наконечник для измерения механических параметров материалов

Формула изобретения

Наконечник для измерения механических параметров материалов, изготовленный из твердых материалов, отличающийся тем, что он изготовлен из ультратвердого фуллерита на основе С₆₀.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике контроля материалов и изделий и может быть использовано в составе различных твердомеров и склерометров для измерения механических характеристик различных материалов, в том числе твердых и сверхтвердых.

На сегодняшний день известны наконечники для определения твердости, изготовленные из различных материалов, например алмаза. Выбор материала наконечника обуславливается тем, что его твердость должна превышать твердость исследуемого материала и в процессе измерения наконечник должен пластически модифицировать исследуемый материал. Существующие на сегодняшний день наконечники не удовлетворяют этим требованиям при измерении механических характеристик алмаза, т. к. твердость материала наконечника (алмаз) близка к твердости исследуемого материала (алмаз). В результате отсутствует возможность объективного контроля качества режущих инструментов, абразивного материала, защитных покрытий и др.

Известны наконечники для определения твердости, имеющие различную форму (пирамида, конус, шар и другие), изготовленные из различных материалов (сталь, алмаз и другие) (Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов, Москва, Наука, 1976).

Наиболее близким к данному изобретению техническим решением является наконечник Виккерса, изготовленный из алмаза в форме пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине между гранями 136^o. Недостатком такого наконечника является то, что при измерении твердости алмаза твердость наконечника близка к твердости исследуемого материала, что не позволяет получать достоверные значения для твердости алмаза (R.L. Smith, G.E. Sandland. J. Iron and Steel Inst., 1925, v. 1, 285).

Задачей данного изобретения является измерение механических свойств алмаза и других твердых и сверхтвердых материалов (например, кубический BN, вюрцитный BN, лонсдейлит, сверхтвердые фуллериты). Поставленная задача достигается тем, что наконечник изготовлен из углеродного материала - ультратвердый фуллерит, полученного на основе молекул C₆₀, твердость которого превышает твердость алмаза. Поэтому твердость наконечника превышает твердость исследуемого материала, что позволяет получать достоверные значения для твердости алмаза и других, в том числе сверхтвердых, материалов.

Наконечники из ультратвердого фуллерита могут быть изготовлены тех же форм и размеров, что и алмазные наконечники, вместо которых предлагают использовать наконечники из ультратвердого фуллерита.

Использование наконечников из ультратвердого фуллерита, например в электроаккустических твердомерах, позволит измерять различные механические параметры (модуль Юнга, коэффициент вязкости и др.) сверхтвердых материалов, в том числе без разрушения поверхности.

Описанный наконечник был использован в качестве иглы зонда атомно-силового микроскопа, позволяющего идентировать и царапать поверхность с последующим получением изображения области индентирования. Применение атомно-силового микроскопа обусловлено тем, что он позволяет проводить измерения отпечатка с большей точностью, чем оптический микроскоп.

Твердость различных материалов, перечисленных в таблице, определяли одновременно методом склерометрии наконечником из ультратвердого фуллерита в атомно-силовом микроскопе (столбец "Твердость, атомно-силовой микроскоп") и с помощью стандартного твердомера ПМТ-3 с алмазным наконечником Виккерса (столбец "Твердость по Виккерсу") методом индентирования. Наконечник из ультратвердого фуллерита калибровали по эталонному образцу с известной твердостью. В качестве эталона был выбран образец сапфира. Ширина царапины в склерометрических тестах составляла около 0,6 мкм. В таблице приведены стандартные отклонения .

На фигуре 1 (а, б) в качестве примера приведены изображения царапин, нанесенных наконечником из ультратвердого фуллерита в атомно-силовом микроскопе для определения твердости методом склерометрии на поверхности топаза (фиг. 1а) и грани (111) алмаза (фиг. 1б). Изображения получены в атомно-силовом микроскопе, где отчетливо видны пластические навалы по бортам царапины.

Использование наконечников из ультратвердого фуллерита, например в электроакустических твердомерах, позволит измерять различные механические параметры (модуль Юнга, коэффициент вязкости и др.) сверхтвердых материалов, в том числе без разрушения поверхности.