Номоев А.В. Лыгденов В.Ц. Хартаева Э.Ч. Лыгденов В.В. Сызранцев В.В.
Определение модуля Юнга полимерных композиционных покрытий с помощью атомно-силовой микроскопии
Reporter: Номоев А.В.
В 1882 году Герц решил задачу о контакте двух упругих тел с искривлёнными поверхностями. Этот классический результат и сегодня лежит в основе механики контактного взаимодействия, который можно использовать на субмикронном масштабе. Несмотря на имеющиеся работы и публикации [1-3] полной методики для определения модуля Юнга с помощью атомно-силовой микроскопии не имеется. В настоящей работе определялся модуль Юнга полимерных лакокрасочных покрытий (ЛКП) модифицированных наноразмерным порошком диоксида кремния марки Таркосил, созданного под действием релятивистского пучка электронов [4]. По модели Герца для зонда кантилевера (tip) и полимерного лакокрасочного покрытия сила взаимодействия пропорциональна Δh3/2 – глубине проникновения зонда радиуса R в образец, радиусу иглы зонда, E⃰ - результирующему модулю Юнга двух контактирующих тел, состоящих из полимерного лакокрасочного покрытия и кремниевого зонда. Атомно-силовой микроскоп определяет зависимость тока рассогласования фотодиода D от перемещения кантилевера z. Чтобы определить искомую зависимость F от Δh используется твердая поверхность, чтобы ее модуль Юнга был намного больше модуля исследуемой поверхности (ЛКП). В качестве твердой поверхности выбирается поликор - материал на основе оксида алюминия. Проводятся два измерения D=f(z) для ЛКП и поликора. Формула связи D с силой F = D*ktip/а, где ktip - коэффициент жесткости кантилевера (ktipSi=5-:10 Н/м), a – тангенс угла наклона прямой D от z для поликора. Далее строится зависимость F от z, используя вычисленное значение F и график D от z. Следующий шаг - построение прямолинейной зависимости F от Δh3/2, используя уже известную зависимость F от z и определяя для каждого zi значение Δhi по графику, где i=1,2,3… Проводится вычисление тангенса угла наклона прямой F =f (Δh3/2). Модуль Юнга определяется исходя из модели Герца. Так как коэффициент Пуассона зонда из кремния μtip ≈ μЛКП ≈0,25≤1, модуль Юнга кантилевера EtipSi = 109 ГПа, что приблизительно в 10 раз больше модуля Юнга полимерных лакокрасочных покрытий, можно пренебречь вторым слагаемым в формуле для модуля Юнга двух взаимодействующих тел. Учитывая, что радиус иглы зонда равен R =30 нм, рассчитан модуль Юнга ЛКП, модифицированного Таркосилом.
Работа профинансирована грантом РФФИ №18-42-030004 и поддержана проектом № 0336-2019-0008.
Литература
1. Д.В. Лебедев, А.П. Чукланов, А.А. Бухараев, О.С. Дружинина. Измерение модуля Юнга биологических объектов в жидкой среде с помощью специального зонда атомно-силового микроскопа // Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып. 8. C.54-61.
2. J. Roa1, G. Oncins, J. Díaz, F. Sanz and M. Segarra J. Calculation of Young’s Modulus Value by Means of AFM // Recent Patents on Nanotechnology 2011, 5, 27-36.
3.https://www.ntmdt-si.ru/resources/spm-theory/theoretical-background-of-spm/2-scanning-force-microscopy-(sfm)/22-cantilever-sample-force-interaction/222-elastic-interactions-the-hertz-problem/2222-the-hertz-problem-solution
4. Бардаханов С.П., Корчагин А.И., Куксанов Н.К., Лаврухин А.В., Салимов Р.А., Фадеев С.Н., Черепков В.В. Получение нанопорошков испарением исходных веществ на ускорителе электронов при атмосферном давлении // ДАН, 2006, т.409, №3. C.320–323.
To reports list