Preambul
Termenul auxetic provine din cuvantul grecesc auxetos, care inseamna cel care creste. Materialele cu coeficient Poisson  negativ sunt materiale auxetice. In loc sa devina mai subtiri asa cum se intampla cu o bara supusa la elongatie, materialul auxetic devine gros,expandand lateral atunci cand este intins. Un sistem auxetic este compus din materiale diferite cu proprietati diferite si cu o noua arhitectura mecanica bazata pe proprietati croite, la cerere. De exemplu, materialul auxetic reinforsat cu fibre de carbon sau compozite polimerice cu micropori sunt sisteme auxetice cu proprietati noi de rezistenta si amortizare dincolo de limitele ingineresti cunoscute [1]. Conform cu raportul originar a lui Iijima [2] (cel care a descoperit nanotuburile de carbon in 1991), nanotuburile de carbon sunt recunoscute ca materiale fascinante cu dimensiuni nanometrice care deschid noi arii extraordinare in inginerie. Ne referim la o clasa noua de materiale amortizante nanostructurate care prezinta proprietati acustice deosebite in comparatie cu polimerii viscoelastici traditionali. Pe langa dimensiunea nanometrica (raport mare dintre aria suprafatelor si volum), rigiditate mare, densitate mica, stabilitate termica excelenta si conductivitate termica extremde mare, nanotuburile de carbon admit o capacitate de amortizare extrem de inalta si de absorbtie a zgomotului.
In acest proiect pentru evaluarea si determinarea proprietatilor elastice si vasco-elastice ale compozitelor construite pe baza de materiale auxetice si nanotuburi de carbon (nanopanouri acustice) se utilizeaza o metoda si teorie noua adaptate la o instrumentatie noua de testare la nivel nanometric, si anume un indenter de generatia a doua, al carui concept este unul din obiectivele acestui proiect. Ca un stufiu de caz se considera nanopanourile acustice.
Conceptul proiectului: nevoi comerciale si tehnologice, solutii stiintifice
Motivele etice si practice care asigura ca materialele si produsele sa fie ceeace trebuie sa fie, reprezinta inima indistriei comerciale de testare. Aplicatiile si echipamentele care evidentiaza abilitate de amortizare pot avea success numai daca mecanismele primare ale amorizarii si a proprietatilor mecanice sunt cunoscute cu prtecizie. Prin anii 2000 existau numai 5 nanoindentere in lume, iar astazi exista cel putin 5 fabrici care produc nanoindentere, si aproap 180 laboratoare in Europa in domeniul instrumentatiei de testare prin nanoindentare. Pana in 2006, au fost vandute 1300 nanoindentere in UE si aproape 150000 in US. Aproape toate universitatile din Europa au cumparat cel putin un indenter, capabil de o forta maxima 1200 mN cu rezolutie 0.1 N si o deplasare maxima 200m cu rezolutie 0.02 nm (un nanoindenter costa aproximativ 250000 euro). Cresterea venitului in industria de nano-instrumente este prezentata in diagrama de mai jos.
Piata de indentere in Europa este in pierdere datorita competitiei cu US care vand mai ieftin, si unde piata de nanoindentere se dezolta cu repeziciune, explodand in bani reali. Compania Minnesota Hysitron company (fondata de Wyrobek in 1993) a primit un prim grant pentru a fabrica un nanoindenterde la guvernul federal, in valoare de $70,000 in 1993, si de atunci compania s-a dezvoltat vertiginous – de la mai putin de $700,000 venit in 1995 la mai mult de $6 milioane venit in 2000 si la $14 milioane venit in 2005, si mai mult de $45 milioane venit in 2006. Trebuie sa specificam ca tehnologia curenta nu este calabila sa evalueze si sa prezica capacitatea de amortizare a unei structuri sau material deoarece nanoindenterele conventionale sunt utilizate pentru a caracteriza doar proprietatile elastice ale materialelor [3]. Caracterizarea amortizarii materialelor este o problema deschisa, fiind limitata de o intelegere incompleta si o cunoastere incompleta a proprietatilor materiaellor la nanoscara. Metodelke existente esueaza in regim nanoscopic si nu pot prezice amortizarea, deoarece fenomene importante nu sunt luate in consideratie. Acest proiect este conceput pe 3 ani cu principala tinta catre IMM-uri. Inovatia si ideia noua consta in proiectarea virtuala a unui nou nanoindenter capabil sa masoare proprietatile elastice si viscoelastice a nanomaterialelor, in special capacitatea de