Разработка программно-аппаратного комплекса для определения упругих характеристик нано- и микрочастиц

• Автор: Шушков, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18, 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 137 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения.

Введение

Глава 1. Методика расчета упругих характеристик нано и микрочастиц.

1.1 Постановка задачи.

1.1.1 Определение эквивалентного упругого элемента

1.1.2 Постановка задачи статического расчета упругого изотропного тела и нагружения наночастиц.

1.1.3 Постановка задачи получения равновесных форм наночастиц.

1.1.4 Программноаппаратный комплекс для определения упругих характеристик нано и микрочастиц ЕРЫР.

1.2 Обоснование выбора методов, параметров и схемы расчета

1.2.1 Методы молекулярною моделирования.

1.2.2 Потенциалы для описания межатомного взаимодействия наночастиц.
1.2.3 Схемы интегрирования по времени.
1.2.4 Описание программы ЫАМО.
1.2.5 Тестовый расчет.
1.3 Выводы по главе 1.
Глава 2. Расчет модуля упругости наночастиц
2.1 Анализ закономерностей, определяющих процессы образования наночастиц.
2.2 Расчет модуля упругости наночастиц, натуженных осевыми сосредоточенными силами
2.2.1 Аналитическое решение.
2.2.2 Методики и способы расчета модуля упругости на примере наночастиц цинка.
2.2.3 Результаты расчетов модуля упругости наночастиц.
2.3 Расчет модуля упругости наночастиц, нагруженных равномерно распределенным по поверхности давлением.
2.3.1 Аналитическое решение.
2.3.2 Методики расчета модуля упругости на примере наночастиц цинка.
2.3.3 Результаты расчетов модуля упругости наночастиц.
2.4 Выводы по главе 2
Глава 3. Определение коэффициента Пуассона наночастиц. Сравнение результатов расчета модуля упругости
3.1 Методика и способ определения коэффициента Пуассона
3.2 Влияние энергетических, структурных характеристик на механические свойства наночастиц.
3.3 Выводы по главе 3
Глава 4. Расчет модуля упругости частиц методом наноиндентирования.
4.1 Методика расчета модуля упругости на комплексной системе измерений ЫАЫОТЕЗТ 0.
4.2 Расчет, модуля упругости частиц.
4.3 Выводы по главе 4.
Заключение
Литература


Значительное преимущество этого способа заключается в точности, с которой измеряется модуль упругости. Однако поскольку индентор относительно сравнительно мал по отношению к площади поверхности все измерения являются локальными. К тому же, модуль упругости определяется в поверхности образца наноматериала. Какой будет модуль упругости внутри образца, определить на основе этого способа не представляется возможным. Метод наноиндентации предпочитаем из-за относительно небольшого количества тестируемого (испытуемого) материала, который необходим, кроме того измерения выполняются без разрушения-образца. Нет строгих требований для формы образца. Возникает ряд затруднений при применении данного метода, связанных с тем, что результаты измерений не всегда соответствуют истинным характеристикам исследуемых образцов. Этот способ является “грубым”, а именно он создает кратеры, ямки в исследуемой поверхности и ограничен пространственным разрешением. Причиной этого, прежде всего, является влияние подложки, на которую нанесена частица и которая, как правило, имеет совершенно другие механические свойства. Кроме того, существует проблема вдавливания либо наоборот выдавливания испытуемого материала вдоль граней пирамидки иидснтора, что приводит к неточностям в определении площади контакта индентора с образцом и, как следствие, к искажению результатов. Также результат измерений зависит от метода анализа кривых индентирования. Несмотря на значительное число работ в этой области, проблема измерений механических характеристик тонких пленок, нано- и микрочастиц методом наноиндентирования до сих пор не решена. Метод наноиндентации в частности применяется для определения модуля упругости в эпитаксиальных слоях нитрида галлия []. Методика основана на решении задачи Герца для упругого вдавливания стальной сферы в исследуемую поверхность. Также установлено, что используемое при этом изотропное приближение оправдано. Однако изотропность в задачах подобного рода требует более детального обоснования. В частности в работе [], на примере двумерной монокристаллической полосы теоретически показано, что размер и форма нанокристалла вносят дополнительную анизотропию в его механические свойства. Существует методика определения модуля упругости с помощью сканирующего зондового микроскопа “Наноскан” []. Метод позволяет определять модуль упругости на масштабе несколько сот нанометров для широкого диапазона объектов. Для описания контакта используется модель Г ерца. Зонд с закрепленной на конце иглой совершает колебания в направлении нормали к поверхности образца. Одновременно с колебательным движением основание зонда перемещается по направлению к поверхности. В какой-то момент времени происходит касание иглы о поверхность. С этого момента взаимодействие иглы с образцом происходит в режиме прерывистого контакта. При дальнейшем вдавливании зонда наступает момент, когда игла совершает колебания в жестком контактном режиме без отрыва от поверхности. Прокалибровав иглу и зонд на образцах с известными значениями модуля упругости, можно проводить измерения модуля упругости исследуемых образцов. Параметры колебаний зависят от характеристик зонда, иглы и упругих свойств исследуемого материала. Данный метод позволяет исследовать упругие свойства тонких пленок, а также отдельных составляющих в сложных многофазных структурах, а также является неразрушающим, так как глубина проникновения острия иглы в поверхность не превышает нескольких нанометров, а площадь контакта при этом составляет несколько десятков нанометров. Погрешность измерения модуля упругости не превышает %. В другом экспериментальном способе многослойная нанотрубка прикреплялась к подложке обычной литографией, сила прикладывалась и измерялась на различных расстояниях от точки крепления атомным силовым микроскопом. В работе [4] для определения модуля упругости суспензия из однослойных нанотрубок пропускалась через мебрану, нанотрубки подвешивались в порах, а их прогибы измерялись с помощью атомного силового микроскопа.