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 ,

Patricia.enrique@csic.es