amortizare. Aceasta inovatie este de natura nanotehnologica fiind adresata nano-manufacturii sub forma unui sistem inteligent de interes pentru testarea materialelor din industria nanotehnologica. Pasii care conduc la realizarea obiectivelor inovative ale proiectului sunt : ▪ dezvoltarea unei noi metode bazata pe o tehnica noua de nanoindentare ▪ dezvoltarea unui concept nou de nano-instrumentatie care sa fie capabila sa masoare proprietatile elastice si vascoelastice ale materialelor, cu predilectie asupra testarii capacitatii de amortizare la nanoscara si desigur un nou software. Rezultatul asteptat este conceperea si proiectarea virtuala a unui nou nanoindenter de mare intere4s pentru IMM-uri, care sa marcheze cea de a doua generatie de sisteme si instrumente de nanoindentare, operand in regim nano- si microduritate si extinzand capabilitatile de testare a primnei generatii de instrumente. De ce este amortizarea importanta? Amortizarea este fenomenul prin care energia mecanica se disipa in sistemele dinamice. Cunoasterea capacitatii de amortizare a unui material este importanta in utilizarea si testarea materialelor noi inovative, a echipamentelor de control, reducere si suprimare a vibratiilkor si a zgomotului [4]. De ce avem nevoie de un nou echipament pentru caracterizarea amortizarii? Rezultatele recente in imbunatatirea si optimizarea amortizarii nanomaterialelor la nivel nanoscopic, raporteaza noi structuri care sunt utilizate la scara larga in aplicatii aerospatiale si marine datorita rigiditatii lor specifice, a rezistentei mari si a capacitatii de reducere sau suprimare a zgomotului.
Conceptul acestei propuneri reprezinta o noua viziune privind nanomaterialele cu proprietati acustice deosebite care permit o mai buna absorbtie a zgomotului, si care rezulta si continua foarte recentele rezultate stiintifice in domeniul nanopanourilor acustice inteligente. Aceasta propunere este focalizata pe avansarea unei noi metode si a unui nou nanoinstrument de testare care sa sa fie capabile sa caracterizeze proprietatile nanopanourilor acustice inteligente, in scopul controlului local al zgomotului in spatii umane si generarea unei zone linistite in avioane, vehicule si in arii de manufactura foarte zgomotoase. Nanopanourile sunt realizate din folii nanocompozite (NF) si sisteme micromecanice (MEMs) bazate pe senzori acustici si de vibratie. Nanocompozitele NF contin incluziuni puternic integrate de materiale auxetice si nanotuburi de carbon. Materialele auxetice au coeficientul Poisson negativ si expandeaza atunci cand sunt supuse la intindere sau compresiune, fenomen de interes practic in suspendarea zgomotului. Nanotuburile de carbon au avantaje directe in cresterea capacitatii de amortizare prin alunecarea interfaciala nanotub-nanotub si nanotub-polimer, fara sacrificarea proprietatilor mecanice sau a integritatii structurale. Caracterizarea NF este esentiala atat pentru cercetatori cat si pentru producatorii de nanomaterial, in particular pentru IMM-uri, pentru a deveni constienti de cunoasterea starii actuale a instrumentelor de testare si a noilor tehnici de caracterizare a materialelor nanostructurate.
Proiectul se bazeaza pe o noua viziune privind caracterizarea amortizarii prin metode teoretice si computationale avansate, care sa asigure intelegerea relatiei dintre amortizare, nanocontact si indentare. Indentarea este insotita de o serie de fenomene raportate experimental dar neexplicate de teoriile existente. Nucleul proiectului consta in clarificarea acestor fenomene (ENERGIA DISCONTINUA DE LEGATURA ADEZIVA, HISTERESIS, DIFUZIE, FLUAJ, DISLOCATII, FORFECAREA ATOMICA, CURGERE PLASTICA, RELAXARE, GRADIENTI DE TEMPERATURA). Progresul stiintei materialelor este strans legat de achizitionarea de metode de modelare puternice si riguroase care fac posibila examinarea structurii atomice si electronice la nivel nanometric. Echipamentul virtual, conceptul de proiectare este capabil sa controleze procesele pe un domeniu large de scari metrice, de la scara atomica la scara macroscopica, fiind desemnat sa aiba o rezolutie inalta si sensibilitate crescuta. In crearea si descoperirea de noi materiale, acest nanoinstrument este capabil de manipularea si controlul capacitatii de amortizare a materialelor la nivel atomic.
