Введение
Глава 1 Анализ современного состояния приборов и методов контроля геометрических параметров поверхности и физико-механических свойств твердых тел на микро- и нанометровом масштабе 11
1.1 Механические свойства твердых тел - определения, классификация 11
1.1.1 Твердое тело. Основные понятия 11
1.1.2 Механические свойства твердых тел 14
1.1.3 Параметры упругого и пластического состояния твердых тел 17
1.2 Методы измерения твердости. История развития. Классификация и сравнение различных шкал твердости 19
1.2.1 Общее понятие твердости 19
1.2.2 Методы измерения твердости 21
1.2.3 Ограничения и область применимости различных методов измерения твердости... 23
1.3 Метод инструментального индентирования. Приборы для измерения физико механических свойств поверхности твердых тел на микро- и нанометровом масштабе 25
1.3.1 Решения Бусине, Герца и Снеддона 26
1.3.2 Решение Табора 26
1.3.3 Метод Булычева, Алехина 27
1.3.4 Метод Дорнера, Никса 28
1.3.5 Метод Оливера, Фарра 29
1.3.6 Достоинства и недостатки метода инструментального индентирования 33
1.4 Конструктивные решения, применяемые для реализации метода инструментального индентирования 34
1.4.1 Емкостные датчики 34
1.4.2 Электромагнитные актюаторы с емкостными преобразователями перемещения. 36
1.4.3 Пьезоактюаторы с емкостными датчиками силы/перемещения 39
1.4.4 Наноиндентиование с применением кантилеверов для сканирующей зондовои микроскопии 41
1.5 Методы и средства измерения линейных размеров на нанометровом масштабе. Современное состояние методов сканирующей зондовои микроскопии 42
1.5.1 Оптическая микроскопия 42
1.5.2 Растровая электронная микроскопия 43
1.5.3 Методы сканирующей зондовои микроскопии 44
1.5.4 Сканирующая силовая микроскопия 46
1.5.5 Лазерная интерферометрия 51
Глава 2 Теоретическое и экспериментальное обоснование необходимости комплексного применения методов сканирующей зондовои микроскопии и наноиндентирования при измерении механических свойств на микро и нанометровом масштабе 52
2.1 Аппаратные и методические факторы, влияющие на результаты измерений механических свойств методом инструментального индентирования на микро и нанометровых масштабах 52
2.1.1 Влияние формы, шероховатости и морфологии поверхности 52
2.1.2 Влияние геометрии индентора 53
2.2 Влияние особенностей упруго-пластической деформации и хрупкого разрушения на результаты индентирования 57
2.2.1 Искажение формы исходной поверхности (образование пластических навалов). 57
2.2.2 Необходимость уменьшения размеров деформации при измерении механических свойств сверхтвердых материалов 68
Глава 3 Принципы построения первичных измерительных преобразователей для сканирующих зондовых микроскопов-наноинденторов и разработки приборов на их основе 74
3.1 Методические основы построения и принципы работы пьезорезонансных камертонных первичных измерительных преобразователей 74
3.1.1 Основы построения пьезорезонансных первичных преобразователей 74
3.1.2 Камертонный зонд на металлическом основании 77
3.1.3 Камертонный зонд на биморфном пьезокерамическом основании 81
3.1.4 Применение оптического датчика для измерения перемещения (изгиба) свободной ветви камертона 83
3.1.5 Расчет особенностей механических деформаций пьезокерамического зонда камертонного типа, возникающих при различных вариантах нагружения 86
3.1.6 Расчет электро-механической модели пьезорезонансного зонда в контакте с поверхностью 94
3.2 Методические основы построения и принципы работы первичных измерительных преобразователей на основе металлических мембран 100
3.2.1 Расчет механических характеристик первичного преобразователя с металлической мембраной 100
3.2.2 Конструкция и принципы работы П-образного первичного преобразователя с датчиком боковой силы 103
3.2.3 Физическая модель автогенератора на основе резонансного металлического мембранного первичного преобразователя 111
