Метод определения вязкоупругих свойств поверхностных слоев эластомеров на основе нанодинамического индентирования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложен теоретико-экспериментальный метод для определения механических свойств поверхностных слоев высокоэластичных материалов по результатам их динамического индентирования на малые глубины (наноДМА). В основу метода положено приближенное решение контактной задачи o нагружении осциллирующей нормальной нагрузкой жесткого шарика, контактирующего с деформируемым образцом, который моделируется линейным вязкоупругим полупространством с ядром релаксации в виде суммы экспоненциальных членов. Метод позволяет определять наборы параметров, задающих функции релаксации и ползучести материала во временном интервале, соответствующем диапазону экспериментальных частот, а также динамические модули накопления и потерь для каждой частоты. Продемонстрировано использование метода на примере исследования изменения механических свойств поверхностных слоев для двух типов морозостойких резин (на основе бутадиен-нитрильного и изопренового каучуков) в зависимости от степени износа их поверхностей. Установлено, что изнашивание поверхностей исследованных резин приводит к увеличению жесткости поверхностных слоев и снижению их релаксационных свойств; эти изменения более выражены для резины на основе бутадиен-нитрильного каучука, чем для резины на основе изопренового каучука.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. Ю. Маховская

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: makhovskaya@mail.ru
Россия, Москва

А. В. Морозов

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: morozovalexei@mail.ru
Россия, Москва

К. С. Кравчук

НИЦ “Курчатовский институт” — ТИСНУМ

Email: kskrav@gmail.com
Россия, Троицк

Список литературы

  1. Ферри Дж. Вязкоупругие свойства полимеров. Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. 536 с.
  2. Горячева И.Г. Маховская Ю.Ю., Морозов А.В., Степанов Ф.И. Трение эластомеров. Моделирование и эксперимент. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2017. 204 с.
  3. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 6. P. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  4. Asif S.A.S., Wahl K.J., Colton R.J. Nanoindentation and contact stiffness measurement using force modulation with a capacitive load-displacement transducer // Rev. Sci. Instrum. 1999. V. 70. № 5. P. 2408–2413. https://doi.org/10.1063/1.1149769
  5. Herbert E.G., Oliver W.C., Pharr G.M. Nanoindentation and the dynamic characterization of viscoelastic solids // J. Phys. D Appl. Phys. 2008. V. 41. № 7. P. 074021. https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/7/074021
  6. Pharr G.M., Oliver W.C., Brotzen F.R. On the generality of the relationship among contact stiffness, contact area, and elastic modulus during indentation // J. Mater. Res. 1992. V. 7. № 3. P. 613–617. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.0613
  7. Igarashi T. et al. Nanorheological mapping of rubbers by atomic force microscopy // Macromolecules. 2013. V. 46. № 5. P. 1916–1922. https://doi.org/10.1021/ma302616a
  8. Pittenger B. et al. Nanoscale DMA with the atomic force microscope: a new method for measuring viscoelastic properties of nanostructured polymer materials // JOM. 2019. V. 71. № 10. P. 3390–3398. https://doi.org/10.1007/s11837-019-03698-z
  9. Huang G., Wang B., Lu H. Measurements of viscoelastic functions of polymers in the frequency-domain using nanoindentation // Mech. Time-Depend Mater. 2004. V. 8. № 4. P. 345–364. https://doi.org/10.1007/s11043-004-0440-7
  10. Cheng Y.-T., Ni W., Cheng C.-M. Nonlinear analysis of oscillatory indentation in elastic and viscoelastic solids // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. № 7. P. 075506. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.075506
  11. Nikfarjam M. et al. Imaging of viscoelastic soft matter with small indentation using higher eigenmodes in single-eigenmode amplitude-modulation atomic force microscopy // Beilstein J. Nanotechnology. 2018. V. 9. P. 1116–1122. https://doi.org/10.3762/bjnano.9.103
  12. Greenwood J.A. Contact between an axisymmetric indenter and a viscoelastic half-space // Int. J. Mech. Sci. 2010. V. 52. № 6. P. 829–835. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2010.01.010
  13. Wayne Chen W. et al. Semi-analytical viscoelastic contact modeling of polymer-based materials // J. Tribol. 2011. V. 133. № 4. 041404. https://doi.org/10.1115/1.4004928
  14. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с.
  15. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 510 с.
  16. Кристенсен Р. Введение в теорию вязкоупругости. Пер. с англ. М.И. Рейтмана / Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Мир, 1974. 338 с.
  17. Снеддон И. Преобразование Фурье. М.: Иностр. лит, 1955. 668 с.
  18. Haiat G., Phan Huy M.C., Barthel E. The adhesive contact of viscoelastic spheres // J. Mech. Phys. Solids. 2003. V. 51. № 1. P. 69–99. https://doi.org/10.1016/S0022-5096(02)00059-5
  19. Argatov I.I., Popov V.L. Rebound indentation problem for a viscoelastic half‐space and axisymmetric indenter — Solution by the method of dimensionality reduction // ZAMM – Journal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 2016. V. 96. № 8. P. 956–967. https://doi.org/10.1002/zamm.201500144
  20. Morozov A.V., Bukovskiy P.O. Method of constructing a 3D friction map for a rubber tire tread sliding over a rough surface // J. Frict. Wear. 2018. V. 39. № 2. P. 129–136. https://doi.org/10.3103/S1068366618020113
  21. Morozov A.V., Makhovskaya Y.Y., Kravchuk K.S. Influence of adhesive properties and surface texture of laminated plywood on rubber friction // J. Frict. Wear. 2021. V. 42. № 4. P. 281–289. https://doi.org/10.3103/S1068366621040085
  22. Baumgaertel M., Winter H.H. Determination of discrete relaxation and retardation time spectra from dynamic mechanical data // Rheol Acta. 1989. V. 28. № 6. P. 511–519. https://doi.org/10.1007/BF01332922
  23. Grosch K.A. The relation between the friction and visco-elastic properties of rubber // Proc. R. Soc. Lond. A Math. Phys. Sci. 1963. V. 274. № 1356. P. 21–39. https://doi.org/10.1098/rspa.1963.0112

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема контактирования в процессе наноДМА испытания.

Скачать (63KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема параллельно соединенных элементов, иллюстрирующая модель материала в дифференциальной форме (3.5).

Скачать (30KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Типичные зависимости нагрузки P [мН] (a) и перемещения c [мкм] (б) от времени t [с] в процессе наноДМА испытания, а также диаграмма прикладываемой нагрузки (в) с учетом процессов предварительного нагружения и разгружения испытуемого материала (БНКС-18).

Скачать (109KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость модулей накопления E ′ [МПа] и потерь E ″ [МПа] от частоты колебаний f [Гц] для БНКС-18 (a) и СКИ-3 (б), где 1 – неизношенная поверхность резины, 2 – Sтр = 4 км и 3 – Sтр = 20 км.

Скачать (122KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Графики ядер релаксации Г(t) и ползучести K(t), t[с] для БНКС-18 (a, в) и СКИ-3 (б, г), где 1 – неизношеная поверхность резины, 2 – Sтр = 4 км и 3 – Sтр = 20 км.

Скачать (143KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025