Зонд для измерения механических и трибологических характеристик материалов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Чижик Сергей Антонович Во Тхань ТунгХудолей Андрей ЛеонидовичЧикунов Владислав Валентинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Зонд для измерения механических и трибологических 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, дополнительный индентор, размещенный на конце другого пьезоэлектрического электрода, управляемый источник напряжения, подключенный к разделительному электроду, схему возбуждения и детектирования, которые подключены к пьезоэлектрическим электродам через блок управления,обеспечивающий переподключение схем детектирования и возбуждения, причем контакт индентора или дополнительного индентора с поверхностью обеспечивают путем перезакрепления зонда в держателе сканирующего зондового микроскопа, отличающийся тем,что управляемый источник напряжения подключен к блоку управления, а блок управления дополнительно подключен к сканирующему зондовому микроскопу. 53682009.06.30 Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к зондам для измерения механических и трибологических характеристик материалов, и может быть использована для изучения свойств и структуры материала на нано- и субмикронном уровне на приборах типа сканирующего зондового микроскопа. Известно устройство 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 1. Такая конструкция позволяет проводить измерения и получать данные о твердости и модуле упругости различных материалов. Существенным недостатком известной конструкции является отсутствие возможности измерения трибологических (коэффициент трения, износ) свойств материалов. Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является зонд для измерения механических и трибологических характеристик материалов с двумя инденторами,выполненный (зонд) в форме камертона, состоящий из пьезоэлектрических электродов,разделенных между собой разделительным электродом, индентор, размещенный на конце одного из пьезоэлектрических электродов, дополнительный индентор, размещенный на конце другого пьезоэлектрического электрода, управляемый источник напряжения, подключенный к разделительному электроду, схему возбуждения и детектирования, которые подключены к пьезоэлектрическим электродам через блок управления, обеспечивающий переподключение схем детектирования и возбуждения. Конструктивно зонд обеспечивает работу в двух позициях - одну для измерения механических характеристик материала и другую для измерения трибологических характеристик материала. Смену позиций зонда производят путем его перезакрепления в держателе сканирующего зондового микроскопа,при этом обеспечивается контакт индентора или дополнительного индентора с поверхностью и выполняются различные типы измерений индентором осуществляют измерения механических характеристик материала, а дополнительным индентором - измерения трибологических характеристик материала 2. Основное достоинство устройства заключается в обеспечении возможности определения как механических, так и трибологических (коэффициент трения, износ) характеристик материала на основе прямых измерений для нано- и субмикронных структурных уровней материала. Недостатком известной конструкции зонда является сложность поддержания постоянной амплитуды колебаний пьезоэлектрического электрода с дополнительным индентором в режиме измерения механических характеристик материала и обеспечения постоянной величины прижимной силы дополнительного индентора при выполнении трибологических измерений, что приводит к потере точности измерений в процессе сканирования поверхности материала зондом сканирующего зондового микроскопа. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности проводимых измерений механических и трибологических характеристик материала при сканировании поверхности материала зондом сканирующего зондового микроскопа. Задача решается следующим образом. В известном зонде для измерения механических и трибологических 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, дополнительный индентор, размещенный на конце другого пьезоэлектрического электрода, управляемый источник напряжения, подключенный к разделительному электроду, схему возбуждения и детектирования, которые подключены к пьезоэлектрическим электродам через блок управления, обеспечивающий переподключение схем детектирования и возбуждения, причем контакт индентора или дополнительного 2 53682009.06.30 индентора с поверхностью обеспечивают путем перезакрепления зонда в держателе сканирующего зондового микроскопа согласно предлагаемому техническому решению,управляемый источник напряжения подключен к блоку управления, а блок управления дополнительно подключен к сканирующему зондовому микроскопу. При измерении механических характеристик поверхности материала подключение управляемого источника к блоку управления позволяет реализовать функцию автоматического поддержания постоянной амплитуды колебаний пьезоэлектрического электрода с дополнительным индентором за счет изменения величины напряжения на разделительном электроде в автоматическом режиме, в свою очередь, подключение блока управления к сканирующему зондовому микроскопу позволяет реализовать функцию автоматического запуска режима сканирования