор которого используется для контакта с поверхностью объекта, а схема возбуждения - к другому пьезоэлектрическому электроду. Функцию переподключения схем детектирования и возбуждения в предлагаемой конструкции зонда выполняет дополнительно введенный блок управления. При выполнении трибологических испытаний для увеличения площади контакта до субмикронного и микронного размера дополнительный индентор выполняют в форме шара. Для упрощения процедуры перезакрепления зонда в держателе сканирующего зондового микроскопа используют поворотный механизм микроскопа, в результате чего контакт индентора или дополнительного индентора с поверхностью объекта производится автоматически. На фиг. 1 показан общий вид зонда для измерения механических характеристик материалов, показывающий позицию для измерения механических характеристик (твердость,модуль упругости) материалов. На фиг. 2 показан общий вид зонда для измерения механических характеристик материалов, показывающий позицию для измерения трибологических (коэффициент трения,износ) характеристик материалов. Зонд состоит из пьезоэлектрических электродов 1 и 2, образующих камертон, закрепленный в держателе 3 сканирующего зондового микроскопа (не показан) за разделительный электрод 4. Индентор 5 размещен на конце пьезоэлектрического электрода 1, а дополнительный индентор 6 размещен на конце пьезоэлектрического электрода 2. Разделительный электрод 4 подключен к управляемому источнику напряжения 7, который обеспечивает перемещение разделительного электрода 4. Схемы детектирования 8 и возбуждения 9 подключены к пьезоэлектрическим электродам 1 и 2 через дополнительно введенный блок управления 10, осуществляющий переподключение схем детектирования 8 и возбуждения 9 к пьезоэлектрическим электродам 1 и 2. Индентор 5 или дополнительный индентор 6 контактирует с поверхностью объекта 11. Зонд работает следующим образом. При измерении механических характеристик поверхности объекта 11 (фиг. 1) зонд закрепляют в держателе 3 сканирующего зондового микроскопа. К разделительному электроду 4 подключают управляемый источник напряжения 7. Блоком управления 10 к пьезоэлектрическому электроду 1 с индентором 5 подключают схему детектирования 8, а к пьезоэлектрическому электроду 2 с дополнительным индентором 6 - схему возбуждения 9. Далее осуществляют схемой возбуждения 9 вынужденные колебания пьезоэлектрического электрода 2, что приводит в колебательное движение пьезоэлектрический электрод 1 с индентором 5, после чего индентор 5 прижимают к исследуемому участку поверхности объекта 11 путем подачи напряжения на разделительный электрод 4 от управляемого источника напряжения 7, в результате чего часть энергии колебаний индентора 5 расходуется на деформирование материала в локальной зоне объекта 11, что приводит к изменению параметров колебания пьезоэлектри 3 46762008.10.30 ческого электрода 1 с индентором 5, которое фиксируется схемой детектирования 8, затем на основании выполненных измерений амплитуды и частоты колебаний индентора 5 и силы его прижатия определяют твердость и модуль упругости материала. При измерении трибологических характеристик поверхности объекта 11 (фиг. 2) зонд перезакрепляют в держателе 3 сканирующего зондового микроскопа. Причем процесс перезакрепления зонда может производиться в автоматическом режиме посредством использования поворотного механизма (на фиг. 1 и 2 не показан) сканирующего зондового микроскопа. Блоком управления 10 к пьезоэлектрическому электроду 2 с дополнительным индентором 6 подключают схему детектирования 8, а к пьезоэлектрическому электроду 1 с индентором 5 - схему возбуждения 9. Далее осуществляют схемой возбуждения 9 вынужденные колебания пьезоэлектрического электрода 1, что приводит в колебательное движение пьезоэлектрический электрод 2 с дополнительным индентором 6, после чего дополнительный индентор 6 прижимают к исследуемому участку поверхности объекта 11 путем подведения поверхности объекта 11 механизмом позиционирования (на фиг. 1 и 2 не показан) сканирующего зондового микроскопа, в результате чего дополнительный индентор 6 скользит возвратно-поступательно по поверхности, поэтому большая часть энергии колебаний дополнительного индентора 6 расходуется на преодоление сил трения и износ материала поверхности объекта 11, что, в свою очередь, приводит к изменению параметров колебания пьезоэлектрического электрода 2 с дополнительным индентором 6,которое фиксируется схемой детектирования 8, затем на основании выполненных измерений амплитуды и частоты колебаний дополнительного индентора 6 и силы его прижатия определяют коэффициент трения и величину износа поверхности объекта 11. Таким образом, предлагаемая конструкция зонда расширяет его функциональные характеристики за счет обеспечения возможности измерения как механических (модуль упругости, твердость), так и трибологических (коэффициент трения, износ) характеристик материалов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4