Способ определения поверхностной энергии твердого тела и устройство для его осуществления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мышкин Николай Константинович Григорьев Андрей Яковлевич Ковалев Александр Валерьевич Ковалева Инна Николаевна Кудрицкий Владимир Григорьевич Зозуля Андрей Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ определения поверхностной энергии твердого тела, в котором пробное тело приводят в контакт с поверхностью исследуемого твердого тела, перемещают относительно его поверхности пробное тело и измеряют силу сопротивления его перемещения, по значению которой судят о величине поверхностной энергии, отличающийся тем, что пробное тело, выполненное сферической формы из материала исследуемого твердого тела, подводят перпендикулярно к поверхности исследуемого твердого тела, прижимают с контролируемым усилием прижатия , обеспечивающим упругую деформацию тел в контакте, отводят пробное тело в обратном направлении, при этом одновременно с процессом 12244 1 2009.08.30 подвода-отвода измеряют силу взаимодействия и расстояние между исследуемым твердым телом и пробным телом, а поверхностную энергию исследуемого твердого тела определяют по отношению разности удельных работ на подвод и отвод пробного тела к поверхности исследуемого твердого тела к площади области соприкосновения пробного тела и исследуемого твердого тела, причем контролируемое усилие прижатияопределяют в соответствии с выражением 2 32 330,4 23,0,2 2 2 2 где- радиус сферического пробного тела Т - предел текучести материала- эффективный модуль упругости. 2. Устройство для определения поверхностной энергии твердого тела, содержащее торсионные весы, выполненные из коромысла с детектором нулевого положения, связанного с устройством электромагнитного уравновешивания, отличающееся тем, что рабочая часть коромысла выполнена с возможностью установки пробного сферического тела,под которым расположено исследуемое твердое тело с возможностью контролируемого перемещения в вертикальном направлении содержит электронный блок, обеспечивающий регистрацию зависимости сил взаимодействия между пробным телом и исследуемым твердым телом от расстояния между ними, соединенный с компьютером, содержащим процессор для определения разницы удельных работ на подвод и отвод пробного тела к поверхности исследуемого твердого тела. Изобретение относится к способам измерения физических и механических свойств твердых тел, в частности определения их поверхностной энергии, и может найти применение как при решении научно-исследовательских задач, так и в промышленности при оценке адгезионных свойств блочных материалов, защитных пленок и покрытий изделий точной механики, микро- и нанотехнологий, качества очистки поверхностей. Известен способ оценки поверхностной энергии твердых тел, основанный на измерении работы разрушения хрупких тел 1, 2. Однако значения поверхностной энергии, полученные этим способом, недостоверны, так как некоторая, трудно контролируемая, часть работы выделяется в форме тепла и идет на его пластическую деформацию. Кроме того,при его реализации исследуемое твердое тело разрушается. Ближайшим техническим решением к предлагаемому (прототип) является способ оценки поверхностной энергии, заключающийся в том, что пробное тело, выполненное в виде ролика, имеющего возможность вращения относительно своей оси и изготовленного из липкого (имеющего высокую адгезию) материала, приводят в контакт с исследуемой поверхностью твердого тела, перемещают пробное тело параллельно исследуемой поверхности и измеряют сопротивление его движению, по величине которого судят о значении поверхностной энергии 3. Недостатком данного способа является его малая точность, обусловленная тем, что на ролик действует не только сила сопротивления, связанная с поверхностной энергией, но и силы трения качения ролика по поверхности и трения его оси в подшипниках. Другим недостатком известного способа является необходимость изготовления пробного тела из материала с повышенной адгезией (поверхностной энергией), обеспечивающего преобладание сил адгезии над силами трения,что ограничивает номенклатуру исследуемых веществ. Задачей изобретения является повышение точности определения поверхностной энергии и обеспечение возможности проведения исследований любых твердых веществ. Поставленная задача решается тем, что в способе оценки поверхностной энергии твердого вещества, включающем приведение пробного тела в контакт с поверхностью твердо 2 12244 1 2009.08.30 го тела, перемещение относительно его поверхности пробного тела и измерение силы сопротивления его перемещения, согласно изобретению, пробное тело, выполненное сферической формы из материала исследуемого твердого тела, подводят перпендикулярно к поверхности исследуемого твердого тела, прижимают его с контролируемым усилием прижатия Р, обеспечивающим упругую деформацию тел в контакте, отводят пробное тело в обратном направлении, при этом одновременно с процессом подвода-отвода измеряют силу взаимодействия и расстояние между исследуемым твердым телом и пробным телом,а поверхностную энергию исследуемого тела определяют по отношению разности удельных работ на отвод и подвод тела к поверхности исследуемого твердого тела к площади области соприкосновения пробного тела и исследуемого твердого тела. Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены на фиг. 1 - схема, поясняющая образование контакта сферического пробного тела с исследуемой поверхностью на фиг. 2 - схема устройства для осуществления способа определения поверхностной энергии твердых тел на фиг. 3 - график зависимости сил взаимодействия между пробным телом и исследуемым телом от расстояния между ними при подводе и отводе на фиг. 4 - экспериментальная зависимость сил взаимодействия сферического пробного тела и пластины из кремния от расстояния между ними при подводе до прижатия с контролируемым усилием и отводе. Сущность предлагаемого изобретения заключается в определении разности значений удельных работ (работ на единицу площади), затрачиваемых на образование и разрыв контакта двух твердых тел. При прижатии друг к другу твердых тел, изготовленных из одного и того же материала, с контролируемой силой Р происходит их деформация, на что затрачивается работа А и образуется область соприкосновения тел площадью(фиг. 1). При этом вследствие того, что общая площадь границы поверхностей пробного и исследуемого тел с окружающей средой уменьшается, то выделяется и рассеивается энергия, численно равная произведению площади соприкосновения телна значение их поверхностной энергии . Если контролируемая сила прижатия Р выбрана такой, что деформации пробного и исследуемого тел упругие, то при отводе тел производится работа А 2, включающая работу по восстановлению деформированных тел А и работу, затрачиваемую на увеличение общей площади границы поверхностей пробного и исследуемого тел с окружающей средой(разрыв контакта), равную произведению площади соприкосновения телна значение их поверхностной энергии . Т.е. удельная работа при отводе пробного тела 2/ больше, чем удельная работа при его подводе 1/ к исследуемому твердому телу на величину их поверхностной энергии. Таким образом, поверхностная энергия по заявляемому изобретению может быть определена по отношению разности удельных работ, затрачиваемых на отвод и подвод пробного тела, к площади соприкосновения пробного тела и исследуемого твердого тела(1)2/-1//. При подводе и отводе пробного тела от исследуемого твердого тела между ними действуют силы, направленные по нормали к площади их соприкосновения. Отсюда следует,что оценка разницы работ должна производиться при сближении и отводе пробного тела в направлении, перпендикулярном поверхности исследуемого. Такое техническое решение позволяет повысить точность определения поверхностной энергии по сравнению с прототипом за счет устранения сил трения качения пробного тела по поверхности исследуемого и сил трения в осях подшипников пробного тела. Для упрощения контроля усилия прижатия Р, обеспечивающего упругие деформации тел в контакте, и определения площади их соприкосновенияпробное тело выполнено сферической формы. В этом случае, исходя из уравнений, приведенных в 4, с. 54, опи 3 12244 1 2009.08.30 сывающих контакт сферического тела с плоскостью, следует, что для обеспечения упругих деформаций в области их соприкосновения необходимо выполнение следующего условия 92 33,(2)2 2 16 где- радиус сферического пробного тела- предел текучести материала контактирующих тел Е - эффективный модуль упругости, определяемый из формулы 2 1 11 12 2,1 2 где Е 1, Е 2, 1, 2 - модули упругости и коэффициенты Пуассона пробного тела и исследуемого вещества соответственно. Принимая, что нагрузка, вычисляемая по условию (2), является максимальной, при которой контакт двух тел сохраняется еще упругим, для практического применения представляется целесообразным осуществлять выбор нагрузки из диапазона от 0,3 Р до 0,7 Р,что с учетом выражения (2) соответствует 2 32 330,4 23.