Starea actuala
Istoria instrumentatiei la nanoscara este relativ scurta, in jur de douazeci de ani. Primele studii s-au facut 1981 cand Heinrich Rohrer si Gerd Binnig (IBM Research in Zurich), au inventat microscopul STM (scanning tunnelling microscope). De atunci o serie de masini si instrumente au fost inventate si construite, incluzand in mod special microscopul AFM (atomic force microscope).Motivatia acestui proiect consta intr-o viitoare dimensiune a pietii de nanoinstrumentatie in Europa, si in mod special in Romania. Competitia este globala in acest domeniu, dar cele mai multe piete sunt dominate de companiile US. Acest proiect ofera un mod de intelegere a importantei strategice a nanoinstrumentatiei in nanotehnologie si sugereaza cateva chei pentru investitii. Nanoindentarea este o arma puternica de investigare a proprietatilor mecanice ale materialelor la mici dimensiuni. Ne referim la testarea sensibila a adancimii de indentare in domeniul nanometric prin utilizarea echipamentelor care realizeaza indentari fine si inregistreaza in acelasi timp forta si deplasarea cu mare acuratete si precizie, si modele de analiza avansate care interpreteaza datele experimentale pentru a obtine rigiditatea, duritatatea si alte proprietati mecanice [5]. Testele de indentare clasica ale lui Brinell, Vickers, Knoop, si Rockwell [6] au fost utilizate initial si sunt utilizate si in prezent pentru a masura modulul de elasticitate al lui Young si duritatea materialului bazate pe teoriile clasice liniare ale elasticitatii [7] fara sa se obtina informatii privind proprietatile viscoelastice si capabilitatile de amortizare ale materialelor.
Limitarile teoriilor existente
Limitarile metodelor curente de nanoindentare sunt: ▪ calculul modulului de elasticitate al lui Young (bazat pe curba de descarcare) si a duritatii este limitat la materiale izotrope, liniare ▪ problemele asociate cu fenomenle de pile-up sau sink-in la frontiera indenterului in timpul procesului de indentare ramane o problema care genereaza multe discutii ▪ nu se ofera nicio informatie asupra proprietatil,or elastice si vascoelastice pentru materiale nanostructurate anizotrope, neomogene si neliniare ▪ nu se obtine nicio informatie relativ la evaluarea si masurarea capacitatii de amortizare a materialelor nanostructurate [8], [9] ▪ teoriile existente esueaza inafara domeniului mecanicii clasice liniare. Proprietatile materialelor la dimensiune mica sunt foarte diferite de cele la macroscara [10], [11], [12]. Principala limita este data de faptul ca efecte intim legate de interactiuni la diferite scari metriceoneaza nu sunt luate in consideratie in teoriile existente pe care se bazeaza masuratorile prin nanoindentare (avalansa de discontinuitati ale energiei adezive de legatura,histeresis, curgere difuzionala locala, fluaj, generarea si multiplicarea dislocatiilor, forfecarea omogena a planurilor atomice, curgerea plastica, relaxare, gradienti de temperatura [13]). Datorita acestor scapari, teoriile existente nu sunt capabile sa determine cu acuratete si consistenta capacitatea de amortizare a unui material. Aceasta cerinta este importanta in aria materialelor unde amortizarea poate servi la manipularea si controlul structurii in situ la nivel atomic si nanometric. Eficienta si acuratetea tesatrii materialelor nanostructurate si a altor materiale conform standardelor existente STM trebuie imbunatatite sau inlocuite pentru a obtine noi standarde. Multe laboratoare si IMM-uri sunt interesate sa cumpere noi instrumente de tesater pentru a reduce timpii de testare si de a imbunatati reliabilitatea masinilor de testare.
Ce teorii si concepte noi avanseaza acest proiect ?
Proiectul se focalizeaza pe: (1) dezvoltarea unei noi tehnici de nanoindentare si masurare bazate pe o teorie noua si anume teoria nelocala a mediului continuu [14] si teoria solitonilor [15], [16], [17] in analiza si caracterizarea amortizarii si a proprietatilor elastice si vascoelastice [18], [19]; (2) dezvoltarea unei instrumentatii de nanoindentare adecvate pentru masurarea capacitatii de amortizare la nanoscara si inclusiv softul corespunzator. Proiectul se bazeaza pe rezultatele anterioare ale directorului de proiect si ale echipei de cercetare in analiza testelor de nanoindentare pentru filme subtiri din diamondlike carbon si filme subtiri modulate [13]. S-au studiat structuri honeycomb si structuri hexagonale chirale (noncentosimetrice) cu coeficient Poisson negativ)(fig.1), placi compozite din aluminiu si material auxetic (figs.2 si 3) si nanotuburi de carbon, franghii din nanotuburi de carbon (figs.4 si 5) [20-22]. Detalii in [23] si [24]. Nanotuburile de carbon, incepand cu structura lor moleculara si legile constitutive si terminand cu incovoierea si ruperea lor, care are loc prin propagarea unui defect modelat prin lipsa unui atom din peretele tubului. In urma descoperirii  de catre Curl, Kroto si Smalley (premiul Nobel pe anul 1996), a fost inteleasa metoda covalenta de formare a nanotuburilor de carbon, care au fost descoperite in anul 1991 de catre Iijima. Nanotuburile de carbon sunt rezistente din punct de vedere mecanic (de 100 ori mai rezistent decat otelul), sunt usoare (densitatea este de 2 ori mai mica decat a aluminiului), au conductivitate excelenta (de 5 ori mai mare decat a argintului) si sunt in miniatura, exemple de fire atomice utilizate la fabricarea compozitelor.
