PROPIEDADES Y CARACTERIZACIÓNNANOMECÁNICA

JORGE DANIEL DÍAZ RAMÍREZ CÓDIGO 25471636NICOLÁS FONTECHA OLARTE CÓDIGO 25471782JOSE ALBEIRO CHAMORRO C. CÓDIGO 285999ADRIAN ERNESTO SIERRA P. CÓDIGO 25471836

MATERIALES EN INGENIERÍA MECÁNICA

Las propiedades de los materiales en ingeniería que son de mayor relevancia son:

PRINCIPALMENTE

•MECÁNICAS (módulos,fluencia, límite elástico y resistencia a la tracción (esfuerzos), dureza, tenacidad a la fractura, resistencia a la fatiga, resistencia a la fluencia, amortiguación de las vibraciones)•TÉRMICAS (conductividad, calor específico)•ELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS (resistividad, constante dieléctrica, permeabilidad magnética)•INTERACCIÓN CON EL ENTORNO (oxidación, corrosión, desgaste)

TIPOS DE MATERIALES

•MATERIALES METÁLICOS (sustancias inorgánicas formadas por uno o más elementos metálicos y a veces no metálicos (aleaciones)).

•MATERIALES POLIMÉRICOS (largas cadenas de moléculas orgánicas )

•MATERIALES CERÁMICOS: elementos metálicos y no metálicos unidos químicamente

•MATERIALES COMPUESTOS: mezclas de dos o más materiales.

MATERIALES METÁLICOS

Los metales y aleaciones se dividen en:

•METALES Y ALEACIONES FERROSAS (gran porcentaje de hierro): aceros, hierros fundidos.

•METALES Y ALEACIONES NO FERROSAS (cantidades relativas o ninguna de hierro): aluminio, cobre cinc, titanio y níquel

MATERIALES CERÁMICOS

Materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos químicamente. Estos pueden ser CRISTALINOS, AMORFOS O LA MEZCLA ENTRE ELLOS, entre los materiales cerámicos se puede encontrar con gran mayoría materiales con una alta dureza y resistencia a altas temperaturas y humedad, baja rugosidad y propiedades aislantes pero tienden a tener fragilidad mecánica.

MATERIALES COMPUESTOSMateriales que son mezclas de dos o más de materiales, consisten en su mayoría en un “relleno” escogido o material de refuerzo y una resina compatible de unión para obtener características específicas y propiedades deseadas.

Motores => asientos de válvulas , pernos de pistón hechoscon nitruro de silicio

PROPIEDADES NANOMECÁNICASDE LOS MATERIALES

Permiten diferenciar un material de otro ya sea por su composición. Cada material tiene unas propiedades mecánicas definidas (elasticidad, plasticidad, maleabilidad, dureza, entre las de mayor importancia, Resistencia Mecánica.

CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS Y SUS PROPIEDADES NANOMECÁNICAS

Las propiedades mecánicas de películas delgadas de mayor interés son (nivel nanomécánico-micromecánico):

-Dureza-Módulo de elasticidad-Adhesión película sustrato-Esfuerzo residual-Condición de creep o deformación.-Tenacidad de fractura-Nanofatiga

NANOIDENTACIÓN

¿Qué es la nanoidentación?

Es la prueba de dureza llevada a cabo en escala de longitudes manométricas.

PRUEBA DE DUREZA CONVENCIONAL Y PRUEBA DE DUREZA MEDIANTE

NANOINDENTACIÓN Prueba de Dureza

Convencional

Prueba de dureza mediante

Nanondentación

Proporciona datos de desplazamiento de carga en tiempo real

Alta resolución espacial

Forma y geometría precisa del identador

No muy buena resolución espacial

Grandes y variadas formas de identador

Identador esquina de cubo: identador piramidal pero con los planos normales entre sí, es aplicado para evaluar test de rayado, medición tenacidad de fractura, pruebas de desgaste.

Identador cónico: es aplicado para evaluar test de rayado y desgaste.

Identador con punta de diamante conforma piramidal. La base de la pirámide debe ser cuadrada y sus caras opuestas deben formar un ángulo de 136º.

Indentador Berkovich: indentador piramidal de 3 lados., es aplicado para evaluar principalmente caracterización nanomecánica de películas delgadas , pruebas de rayado, medición tenacidad de fractura, pruebas de desgaste, adhesión , nanofatiga, etc.