(3) 0,2 2 2 2 Нижняя оценка Р обеспечивает достаточную для регистрации площадь контакта, а верхняя гарантирует отсутствие пластической деформации в приповерхностных слоях исследуемого вещества. Площадь контактав заявляемом изобретении определяется экспериментально по методу Мехау, основанному на явлении полного внутреннего отражения светового потока или ультразвуковых волн в области соприкосновения двух тел 5, с. 60, или расчетным путем, с помощью уравнений теории упругого контакта Герца. Согласно этой теории, для сферического пробного тела и плоской поверхности исследуемого тела 4, с. 54, сжимаемых силой Р, площадь области контакта может быть определена как 2/3(4).4 Пробное и исследуемое тела могут быть изготовлены из любого твердого вещества,что делает возможным определение поверхностной энергии любых твердых материалов. Для осуществления способа определения удельной поверхностной энергии предложено устройство, содержащее торсионные весы, выполненные в виде коромысла с детектором нулевого положения, связанного с устройством электромагнитного уравновешивания. При этом рабочая часть коромысла выполнена с возможностью установки пробного сферического тела. Дополнительно введены устройство для контролируемого перемещения в вертикальном направлении исследуемого твердого тела, расположенного под сферическим пробным телом, и электронный блок регистрации зависимости сил взаимодействия между пробным телом и исследуемым пробным телом от расстояния между ними, соединенный с компьютером, содержащим процессор для определения разницы удельных работ на подвод и отвод пробного тела к поверхности исследуемого твердого тела. Схема предлагаемого устройства для определения удельной поверхностной энергии представлена на фиг. 2. На рабочей части коромысла 1, подвешенного на торсионе 2, с одной стороны размещено сферическое пробное тело 3, а с другой - постоянный магнит 4, размещенный над электромагнитной катушкой 5, образующие устройство электромагнитного уравновешивания. На коромысле 1 в месте подвеса торсиона 2 установлен детектор нулевого положения, состоящий из зеркала 6, отражающего световой поток осветителя 7 на фотоприемник 8. При силовом взаимодействии на пробное тело 3 коромысло 1 с зеркалом 6 поворачива 4 12244 1 2009.08.30 ется на торсионе 2, изменяя количество света, попадающего в фотоприемник 8. Сигнал с фотоприемника поступает в электронный блок 9, который регистрирует и изменяет ток в катушке 5 до значения, обеспечивающего обратный поворот коромысла 1 в исходное равновесное положение. Таким образом, любое изменение действующих на пробное тело сил компенсируется соответствующим изменением тока в катушке 5, обеспечивая неизменное положение коромысла в процессе измерений. Ток в катушке 5 прокалиброван, что, в конечном итоге, позволяет измерить действующую на пробное тело силу. Столик 10 обеспечивает контролируемое перемещение в вертикальном направлении исследуемого твердого тела 11, расположенного под сферическим пробным телом 3. Грубое перемещение осуществляется винтовой парой 12, обеспечивая позиционирование исследуемого твердого тела 11 относительно пробного тела 3 с помощью измерительного микроскопа 13. Точное перемещение производится с помощью пьезоэлемента 14 путем подачи на него напряжения, формируемого блоком 9. Напряжение прокалибровано в единицах изменения длины пьезоэлемента, что позволяет точно производить перемещение образца в диапазоне до 50 мкм. Электронный блок 9, осуществляющий управление током в катушке 5 и напряжением на пьезоэлементе 14, регистрацию значений сил взаимодействия и расстояния между пробным телом 3 и исследуемым телом 11, соединен с компьютером 15, содержащим процессор для определения разницы удельных работ при подводе и отводе образца к пробному телу. Устройство работает следующим образом. Исследуемое твердое тело 11, расположенное на столике 10, с помощью винтовой пары 12 и измерительного микроскопа 13 подводится к пробному сферическому телу 3, изготовленному из того же материала, что и исследуемое твердое тело 11, на расстояние 3-5 мкм. При таком расстоянии их взаимное влияние друг на друга вследствие сил молекулярного притяжения отсутствует 5, с. 29 и ток, протекающий в катушке 5, соответствует нулевой силе взаимодействия пробного тела и исследуемого образца. Далее, исследуемое твердое тело 11 с помощью пьезоэлемента 14 контролируемо подводится в вертикальном направлении к пробному телу 3. При сближении исследуемого и пробного тел, начиная с некоторого расстояния, между ними начинают действовать силы молекулярного притяжения, значение которых определяется по току катушки 5 системы электромагнитного уравновешивания, регистрируемому и изменяемому электронным блоком 9 по сигналу с детектора нулевого положения, состоящего из зеркала 6, осветителя 7 и фотоприемника 8. Этому расстоянию соответствует точка А на кривой 1 теоретической зависимости, приведенной на фиг. 3. В процессе дальнейшего сближения, осуществляемого