Fig.1. O structura honeycomb (stanga) si o structura hexagonala chirala (noncentosimetrica) cu coeficient Poisson negativ (dreapta) [20], [21].
Fig. 2. O placa compozita (aluminiu si material auxetic) [20], [21].
Fig. 3. Variatia modulului de elasticitate al lui Young in raport cu coeficientul lui Poisson pentru un material auxetic [20], [21].
Fig. 4. A cross section of a zigzag single-walled nanotube of carbon [22].
Fig. 5. Generarea deformatiilor solitonice la incovoierea nanotubului de carbon [22]..
Obiectivele acestui proiect contribuie la implementarea unei viziuni noi in nanotehnologie, si anume bazata pe ideia simularii la scara atomica si de a construi pe baza acestei s8imulari noi tipuri de experimente, de exemplu pentru studiul compozitelor ceramica-nanotuburi de carbon, nanocontacte, nanopanouri acustice cu materiale auxetice si nanotuburi de carbom. Vom intelege mai bine in ce mod masuratorile prin nanoindentare pot fi utilizate aplicand teoriile cuplate atomistic-mesoscopic-macroscopic pentru a rezulta explicatii plauzibile pentru fenomenele complexe care insotesc nanoindentarea si in mod datele experimentale pot fi interpretate si cum se pot initia noi tipuri de experimente. Cunosterea curenta si instrumentatia existenta esueaza cand este vorba de proprietatile de amortizare a materoalelor la nivel de 10 nm sau mai putin. De exemplu, amortizarea vibratiilor devine o cerinta importanta in proiectarea vehiculelor si a structurilor aerospatiale. Consideratii de design presupun minimizarea amplitudinilor de rezonanta si extinderea duratei de viata ai materialelor si a structurilor supuse la oboseala. In present, din analiza dinamica se obtin informatii limitate privind amortizarea pentru materialele cu amortizare redusa, insa pentru materialele cu amortizare mare cum este cauciucul, rezultatele sunt departe de realitate. Un rezultat incorect privind capacitatea de amortizare a materialelor poate cauza schimbari de design care pot cauza reduceri nedorite ale rezistentei si rigiditatii. Noul concept consta propus in acest proiect consta in construirea unei linii de indentere care se misca cu viteza v, unele din ele actionand pe fiecare parte a suprafatei probei in directii opuse, sau actionand pe o parte, cealalata parte a probei fiind incastrata (fig.6). In acest fel este posibila evaluarea nu numai a proprietatilor elastice dar si a capacitatii de amortizare, libere de efectul de substrat. Principalel rezultate al;e echipei de cercetare care stau la baza prezaentei cercetari sunt ● Modelarea locala a contactului fara frecare ● Modelarea locala a contactului cu frecare ● Dezvoltarea de modele ale suprafetelor in contact la scara continua macroscopica. Modelul Derjaguin, Muller si Toporov ● Teoria nelocala de tip Eringen ● Modelarea nelocala a contactului elastic ● Problema lui Boussinesq. Solutia lui Sneddon ● Ecuatiile integrale duale ale lui Sneddon. Solutii exacte ale stantei plane de forma arbitrara ● Dezvoltarea de modele la scara mezoscopica si la scara nanoscopica ● Teorii cuplate atomistic-continue ● Analiza fenomenului de adsorbtie ● Rezolvarea numerica a problemei indentarii cu ajutorul elementelor finite
O metoda eficienta de determinare a proprietatilor mecanice de rezistenta si amortizare ale materialelor consta in indentarea unei suprafete-esantion cu un indenter de geometrie cunoscuta. Echipa a studiat problema indentarii unui semispatiu elastic izotrop cu un indenter rigid cu baza plana, problema cunoscuta si sub numele de problema stantei cu baza plana (fig. 7) .
Fig.6. Reprezentarea schematica a conceptului a doua inedentere care se misca cu aceeasi viteza in aceeasi directie pe suprafata probei.