INDENTADOR BERKOVICH

Ángulo medio de 65.35˚ Radio promedio de curvatura 100 -

200 nm

El indentador Berkovich se fabricó pensando inicialmente que la sección máxima de la probeta sería de tipo cuadrada, lo que requería una arista mínima de la base de 23,09 mm. Se fabricó con una arista mayor para evitar que el material, en caso de apilamiento del mismo, se saliera del indentador. Por otro lado, la barra de material disponible, para fabricar el indentador, era de 35 mm de diámetro.

Una vez mecanizado el indentador se procedió a pulir las caras de la pirámide hasta un acabado “espejo” con alúmina de 1μm, con el objeto de reducir al máximo el rozamiento de dichas caras.

Indentador berkovich y vickers

Imagen tomada de http://ceramicayvidrio.revistas.csic.es/index.php/ceramicayvidrio/article/viewFile/227/239

Indentador Berkovich: pirámide trigonal con un radio de acuerdo en el extremo de 100 nm

Imagen tomada dehttp://ceramicayvidrio.revistas.csic.es/index.php/ceramicayvidrio/article/viewFile/227/239

En el caso del indentador Berkovich, tanto la dureza como el módulo elástico aumentan cuando la carga máxima de indentación disminuye. Sin embargo, aunque la tendencia del módulo

Módulo de carga en función de la geometría del indentador

S: módulo de carga =dP/dhHp=Profundidad de contactoB=Constante de proporcionalidad en base al móduloE=Módulo de elasticidad material

Microscopia óptica

Microscopia AFMImagen tomada de http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/1774/03.MGB_CAP_3.pdf?sequence=4

Imagen tomada de https://upcommons.upc.edu/e-prints/bitstream/2117/10489/1/AnalesCaractNanomecaLlanes.pdf

Dureza :

Ac= 24.5 (hc)2

hT= hc+hshs=Pmax/S

H= Pmax/Ac

EQUIPOS PARA NANOIDENTACIÓNCuando la bobina genera un campo magnético opuesto al imán permanente del instrumento. Se genera una gran fuerza de desplazamiento opuesta al mismo, este desplazamiento es medido por un puente capacitivo ya que al cambiar el espacio de las placas, su capacitancia también lo hace, durante este proceso, también se pueden meir señales de tipo acústico, que pueden ser debidas a generación de grietas

Este instrumento se utiliza para medir desplazamientos laterales en el proceso de nanoidentación y para evaluar desgate.

Resultado de dureza para seis materiales

NANOIDENTACIÓNTENACIDAD DE FRACTURA

Cuando se requiere medir las distintas características en capas muy delgadas , como del orden de 100 nm, , generalmente se usa el identador Berkovich debido a que es muy difícil medir grietas por su muy pequeño tamaño.

NANOIDENTACIÓNANÁLISIS DE NANOFATIGA

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 VENTAJAS DE LA NANOIDENTACIÓN

• Método rápido y sencillo

• Permite muchas medidas en la misma muestra

• El equipo requiere preparaciones simples

• Realización de la prueba de dureza relativamente económica

• Análisis de muestras pequeñas (películas delgadas)

FACTORES QUE AFECTAN LA NANOIDENTACIÓN

• Tiempo de exposición de la carga

• Tipo de identador

• Temperatura

Equipo sensible a vibraciones y a cambios térmicos Equipo costoso

DESVENTAJAS DE LA NANOIDENTACIÓN

NANOIDENTACIÓN

• https://www.youtube.com/watch?v=4cjvBBhdWXk

PROPIEDADES NANOMECÁNICAS

• Dureza

La resistencia que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes.

• Módulo de Young

Parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza.

CURVA DE P-H

UN POCO DE HISTORIA…

• 1981 se inventa el microscopio efecto túnel STM, el cual permite tener imágenes topográficas a escala atómica.

Nanomateriales: Son materiales a nanoescala (de10-9m)Materiales con características estructurales de una dimensión entre 1-100 nanómetros, en los se puede introducir nuevas propiedades a partir de nanosistemas.

Los nanomateriales se dividen en: los nanomateriales basados en carbono (nanotubos de carbono),en metales, dendrimeros (usos medicinales), compuestos.

