مدل‌سازي خواص ويسكوالاستيك فيلم‌ها و لايه‌هاي پليمري جامد با استفاده از يك رهيافت فروروي نانو تماسي

Modeling of viscoelastic properties for polymeric thin solid layers using a contact nanoindentation approach

با گسترش تكنولوژي در استفاده از مواد با ساختار بسيار كوچك ديگر آزمايش‌هاي فشاري و كششي متداول را نمي‌توان به آساني براي اندازه‌گيري و تعيين خواص ويسكوالاستيك پذيرش خزشي (creep compliance) و يا مدول وارهيدگي (relaxation modulus) اين گونه مواد مانند فيلم‌هاي نازك، توده‌هاي بسيار كوچك، مواد هدفمند جديد، نانو كامپوزيت‌ها و رويه‌ها و پوشش‌هاي نامتجانس بكار برد. با توجه به پيشرفت‌هاي اخير در تحليل فروروي تماسي پيكره‌هاي ويسكوالاستيك، تعيين دقيق مشخصه‌هاي خزشي و وارهيدگي جامدات ويسكوالاستيك با تكنيك فروروي نانو (nanoindentation) امكان پذير گرديده است. در اين مقاله، پس از بيان روش‌هاي تعيين خواص الاستيك فيلم‌ها و لايه‌هاي پليمري به ارايه يك رهيافت توانمند رياضي بر اساس مكانيك تماس به منظور تعيين مستقيم خواص ويسكوالاستيك با استفاده از روش نوظهور فروروي نانو پرداخته مي‌شود. در تحليل‌هاي وارهيدگي از يك تاريخچه جابجايي نرخ ثابت و در تحليل‌هاي خزش از يك تاريخچه بارگذاري نرخ ثابت استفاده گرديده است كه خواص پليمري با انطباق تيوري‌هاي مكانيك تماس ويسكو الاستيك در داده‌هاي بار - جابجايي به دست آمده اند. در تيوري‌هاي تماس ويسكوالاستيك از مدل جامع ماكسول (Maxwell) تعميم يافته به منظور مدل‌سازي رفتار وارهيدگي و از مدل كلوين (Kelvin) تعميم يافته براي مدل‌سازي رفتار خزشي فيلم‌هاي ويسكوالاستيك بهره گرفته شده است.

By increasing use of very small structures, thin films, functionally graded materials, nanocomposites, and heterogeneous surfaces in various engineering areas the conventional tensile and compression tests cannot be readily used for measurement of the viscoelastic relaxation modulus and creep compliance of such materials. Recent developments in the indentation contact analysis for viscoelastic bodies, an exact evaluation of relaxation and creep characteristics of viscoelastic solids has been prepared to use the nanoindentation. In this paper, after representing the measurement methods of elastic properties for the polymeric films and layers, a powerful mathematical approach, based on contact mechanics, was developed to describe viscoelastic characteristics directly by using the novel nanoindentation technique. Independently, a constant-rate displacement and a constant-rate loading histories were used to measure the creep compliance and relaxation modulus from nanoindentation tests, respectively. The viscoelastic moduli, using the viscoelastic contact theories, have been extracted to the nanoindentation load-displacement data. A generalized Maxwell model and a generalized Kelvin model were used to describe the creep and the relaxation constitutive behaviors of viscoelastic layers, respectively.