Теоретическое исследование механических свойств нанотяжей в полимерах

Авторы

  • О.К. Гаришин Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Р.И. Изюмов Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • С.Н. Лебедев Институт механики сплошных сред УрО РАН

DOI:

Ключевые слова:

атомно-силовая микроскопия, наноиндентация, полимер, конечные упругие деформации

Аннотация

Проведены исследования по компьютерному моделированию взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) с полимерным нанотяжем в виде длинного нелинейно-упругого цилиндра с консольным закреплением на торцах и свободной боковой поверхностью. Размеры тяжа соответствовали реально наблюдаемым в экспериментах значениям. Построены зависимости между силой вдавливания зонда, глубиной индентации и прогибом тяжа при различных точках контакта (по длине и в поперечном сечении).Показано, что прогиб тяжа может на порядок превышать глубину вдавливания зонда АСМ в поверхность, причем тяж в процессе контакта может смещаться не только вниз, но и вбок. Поэтому стандартные методы расшифровки данных АСМ-сканирования (в основе которых лежит решение задачи о контакте сферы и плоского полупространства и никак не учитывается возможность смещения поверхности как жесткого целого) в этих случаях применять нельзя - они дают слишком большую ошибку. Определены пути решения этой проблемы.

Поддерживающие организации
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования и науки Пермского края (грант № 14-01-96002).

Биографии авторов

  • О.К. Гаришин, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории микромеханики структурно-неоднородных сред
  • Р.И. Изюмов, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    младший научный сотрудник лаборатории микромеханики структурно- неоднородных сред
  • С.Н. Лебедев, Институт механики сплошных сред УрО РАН
    ведущий инженер лаборатории микромеханики структурно- неоднородных сред

Библиографические ссылки

  1. Чвалун С.Н. Полимерные нанокомпозиты // Природа. - 2000. - № 7. - С. 22-30.
  2. Binnig G., Quate C.F., Gerber C. Atomic force microscope // Surface studies by scanning tunneling microscopy // Phys. Rev. Lett. - 1986. - Vol. 56. - № 9. - P. 930-933.
  3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. - М.: Машиностроение, 2003. - 112 с.
  4. Giessib F.J. AFM’s path to atomic resolution // Materials Today. - 2005. - Vol. 8. - № 5. - P. 32-41.
  5. Bhushan B. Nanotribology and nanomechanics. - Springer, 2005. - 1148 p.
  6. Schuh C.A. Nanoindentation studies of materials // Materials Today. - 2006. - Vol. 9. - № 5. - P. 32-40.
  7. Bhushan B. Handbook of micro-mano-tribology. - Springer, 1999. - 433 p.
  8. Vanlandingham M.R., McKnicht S.H., Palmese G.R., Eduljee R.F., Gillepie J.W., McCulough Jr.R.L. Relating elastic modulus to indentation response using atomic force microscopy // J. of Materials Science Letters. - 1997. - Vol. 16. - P. 117-119.
  9. Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K.J., Venkatesh T.A., Suresh S. Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented indentation // Acta Mater. - 2001. - Vol. 49. - № 19. - P. 3899-3918.
  10. Fischer-Cripps A.C. Nanoindentation and indentation measurements // Mater. Sci. Eng. - 2004. - Vol. 44. - P. 91-102.
  11. Carlsson S., Larsson P.-L. On the determination of residual stress and strain fields by sharp indentation testing. Part I: theoretical and numerical analysis // Acta Mater. - 2001. - Vol. 49. - № 12. - P. 2179-2191.
  12. Fischer-Cripps A.C. Nanoindentation. - Springer, 2002. - 217 p.
  13. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - Н. Новгород: изд-во Института физики микроструктур РАН, 2004. - 115 с.
  14. Гаришин О.К. Моделирование контактного режима работы атомно-силового микроскопа с учетом немеханических сил взаимодействия с поверхностью образца // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2012. - Т. 5. - № 1. - С. 61-69.
  15. Морозов И.А., Гаришин О.К., Володин Ф.В., Кондюрин А.В., Лебедев С.Н. Экспериментальное и численное моделирование эластомерных композитов путем исследования нанослоев полиизопрена на углеродной поверхности // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2008. - Т. 14. - № 1. - С. 3-15.
  16. Ужегова Н.И., Свистков А.Л., Гаришин О.К. Моделирование контакта зонда атомно-силового микроскопа с жидкой пленкой // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2014. - Т. 16. - № 1. - C. 84-90.
  17. Morozov I.A., Garishin O.K., Shadrin V.V., Gerasin V.A., Guseva M.A. Atomic force microscopy of structural-mechanical properties of polyethylene reinforced by silicate needle-shaped filler // Advances in Materials Science and Engineering. - 2016. - Vol. 2016. - Article ID 8945978. - 8 p.
  18. Morozov I.A., Lauke B., Heinrich G. AFM investigation of structure and mechanical properties of crack zones in CB filled/unfilled vulcanizates // Kautschuk Gummi Kunststoffe. - 2013. - № 10. - P. 71-76.
  19. Derjaguin B.V., Muller V.M., Toporov Yu.P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles // J. Colloid. Interface Sci. - 1975. - Vol. 53. - № 2. - P. 314-326.
  20. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.
  21. Свистков А.Л., Лауке Б. Дифференциальные определяющие уравнения несжимаемых сред при конечных деформациях // Прикладная механика и техническая физика. - 2009. - Т. 50. - С. 158-170.

Загрузки

Опубликован

2017-11-16

Выпуск

№ 3 (2017)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Гаришин, О., Изюмов, Р., & Лебедев, С. (2017). Теоретическое исследование механических свойств нанотяжей в полимерах. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 3, 8-14. https://journal.permsc.ru/index.php/pscj/article/view/PSCJ2017n3p1