Ny NIST -nanoskalaindrykker har en ny tilgang til måling af overfladeegenskaber

Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of North Carolina har demonstreret et nyt design til et instrument, en "instrumenteret nanoskala indenter, "der foretager følsomme målinger af de mekaniske egenskaber af tynde film - lige fra auto -kropsbelægninger til mikroelektroniske enheder - og biomaterialer. NIST -instrumentet anvender en unik teknik til præcist at måle dybden af ​​fordybningen i en testoverflade uden berøring af overfladen andet end selve probespidsen.

Indrykkere har en lang historie inden for materialeforskning. Johan August Brinell udtænkte en af ​​de første versioner i 1900. Konceptet er at tabe eller ramme noget hårdt på testmaterialet og måle materialets hårdhed ved dybden af ​​bulen. Dette er fint for jernbanestål, men moderne teknologi har bragt mere udfordrende målinger:stivheden i mikromekaniske sensorer, der bruges i auto airbags, hårdheden af ​​tynde belægninger på værktøjsbor, elasticiteten af ​​tynde biologiske membraner. Disse kræver præcisionsmålinger af dybden i form af nanometer og kraft i form af mikrononetoner.

I stedet for buler i metal, siger NIST's Douglas Smith, "Vi forsøger at få den mest nøjagtige måling af, hvor langt indspidsen spidser ind i overfladen af ​​prøven, og hvor meget kraft det tog at presse den så langt ind. Vi registrerer dette løbende. Det kaldes 'instrumenteret indrykningstest'. "

En stor udfordring, Smith siger, er, at du på nanoskalaen skal vide nøjagtigt, hvor overfladen af ​​testprøven er i forhold til indrykningsspidsen. Nogle kommercielle instrumenter gør dette ved at røre overfladen med en referencedel af instrumentet, der er en kendt afstand fra spidsen, men dette medfører yderligere problemer. "For eksempel, hvis du vil se på krybning i polymer - hvilket er en ting, som vores instrument er særlig god til - vil selve referencepunktet krybe ind i polymeren lige under sin egen kontaktkraft. Det er en fejl, du ikke kender og ikke kan rette op på, "siger Smith.

NIST -løsningen er en berøringsfri overfladedetektor, der bruger et par bittesmå kvarts tuning gafler - den slags, der bruges til at holde tiden i de fleste armbåndsure. Når stemmegaflerne kommer tæt på testoverfladen, påvirkningen af ​​den nærliggende masse ændrer deres frekvens - ikke meget, men nok. Nanoindenteret bruger dette frekvensskift til at "låse" positionen af ​​indrykningsmekanismen i en fast afstand fra testoverfladen, men uden at udøve nogen påviselig kraft på selve overfladen.

"Den eneste betydelige interaktion, vi ønsker, er mellem indrykkeren og prøven, "siger Smith, "eller i det mindste, at være konstant og ikke deformere overfladen. Dette er en væsentlig forbedring i forhold til de kommercielle instrumenter. "

NIST nanoindenter kan anvende kræfter op til 150 millinewtons, tager aflæsninger tusind gange i sekundet, med en usikkerhed lavere end 2 mikronwton, og mens måling af spidsindtrængning op til 10 mikrometer til inden for ca. 0,4 nanometer. Alt dette er udført på en måde, der kan spores kalibreret mod grundlæggende SI -enheder til kraft og forskydning på en rutinemæssig måde.

Instrumentet er velegnet til højpræcisionsmålinger af hårdhed, elasticitet og krybning og lignende egenskaber for en lang række materialer, herunder ofte vanskelige at måle bløde materialer såsom polymerfilm, siger Smith, men en af ​​dens primære anvendelser vil være i udviklingen af ​​referencematerialer, der kan bruges til at kalibrere andre instrumenterede indrykkere. "Der er stadig ingen NIST standard referencematerialer til denne klasse instrumenter, fordi vi ønskede at have et instrument, der var bedre end de kommercielle instrumenter til at gøre det, "Forklarer Smith.