Fig. 7. Indentarea unei suprafete-esantion cu un indenter plan.
[1] Lakes, R. S., Experimental micro mechanics methods for conventional and negative Poisson's ratio cellular solids as Cosserat continua, J. Engineering Materials and Technology, 113, 148–155, 1991.
[2] Iijima, S., Helical microtubules of graphitic carbon, Nature, London, 354, 56–58, 1991.
[3] J.L.Hay, G.M. Pharr, Instrumentated indentation testing, ASM Handbook vol. 6 Mechanical testing and evaluation 2000, pp.231-242.
[4] De Silva, Clarence W., Vibration: Fundamentals and Practice, Boca Raton: CRC Press LLC, 2000.
[5] K.L. Johnson, Contact Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge, MA, 1985.
[6] W.D., Calliste. Jr., Materials science and engineering - An introduction, New York: John Wiley & Sons, Inc., 1996.
[7] W.C. Oliver, G.M. Pharr, An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments, J. Mater. Res., vol 7, no. 6, 1992, pp 1564–1583.
[8] J.L.Loubet, B.N. Lucas, W.C. Oliver, Some measurements of viscoelastic properties with the help of nanoindentation, NIST Special Publication 896: International Workshop on Instrumented Indentation, 1995, p 31–34.
[9]V.Chiroiu, M.Mihailescu, L.Munteanu, ch.3, Applications of smart materials in engineering, in Advanced Engineering in Applied Mechanics (eds. L.Vladareanu, T.Sireteanu), 2006.
[10] A.C. Eringen, Continuum mechanics at the atomic scale, Crystal Lattice Defects, 7, 1977, pp.109–130.
[11] A.C. Eringen, On nonlocal continuum thermodynamics, Modern developments in thermodynamics, (ed. B. Gal-Or), John Wiley and Sons, New York,1974, pp.121–142.
[12] D. Dumitriu, V. Chiroiu, On the modelling of nanocontacts, Rev. Roum. Sci. Tech. - Méc. Appl., 2006.
[13] V.Chiroiu, D.Dumitriu, Post-doctoral program for devepment of new coupled atomistic-continuu theories with applications to modeling of nanocontacts and indentation, CEEX 1531/ report, 2006.
[14] L.Munteanu, St. Donescu, Introduction to Soliton Theory: Applications to Mechanics, Book Series Fundamental Theories of Physics, vol.143, Kluwer Academic Publishers, 2004.
[15] M.Mihailescu, V.Chiroiu, Advanced mechanics on shells and intelligent structures, Ed. Academiei, Bucuresti, 2004
[16]St.Donescu, L.Munteanu, ch.4, The effect of damping on the stability of dynamical systems, in Topics in Applied Mechanics, vol.2, Ed. Academiei, pp.85-117, 2004 (eds. V.Chiroiu , T.Sireteanu).
[17] P.Stiuca, V.Chiroiu, C.M.Nicolescu, ch.12, On the mechanical behavior of nanostructured materials, in Topics in Applied Mechanics, vol.2, Ed. Academiei, pp. 355-391, 2004 (eds. V. Chiroiu, T.Sireteanu).
[18]V.Chiroiu, C.Chiroiu, Probleme inverse in mecanica, Ed. Academiei, 2003
[19] D.Dumitriu, L.Munteanu, V.Chiroiu, L.Solomon, On the nonlocal theory of nanoindentation, Al 4-lea Simpozion Mecatronica, Microtehnologii si Materiale Noi, Univ. Valahia din Targoviste, 7-8 dec. 2006, Revista Romana Mecanica Fina, Optica si Mecatronica, nr. 31 / 2006, pp.219-224.
[20] L.Munteanu, St.Donescu, On the complexity and analysis of auxetic systems, Trends and Challenges in Applied Mathematics ICTCAM 2007, Bucharest 20-23 June 2007.
[21] St. Donescu, V.Chiroiu, L.Munteanu, On the evaluation of the Young’s modulus for a laminated periodic composite structure based on auxetic materials, Rev. Roum. Sci,. Techn. serie Mecanique Appl., 2007.
[22] N.-D. Stanescu, L. Munteanu, V. Chiroiu, N. Pandrea, Sisteme dinamice. Teorie si aplicatii, vol.1, Editura Academiei, 2007.
[23] V. Chiroiu, C. Chiroiu, Inverse problems in mechanics, Springer, Series of Solid Mechanics and Its Applications (ed. Gladwell, G.M.L)
[24]V.Chiroiu, P.Stiuca, L.Munteanu, St.Donescu, Introducere in nanomecanica, Editura Academiei, 2005.
|
