ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение 4

2. Литературный обзор 5

2.1 Атомно-силовая микроскопия деформаций в реальном времени 5

2.2 Особенности деформации систем «твердое покрытие на податливом

основании» 8

3. Объекты и методы исследования 14

3.1 Объекты исследования 14

3.2 Принцип работы атомно-силового микроскопа 15

3.3 Устройство для деформации пленок 16

3.4 Отладка методики 17

4. Обсуждение результатов 19

4.1 Измерение величины боковой контракции пленок 19

4.2 Особенности фрагментации и рельефообразования на поверхности пленок с

жесткими покрытиями 23

4.3 Измерение шероховатости полимерных пленок 31

4.3.1 Параметры шероховатости поверхности 31

4.3.2 Шероховатость полимерных пленок без покрытий 32

4.3.3 Шероховатость пленок с жесткими покрытиями 35

5. Выводы 39

Благодарности 40

Список литературы 41

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АСМ - атомно-силовой микроскоп

ПЭ - полиэтилен

ПЭТФ - полиэтилентерефталат

ПП - полипропилен

ПДМС - полидиметилсилоксан

ПВХ - поливинилхлорид

РМР - регулярный микрорельеф

МНК - метод наименьших квадратов

4

4

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование механических свойств полимерных пленок (измерение модуля Юнга, коэффициента Пуассона и т.д.) является важной практической задачей, связанной с существенными экспериментальными сложностями. Поскольку пленки тонкие и гибкие, для регистрации их деформаций требуются специальные методы. В частности, для исследования деформаций поверхности пленок может быть использована атомно-силовая микроскопия, за которой в последние годы закрепился статус одного из основных методов исследования поверхности твердых тел [1,2]. Ее основное преимущество перед другими видами микроскопии (оптической, электронной, Оже) состоит в том, что она позволяет получить трехмерное изображение, т.е. предоставляет информацию о структуре и микрорельефе поверхности. Хотя этот метод применяется для изучения чрезвычайно широкого класса объектов (макромолекул, биологических объектов, наноструктур), лишь в нескольких работах [3-9] он был использован для прямого изучения деформаций полимеров.

Методика измерения деформаций пленок с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) состоит в следующем. Экспериментально измеряются профили поверхности свободного и нагруженного образцов, затем, исходя из сравнения полученных изображений, описывается деформация образца на микро- и наноуровне. Такая методика представляется чрезвычайно перспективной для изучения распределения локальных напряжений в полимерах. Тем не менее, на настоящий момент объем данных, накопленный с ее помощью крайне мал, отсутствует систематическое описание ее возможностей и спектра применений.

Цель данной работы - реализация методики прямого наблюдения деформаций полимерных пленок при помощи АСМ, и применение ее для исследования различных процессов на деформируемых поверхностях. В частности, в данной работе исследуются изменения локальных деформаций в процессе вытяжки пленок и изучаются процессы фрагментации и рельефообразования, происходящие при вытяжке полимеров с металлическими покрытиями.

5

5

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 2.1 Атомно-силовая микроскопия деформаций в реальном времени

Все методы описания деформаций можно разделить на две группы в зависимости от того, исследуется ли образец непосредственно в процессе или после деформации. К первой группе относятся, например, наблюдение деформируемого образца под оптическим микроскопом и уникальные эксперименты по деформации углеродных нанотрубок под электронным микроскопом [10]. В таких случаях иногда говорят, что исследование происходит в реальном времени, in situ. Ко второй группе относятся эксперименты, в которых деформация и изучение образца производятся на разных устройствах. В этом случае экспериментатора обычно интересуют средние, общие характеристики и параметры образца, а не особенности его конкретной точки или области.

В таком контексте применение атомно-силовой микроскопии для описания деформаций поверхности имеет особое место. Для того, чтобы наблюдать деформацию поверхности в АСМ, необходимо ступенчато увеличивать нагрузку, и при каждом ее значении исследовать поверхность. По-видимому, первой работой, в которой, предложен такой эксперимент, была статья [3]. Схема использованной авторами установки показана на рис. 1. Пленка ориентированного

полиэтилентерефталата (ПЭТФ)

размещалась в специальном

зажиме, на который сверху

устанавливался АСМ.

Проводилось сканирование

Рис 1 Схема установки для деформации пленок и наблюдения в АСМ [3] Один из зажимов неподвижен.