увеличением напряжения, подаваемого на пьезоэлемент 14, силы притяжения увеличиваются до точки В, в которой пробное тело 3 и исследуемое твердое тело 11 соприкасаются. Далее тела начинают деформироваться, в результатечего формируется область их соприкосновения площадью . Возникающие при этом упругие силы отталкивают тела друг от друга, и, начиная с точки В, силы притяжения уменьшаются. В точке С наблюдается равновесие между силами притяжения и отталкивания. При дальнейшем сближении силы отталкивания возрастают, что позволяет достичь в точкеопределенной по условию (3) и контролируемой по току катушки 5 нагрузки прижатия пробного тела 3 и исследуемого твердого тела 11. Начиная с точки В до точки , площадь соприкосновения тел увеличивается. В соответствии с увеличением площади соприкосновения происходит уменьшение площади границ твердое тело - газ как пробной сферы, так и исследуемого образца. Как следствие, выделяется и рассевается энергия, численно равная работе, определяемой в соответствии с формулой (1). По достижению требуемой нагрузки (точка ) посредством уменьшения напряжения,подаваемого на пьезоэлемент 14, производится отвод пробного тела от поверхности исследуемого твердого тела до исходного положения пробного тела 3 относительно исследуемого 11. 12244 1 2009.08.30 В процессе подвода и отвода напряжение, подаваемое на пьезоэлемент 14, и сила тока катушки 5, прокалиброванные в значениях силы и расстояния, регистрируются электронным блоком 9, соединенным с компьютером 15, содержащим процессор, позволяющим определить разницу удельных работ при подводе и отводе образца к пробному телу, по значению которой судят о поверхностной энергии образца 11. Пример реализации предложенного способа и устройства для измерения удельной поверхностной энергии кремния. На столик устройства конструкции, приведенной на фиг. 2, помещается пластина кремния размером 10101 мм. В качестве пробного тела использовался кремниевый шарик диаметром 1 мм. Перед проведением измерений определяется диапазон нагрузок Р, обеспечивающий упругое деформирование с использованием данных о радиусе сферического пробного тела(0,5 мм), пределе текучести т 700106 Па, модуле упругости 1,2160109 Па и коэффициенте Пуассона 0,27. Для этого рассчитывается эквивалентный модуль упругости 1 10,27 2 10,27 2 1,37510118,631010 Па ,9 916010 16010 и в соответствии с формулой (3) определяется диапазон Р, соответствующий упругому деформированию пробного и исследуемого тел 4110-3 НР 14310-3 Н. Из данного диапазона выбирается нагрузка Р, составляющая 100 мН. Далее с использованием устройства, представленного на фиг. 2, измеряют силу взаимодействия и расстояние между пробным и исследуемым твердым телами при их подводе,прижатии с контролируемым усилием Р и отводе. Полученные результаты представлены на фиг. 4. По этим данным определяется величина разницы работ при отводе и подводе пробного тела к исследуемому(21 )(1)2,6651010 Дж , где , 2 - силы взаимодействия пробного тела с исследуемой поверхностью при подводе и отводе соответственно х - расстояние. С использованием полученной величинызначение поверхностной энергии определяется по формуле (1), в которую подставляется значение площади контакта , равное 1,810-10 м, найденное в соответствии с (4)2,66510-10/(1,810-10)1,48 Дж/м 2. Это значение удельной поверхностной энергии кремния достаточно хорошо согласуется как с теоретическими, так экспериментальным оценкам составляющими 0,9-1,9 Дж/м 2 6-8. Таким образом, предложенное изобретение позволяет с высокой точностью и достоверностью проводить оценку удельной поверхностной энергии твердых веществ как в практических целях, связанных с проектированием и изготовлением изделий точной механики, микро- и нанотехнологий, так и в научно-исследовательских задачах. Источники информации 1. Кузнецов В. Д. Поверхностная энергия твердых тел.- М. Гостехиздат, 1954. 2. Обреимов И.В., Терехов Е.С. О прочности слюды на разрыв по плоскости спайности Исследование по экспериментальной и теоретической физике (памяти О. Ландсберга).- М. Изд. АН СССР, 1959.- С. 159. 3. Патент США 7092271, МПК 01 13/00, 2006. 4. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трибология. Принципы и приложения.- Гомель ИММС НАНБ, 2002.- С. 310. 6 12244 1 2009.08.30 5. Богданович П.Н., Прушак В.Я. Трение и износ в машинах.- Минск Вышэйшая школа, 1999.- С. 374. 6. Браун Э.Д., Буше Н.А., Буяновский и др. Основы трибологии. Под. ред. А.В. Чичинадзе.- М. ЦНТ, 1995.- С. 778. 7. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным сжатием.- М. Машиностроение, 1990.- С. 224. 8.С.,, ,// Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7