AFM原子力显微镜 App

文摘   科学   2024-05-17 08:08   江苏  




在【可粘附性: 附着力的正确测试方法——《附着力科学:原理与实践》(贰肆)】中, 有这么几段话:



我们第一次有了一个与真正的附着力物理学有关的可粘附性测试,而不是使用不可靠的表面能附着力方法。这样的测试同样适用于PET表面的准分子非晶化(表面能没有变化),铬酸蚀刻,或任何可能影响表面形态的技术的附着力测试,而无需考虑化学功能是否发生变化。


对此还有很多未知,因为目前还没有认真的努力去实施这样的测试。我们应该使用的“毛状的球体”是什么? 应该使用的最大负载是多少? 负载应该保持接触多长时间? 滞后应该有多大? 考虑到附着力如此依赖于速度【φ(v,T)现象】,应该使用多大的卸载速度? 如何区分耗散的近界面效应和交合的近界面效应?


如果我们有合适的设备,这些问题可以很容易地得到回答。上述实验最好使用SFA来完成。另一种选择是使用AFM或纳米探头(实为纳米压痕仪, 下同)。


令人高兴的是,将负载与距离曲线转换为JKR曲线并不太难,因此通过软件/app可以解决上面的这个问题。许多团队都有AFM,在正确的人手中,AFM可以做得很好。令人着迷的是,一些论文在原子力显微镜上使用布鲁克峰值力敲击模式(Bruker Peak Force Tapping Mode)来绘制出聚合物在界面上的不同方面,也就是说,它就像一个可粘附性扫描显微镜。布鲁克用杨氏模量、变形、附着力和耗散来描述上述图。令人兴奋的是“耗散”一词的使用,这个词在讨论附着力时使用得太少了。



然后就提到一个关于原子力显微镜的app,本文是对此app的翻译:


虽然 JKR 实验非常重要,但对我们大多数人来说并不实用。因此,我们在此讨论如何使用原子力显微镜(AFM)或纳米探头来探索附着力和可粘附性。此外,本页下方还提供了从原子力显微镜或纳米探头曲线到 JKR 式数据的建模方法。


在理想的世界里,我们都会拥有用于测量附着力的 SFA(Surface Force Apparatus表面力仪)。它们是完美的工具,因为它们可以测量关键参数接触宽度 (a) 与施加外力 F 的关系。从 SFA 可以直接计算出加载和卸载曲线中的附着力功。


遗憾的是,SFA 比较少见,而且有操作困难的恶名。另一方面,(小型)原子力显微镜(AFM)和(大型)纳米探头相对常见,只要有一个球形探针(而不是用于测量模量和硬度的 Berkovitch 针尖),就可以得到位移与力的关系曲线(如下图所示),再花点功夫,就可以从中提取出附着力的功。经验表明,纳米探头是一种比原子力显微镜更可靠的方法,其技术原因与施力方式有关。下面的方法对纳米探头很有效。同样的理论也适用于原子力显微镜,但文献似乎暗示提取准确数据的难度更大,因为存在悬臂不确定性,探针半径非常小,取样区域非常小,与被测涂层的厚度存在一些问题。



文献表明,从压头实验中提取有意义的 JKR 数据似乎非常困难。幸运的是,唐娜-艾本斯坦(Donna Ebenstein)的论文突破了广义拟合的许多复杂问题。如果球形针尖的半径R与接触宽度相比则较大(例如 100μm 或更大),以及压痕深度与样品厚度相比较小,那么下面的分析就很有效。(如果(4RE*/3πγ)0.333 >10,则不需要使用更复杂的球形冲头几何形状)。在此模拟中,实际实验的预期输出实际上是输入,因此您可以看到曲线是什么样子。实际上,加载和卸载曲线都与相应的方程相匹配,以便提取关键参数。


压痕与力


在理想的实验中,压痕是完全已知的,因为初始接触点是完全已知的。在实际操作中,探针何时接触存在很大的不确定性(特别是当探针有吸引力的 “跳跃 ”将其拉入接触点时)。因此,必须通过拟合得到接触时的位移 δ 值δ0。位移与接触宽度的关系式是已知的,如果已知零力时的接触宽度 a0,就可以计算出位移与接触宽度的关系式。但在纳米探头上当然无法知道这个值是多少。因此这也必须通过拟合获得。最后,分析需要知道最高负载荷 Padh。在现实中,由于突然的拉断事件,这一点可能很难确定,因此它也必须是一个拟合参数。


艾本斯坦方程为:


因此,根据数据拟合得到的 δ0a0Padh就 可以计算出附着力的功,即:


该曲线还取决于缩减模量(reduced modulus) Er,计算公式为:


Er取决于压缩球和样品的模量。在许多情况下,假定球体与样品相比是无限坚硬的,比如球体由玻璃制成。在实际附着力中,我们通常对两种相对较软的材料的接触感兴趣(因为我们希望它们相互交合或缠结),因此Er 是两种模量及其泊松比 ν(假设为 0.3,除非你认为其中一种是橡胶,在这种情况下,泊松比为 0.5) 的混合物:



通常情况下,对于附着力来说,模量并不重要,但如果重要的话,就必须找到一种方法,从缩减模量改到单个值上。


为了探究这一切的意义,请输入加载曲线的纯表面能γl。添加您对δ0(默认值为 0)、a0 和 Padh 的估计值,记住这些值将是曲线拟合的输出值,而本模型的曲线拟合是由所有这些输入值生成的。同时添加 δmax 以显示压痕的上限。确保该值远小于样品厚度。


输出的是附着力的功(卸载时), γu ,如果存在缠结,该值可能会很高;缩减模量Er;接触时的载荷跃变Pjump;以及载荷变为最大负值时的δmin。在实际实验中,在δmin以下的曲线会继续延伸,但很难模拟出令人信服的结果,也无法用于数据拟合。


在实践中如何使用这种技术?如果目的是了解两种相关材料之间的附着力,您必须在玻璃等固体基底上制作一种材料的(相对较厚的)涂层,这并不难。但您还必须将第二种材料制成一个球体,并将其固定在探针上。这并不容易!或者,您必须找到一种方法,在球形探针上涂上一层第二种的材料,并使它足够均匀,从而使结果有意义。其关键在于,我们终其一生都在做大量有关附着力的工作,但获得的信息却太少。只要花些微薄之力改进这种纳米探头技术,我们就能获得大量的信息,从长远来看,这些信息所获得的回报将远远超过我们在测量中所付出的努力。



点击最下面的【阅读原文】可以直达该app网页:



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