сканирующего зондового микроскопа после контакта индентора с поверхностью. При измерении трибологических характеристик поверхности материала подключение блока управления к сканирующему зондовому микроскопу позволяет реализовать две функции - автоматического поддержания постоянной величины прижимной силы дополнительного индентора за счет управления механизмом нагружения сканирующего зондового микроскопа в автоматическом режиме и функцию автоматического запуска режима сканирования сканирующего зондового микроскопа после контакта дополнительного индентора с поверхностью материала, а подключение управляемого источника к блоку управления позволяет дополнительно управлять параметрами колебания зонда. На фиг. 1 показан общий вид зонда для измерения механических и трибологических характеристик материалов, показывающий позицию для измерения механических характеристик материала. На фиг. 2 показан общий вид зонда для измерения механических и трибологических характеристик материалов, показывающий позицию для измерения трибологических характеристик материала. Зонд состоит из пьезоэлектрических электродов 1 и 2, образующих камертон, закрепленный в держателе 3 сканирующего зондового микроскопа (на чертеже 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 блок управления 10, осуществляющий переподключение схем детектирования 8 и возбуждения 9 к пьезоэлектрическим электродам 1 и 2. Управляемый источник напряжения 7 подключен к блоку управления 10, который обеспечивает поддержание постоянной амплитуды колебаний дополнительного индентора 6. Блок управления 10 подключен к сканирующему зондовому микроскопу, который реализует автоматический запуск режима сканирования сканирующего зондового микроскопа после контакта индентора 5 с поверхностью 11 материала или автоматический запуск режима сканирования сканирующего зондового микроскопа после контакта дополнительного индентора 6 с поверхностью 11 и поддержание постоянной величины прижимной силы дополнительного индентора 6 к поверхности 11. Зонд работает следующим образом. При измерении механических характеристик поверхности 11 материала (фиг. 1) зонд закрепляют в держателе 3 сканирующего зондового микроскопа. К разделительному электроду 4 подключают управляемый источник напряжения 7, в свою очередь, управляемый источник напряжения 7 подключают к блоку управления 10, который соединяют с сканирующим зондовым микроскопом. 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 пьезоэлек 3 53682009.06.30 трический электрод 1 с индентором 5, после чего индентор 5 прижимают к исследуемому участку поверхности 11 путем подачи напряжения на разделительный электрод 4 от управляемого источника напряжения 7. Блок управления 10 определяет контакт индентора 5 с поверхностью 11 по изменению параметров колебаний пьезоэлектрического электрода 1 и посылает управляющий сигнал сканирующему зондовому микроскопу для начала режима сканирования поверхности 11. Блоком управления 10 поддерживают постоянной амплитуду колебаний пьезоэлектрического электрода 2 с дополнительным индентором 6 за счет изменения напряжения, подводимого к разделительному электроду 4 от управляемого источника напряжения 7. В результате контакта индентора 5 с поверхностью 11 часть энергии колебаний индентора 5 расходуется на деформирование материала в локальной зоне поверхности 11, что приводит к изменению параметров колебания пьезоэлектрического 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 расчетным путем твердость и модуль упругости материала. При измерении трибологических характеристик поверхности 11 материала (фиг. 2) зонд перезакрепляют в держателе 3 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. К разделительному электроду 4 подключают управляемый источник напряжения 7, в свою очередь, управляемый источник напряжения 7 подключают к блоку управления 10, который соединяют со сканирующим зондовым микроскопом. 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 поверхности 11 путем подведения поверхности 11 механизмом позиционирования (на фиг. 1 и 2 не показан) сканирующего зондового микроскопа. Блок управления 10 определяет контакт индентора 5 с поверхностью 11 по изменению параметров колебаний пьезоэлектрического электрода 1 и посылает управляющий сигнал(ы) сканирующему зондовому микроскопу для начала сканирования поверхности 11 и поддержания постоянной величины прижимной силы дополнительного индентора 6 к поверхности 11. Во время измерений дополнительный индентор 6 скользит возвратно-поступательно по поверхности 11, поэтому большая часть энергии колебаний дополнительного индентора 6 расходуется на преодоление сил трения и износ поверхности 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 11. Таким образом, предлагаемая конструкция зонда повышает точность измерений в режиме сканирования поверхности материала зондом сканирующего зондового микроскопа за счет автоматического поддержания постоянной амплитуды колебаний пьезоэлектрического электрода с дополнительным индентором в режиме измерения механических характеристик материала и автоматического поддержания постоянной величины прижимной силы дополнительного индентора при выполнении трибологических измерений характеристик материала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5