3.2.4 Расчет контактного взаимодействия зонда с поверхностью 113
3.3 Принципы разработки приборов и измерительных модулей для контроля геометрических и механических параметров поверхности твердых тел на микро и наномасштабе 115
3.3.1 Компактный прибор с трубчатым сканером 115
3.3.2 Открытая платформа с 3 -х координатным пьезокерамическим сканером 119
3.3.3 Измерительные головки для СЗМ «Солвер», «Интегра» и «Солвер-Некст» 133
Глава 4. Методики измерения геометрических параметров поверхности и физико- механических свойств твердых тел на микро- и нанометровом масштабе 138
4.1 Измерение рельефа и распределения механических свойств поверхности резонансным зондом 138
4.1.1 Измерение топографии 138
4.1.2 Измерение карт механических свойств 140
4.2 Измерение твердости по восстановленному отпечатку 142
4.2.1 Общие положения 142
4.2.2 Алгоритм расчета площади проекции области контакта с учетом навалов 143
4.2.3 Оценка погрешности метода 148
4.3 Измерение модуля упругости методом силовой спектроскопии 149
4.3.1 Методика измерений 149
4.3.2 Сравнение с инструментальным индентированием 152
4.4 Измерение твердости и модуля упругости методом инструментального индентирования 153
4.4.1 Общие принципы 153
4.4.2 Градуировка и калибровка измерительной системы Оценка погрешности метода 154
4.4.3 Алгоритм измерения 156
4.5 Измерение твердости методом царапания (склерометрии) 157
4.5.1 Методика измерения 157
4.5.2 Особенности и преимущества метода склерометрии 160
4.5.3 Сравнение с микроиндентированием и наноиндентированием (инструментальным индентированием) 162
4.6 Измерение параметров, характеризующих трещиностойкость 164
4.6.1 Описание методики 164
4.6.2 Экспериментальная проверка 165
4.7 Измерение изгибной жесткости и деформации микроразмерных исполнительных элементов устройств микросистемной техники 168
4.7.1 Описание методики 168
4.7.2 Экспериментальная проверка 171
Глава 5. Метрологическое обеспечение измерений геометрических параметров поверхности и физико-механических свойств твердых тел на микро- и нанометровом масштабе 174
5.1 Метрологическое обеспечение измерений линейных размеров в нанометровом диапазоне 174
5.1.1 Проблемы метрологического обеспечения измерений линейных размеров в нанометровом диапазоне 174
5.1.2 Конструкция, принципы работы и метрологические характеристики сканирующего зондового микроскопа с 3-х координатным гетеродинным лазерным интерферометром 177
5.1.3 Исследование источников случайных погрешностей в измерительном сканирующем зондовом микроскопе с гетеродинным лазерным интерферометром НаноСкан-ЗБі 183
5.1.4 Обеспечение проележиваемости к первичному эталону длины измерений линейных размеров в нанометровом диапазоне 187
5.2 Метрологическое обеспечение измерений механических свойств на микро и нанометровом масштабе 190
5.2.1 Бюджет погрешностей (неопределенностей) при измерениях методом инструментального индентирования 190
5.2.2 Исследование влияния различных источников ошибок на суммарную неопределенность измерения твердости методом инструментального индентирования... 195
5.2.3 Методы контроля формы наконечника для измерения твердости на субмикронных и нанометровых масштабах 202
5.2.4 Обоснование определения твердости как размерной величины и возможности перехода от мер твердости к стандартным образцам механических свойств 210
Глава 6 Примеры применения методов и средств контроля геометрических параметров поверхности и физико-механических свойств твердых тел на микро- и нанометровом масштабе 221
6.1 Исседование параметров поверхности плазмохимических покрытий, полученных методом ионно-плазменного напыления на стали 221
6.2 Измерение свойств защитных покрытий на стеклах для экранов мобильных устройств 230
6.3 Исследование покрытий на обрабатывающем инструменте 237
6.4 Биоактивные покрытия для медицинских применений 242
Заключение 247
Список литературы