“El desarrollo actual de la Nanociencia y la Nanotecnología no seria posible sin la caracterización a través de técnicas de identificación de materiales, tales como la microscopia electrónica de barrido, de transmisión o de fuerza atómica. Además, es necesario conocer las propiedades de los materiales: estructura, composición, morfología, propiedades térmicas, etc.” (UNAM, 2013)

(UNAM, 2013)

Técnicas e información obtenida para la caracterización de nanomateriales

(UNAM, 2013)

• “Las dimensiones de una huella de nanoidentación son difíciles de medir por métodos de imagen como se hace convencionalmente, por esta razón se han desarrollado métodos que no necesitan hacer imagen de la huella para realizar los cálculos mecánicos; conocidas como DSI e IIT. No obstante, es posible utilizar las características instrumentales de un sistemas de microscopia de fuerza atómica AFM.” (Franco, 2008)

MICROSCOPÍAS DE SONDA DE BARRIDO

“La microscopia de sonda de barrido, SPM, consiste en una familia de formas de microscopia donde una sonda puntiaguda barre la superficie de una muestra, monitorizándose la interacciones que ocurren entre la punta y la muestra.” (Universidad de Córdoba)

Las dos principales Microscopías de sonda de barrido son:

• Scanning Tunneling Microscopy (STM) microscopio efecto túnel

• Atomic Force Microscopy (AFM) microscopio de fuerza atómica.

STM obtención de ciertos datos de una superficie, imágenes a escala atómica, manipulación para el cambio topográfico de una muestra.

SCANNING TUNNELING MICROSCOPY (STM) MICROSCOPIO EFECTO TÚNEL

• El STM se utiliza para la obtención de ciertos datos de una superficie, imágenes a escala atómica, manipulación para el cambio topográfico de una muestra. El STM permite la lectura y la escritura de información, mediante la excitación de los átomos un por uno

Obtenido de: http://www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/scanning/images/stm1.gif

• https://www.youtube.com/watch?v=K64Tv2mK5h4

ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) MICROSCOPIO DE FUERZA ATÓMICA.

Realiza una exploración de la superficie.

Para la técnica de no contacto el cantiléver se excita a un frecuencia cercana a su frecuencia de resonancia (100-400 kHz) a una distancia de la muestra de 10 – 100 Å.

Existe un modo en el que el cantiléver hace contacto con la superficie de 10-8 N y 10-7 – 10-6N, sin embargo este procedimento deteriora la superfície.

• https://www.youtube.com/watch?v=Ha53tFTsmW8

Obtenido de http://www.physics.ncsu.edu/wang/image/webpage%20design-AFM.jpg

APLICACIONES DE LAS MICROSCOPIAS STM Y AFM

Herramienta indiscutible de caracterización de materiales y superficies a nanoescala.

Microelectrónica:

• Medida de semiconductores al vacío y ultra-vacío, cristalografía, estructura, etc.

• Nanolitografía

• utilización de la punta para modificar las superficies.

• Identificación sustratos: epitaxias (dislocación, defectos, ángulos, etc.); rugosidad del sustrato; seguimiento de los procesos de limpieza y de los diferentes tratamientos relacionados con el proceso; etc.

)

Capas finas:

• Medidas de tamaño de grano, distribución, rugosidad y perfil.

Caracterización de materiales orgánicos e inorgánicos:

• Cálculos de parámetros de celda unidad, orientación cristalina, defectos puntuales, crecimientos de monocapas, absorción de moléculas, etc. (Universidad de Córdoba

APLICACIONES DE LAS MICROSCOPIAS STM Y AFM

NANOINDENTADOR HYSITRON

APLICACIONES

Biológicas

Cerámicas

• Polímeros

Películas delgadas

REFERENCIAS

• N.K.Mukhopadhyay and P.Paufler, Micro and Nanoindentation techniques

• Nanomechanical Properties of Solids Surfaces and Thin Films Handbook of Micro/Nanotribology.

• https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3185/1/41764-1.pdf

• http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/1774/03.MGB_CAP_3.pdf?sequence=4

• https://upcommons.upc.edu/e-prints/bitstream/2117/10489/1/AnalesCaractNanomecaLlanes.pdf

• Fischer, Cripps Nanoindentation Testing Springer book

• N. Cuadrado , D. Casellas, Mecánica Mediante la Técnica de Nanoindentación de Partículas Duras

• J. García Molleja Microscopía de Fuerza Atómica (s.f.). Obtenido de: http://www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/scanning/images/stm1.gif

• (s.f.). Obtenido de http://www.physics.ncsu.edu/wang/image/webpage%20design-AFM.jpg

• Franco, M. A. (21 de Julio de 2008). Nanoidentación basada en espectroscopia de fuerzas con un microscopio de fuerza atómica. pág. 88.

• UNAM. (2013). Revista digital universitaria . Obtenido de http://www.revista.unam.mx/vol.14/num5/art07/#

• Universidad de Córdoba. (s.f.). Obtenido de http://www.uco.es/~iq2sagrl/nanomateriales/Tema8-diapositivas.pdf