PROPIEDADES NANOMECÁNICAS EN POLÍMEROS...2 4 Fibras de carbono Displacement Into Surface, h [nm] 0...
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PROPIEDADES NANOMECÁNICAS EN POLÍMEROSPOLÍMEROS
PAT R I C I A E N R I Q U E J I M É N E Z
G R U P O D E P R O P I E D A D E S F Í S I C A S Y N A N O E S T R U C T U R A D E P O L Í M E R O S
D E P A R T A M E N T O D E F Í S I C A M A C R O M O L E C U L A R
Ó ÓX V C U R S O D E I N I C I A C I Ó N A L A I N V E S T I G A C I Ó N E NE S T R U C T U R A D E L A M A T E R I A
ÍNDICEÍNDICE• Propiedades mecánicas de los materiales p
poliméricos.
• Definición y medida de las propiedades y p pnanomecánicas.
• Ejemplos.
ÍNDICEÍNDICE• Propiedades mecánicas de los materiales p
poliméricos.
• Definición y medida de las propiedades y p pnanomecánicas.
• Ejemplos.
MATERIALES COMPUESTOS
MATRIZ NANORREFUERMATRIZ POLIMÉRICA
NANORREFUERZO
Elastómeros C b á(SEBS) Carbonáceo
Commodity (PP, PE) Inorgánico
Altas Prestaciones (PEEK PPS)(PEEK, PPS)
MATERIALES JERÁRQUICOS
MATRIZ POLIMÉRICA NANORREFUERZO
Elastómeros (SEBS) Carbonáceo(SEBS)
Commodity (PP, PE)
Carbonáceo
PE)
Altas Prestaciones
Inorgánico
Prestaciones (PEEK, PPS)
FIBRAS DE CARBONO O
Nanocompuesto grafeno‐polímeroFibras de carbono o de vidrio
CARBONO O VIDRIO
ÍNDICEÍNDICE• Propiedades mecánicas de los materiales poliméricos.p p
D fi i ió did d l i d d • Definición y medida de las propiedades nanomecánicas.• Microdureza• Nanoindentación
• Ejemplos• Ejemplos.
Experimento de microdurezaExperimento de microdureza
Indentación: Se basa en la resistencia que ofrece un material a la aplicación de una fuerza.
20 µm
Experimento de microdurezaExperimento de microdureza
Indentación: Se basa en la resistencia que ofrece un material
P
a la aplicación de una fuerza.
AP
H =A
20 µm
Tipos de puntas
VICKERS: pirámide de 4 caras
Tipos de puntas
VICKERS: pirámide de 4 caras (base cuadrada).
BERKOVICH: pirámide de 3 caras.
FLAT PUNCH:
CÓNICAS:
Ensayo de MicrodurezaEnsayo de Microdureza
Medidas “in-situ”, sin P tid d dnecesidad de
modificar o adaptar Poca cantidad de
muestra.la muestra.
Ensayo de NanoindentaciónEnsayo de Nanoindentación
Gran resolución Diferenciar propiedadesGran resolución espacial.
Diferenciar propiedades mecánicas de láminas
delgada y recubrimientos.p
10
Matris,
H [M
Pa]
6
8Matriz polimérica
Har
dnes
s
2
4
Fibras de carbono
Displacement Into Surface, h [nm]
0 100 200 300 4000
carbono
Ensayo de NanoindentaciónEnsayo de Nanoindentación
Gran resolución Diferenciar propiedadesGran resolución espacial.
Diferenciar propiedades mecánicas de láminas
delgada y recubrimientos.p
Matri10
Matriz polimérica
s, H
[MP
a]
6
8
Fibras de carbono
Har
dnes
s
2
4
carbono
Displacement Into Surface, h [nm]
0 100 200 300 4000
ÍNDICEÍNDICE• Propiedades mecánicas de los materiales poliméricos.p p
D fi i ió did d l i d d á i• Definición y medida de las propiedades nanomecánicas.• Microdureza• Nanoindentación
• Ejemplos.
EXPERIMENTO DE NANOINDENTACIÓN
>EXPERIMENTO DE NANOINDENTACIÓNPmax
AD
LOA
>
DEPTH
>EXPERIMENTO DE NANOINDENTACIÓNPmax
AD
LOA
>
DEPTH hmax
>EXPERIMENTO DE NANOINDENTACIÓNPmax
AD
LOA
>
DEPTH hmax
>EXPERIMENTO DE NANOINDENTACIÓNPmaxTeoría de la elasticidad
de Sneddon, 1965
AD
Indentador
LOA
a
Indentador rígido
Cuerpo elástico
>
DEPTH hmax
elástico
N i d t ióNanoindentación
Aplicado por primera vez ananoindentación por Doerner y Nix(1986) e implementado por Oliver yPharr (1992).
1.0
Rigidez de contacto
( )
N]
0.8
0
Pmax
Área de contacto
Load
[mN
0.4
0.6
0 100 200 300 400 5000.0
0.2
hmax
Displacement [nm]
N i d t ióNanoindentación
Microscopio
Cabezal 1: mayor carga
(mN)( )
Plataforma:
Cabezal 2: alta precisión
(µN)Plataforma: muestras
(µN)
ÍNDICEÍNDICE• Propiedades mecánicas de los materiales p
poliméricos.
• Definición y medida de las propiedades y p pnanomecánicas.
• Ejemplos.
Polipropileno reforzado con grafeno y laminado con fibra de carbono
Matriz polimérica
Fibras de
carbono
10 µm
Polipropileno reforzado con grafeno y laminado con fibras de carbono
Polipropileno reforzado con grafeno y laminado con fibras de carbono
40
]
30
E' [
GPa
]
20
10
h [nm]10 20 30 40 50 60 70 80
0
h [nm]
Polipropileno reforzado con grafeno y laminado con fibras de carbono
40
]
30
E' [
GPa
]
20
10
h [nm]10 20 30 40 50 60 70 80
0
h [nm]
Polipropileno reforzado con grafeno y laminado con fibras de carbono
40
]
30
E' [
GPa
]
20
10
h [nm]10 20 30 40 50 60 70 80
0
h [nm]
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)
Esferulitas de P(HBHV)120 indentaciones
Esferulitas de P(HBHV)
separadas por 1 µm a lo largo de la líneanegra.
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)Las variaciones en las
i d d á i lpropiedades mecánicas a lo largo de la línea coinciden
l i ó ticon la imagen óptica.
Representación del módulo demódulo de almacenamientopara unapara unapenetraciónconstante de 100constante de 100 nm.
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)
E' [GPa]
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)
E' [GPa]
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)
E' [GPa]
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)
5 µm
5 µm
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)
5 µm
5 µm
5 µm
Esferulitas de P(HBHV)Esferulitas de P(HBHV)
Las microscopías ópticas y de fuerzas atómicas coinciden con las
5 µm
variaciones de propiedadesmecánicas.
5 µm
5 µm
La técnica de nanoindentación permite:Determinar las propiedades mecánicas en unmaterial y sus interfases.yMapear las propiedades mecánicas desistemas nanoestructuradossistemas nanoestructurados.Medir las propiedades mecánicas de películasdelgadas, recubrimientos, inhomogeneidadesa través del espesor de los materiales, etc.p ,