участка поверхности вблизи

заметного в оптический микроскоп

дефекта, затем образец

деформировался. Специальная система винтов позволяла корректировать положение АСМ

так, чтобы после деформации можно было вновь исследовать тот же самый

6

6

участок. Прикладываемое к образцу напряжение измерялось специальным датчиком, а величина деформации измерялась по смещению микроскопических дефектов и неровностей на кадре размером 50*50мкм. Таким методом была получена силовая кривая и измерен коэффициент Пуассона. Было показано, что отношение боковой контракции к продольной деформации растет в процессе вытяжки от 0,25 при деформации 25% до 0,45 при деформации 50%.

В работе тех же авторов [4] исследовалась пленка из полиимида. В процессе вытяжки образца макроскопическая деформация (между зажимами) сравнивалась с микроскопической (измеренной на масштабах 50 мкм и 5 мкм). Авторами было показано, что эти кривые в пределах погрешности совпадают, т.е. наблюдается аффинная деформация образца.

Авторы работы [5] предложили использовать аналогичный метод для измерения коэффициента Пуассона тонких пленок, изготовленных из различных материалов (ПЭТФ, полиэтил

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Mark A. Poggi, Elizabeth D. Gadsby, Lawrence A. Bottomley, William P.

King, Emin Oroudjev, Helen Hansma Scanning Probe Microscopy // Anal. Chem.,

76 (12), 3429 -3444 (2004)

[2] N. Gadegaard Atomic force microscopy in biology: technology and

techniques // Biotechnic & Histochemistry, 81 (2-3), 87-97 (2006)

[3] Takashi Nishino, Akiko Nozawa, Masaru Kotera, and Katsuhiko Nakamae

In situ observation of surface deformation of polymer films by atomic force

microscopy / / Rev. Sci. Instrum 71, 5, 2094-2096 (2000)

[4] Takashi Nishino, Akiko Nozawa, Masaru Kotera, and Katsuhiko Nakamae

In situ observation of surface deformation of polyimide film // Journal of the

Society of Rheology, Japan, 32, 4, 211-214 (2004)

[5] Bharat Bhushan, Prasad S. Mokashi, Tiejun MaA technique to measure

Poisson 's ratio of ultrathin polymeric films using atomic force microscopy // Rev.

Sci. Instrum 74,2, 1043-1047 (2003)

[6] Xiaodong Li, Weijie Xu, Michael A. Sutton, and Michael Mello In Situ

Nanoscale In-Plane Deformation Studies of Ultrathin Polymeric Films During

Tensile Deformation Using Atomic Force Microscopy and Digital Image

Correlation Techniques // IEEE Transactions on Nanotechnology, 6, 1, 4-12

(2007)

[7] Opdahl, A., Somorjai, G.A. Stretched polymer surfaces: Atomic force

microscopy measurement of the surface deformation and surface elastic properties

of stretched polyethylene // Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics

39 (19), 2263-2274 (2001)

[8] Y. Le Diagon, S. Mallarino, and C. Fretignya Particle structuring under the

effect of an uniaxial deformation in soft/hard nanocomposites // Eur. Phys. J. E 22,

77-83 (2007)

[9] M.S. Bobji and B. Bhushan A to mic force microscopy study of the

microcracking magnetic thin films under tension // Scripta mater., 44, 37-42

(2001)

42

[10] Hideyuki Maki, Testuya Sato, Koji Ishibashi Direct Observation of the

Deformation and the Band Gap Change from an Individual Single-Walled Carbon

Nanotube under Uniaxial Strain // Nano Letters 2007, 7, 4, 890-895 [11] Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Структурная самоорганизация

аморфных полимеров - М.: Физматлит, 2005, 230 c [12] Волынский А.Л. Удивительные свойства упаковочной пленки //

Природа, 5, 67-72 (2005) [13] S.L. Bazhenov, A.L. Volinskii, V.M. Alexandrov, N.F. Bakeev Two

mechanisms of the fragmentation of thin coatings on rubber substrates // Journal

of Polymer Science B, 40, 10-18 (2002) [14] A.L. Volinskii, S.L. Bazhenov, O.V. Lebedeva, A.N. Ozerin, N.F. Bakeev

Multiple Cracking of rigid platinum film covering polymer substrate // Journal of

Applied Polymer Science, 72, 1267-1275 (1999) [15] Leterrier Y., Boogh L., Anderson J., Manson J.-A.E. Adhesion of Silicon

Oxide Layers on Poly(ethyleneterephthalate). 1: Effect of Substrate Propereties on

Coating,s Fragmentation Process. // Journal of Polymer Science B, 35, 9, (1997) [16] A.L. Volinskii, A.S. Kechek'yan, N.F. Bakeev Structural mechanical

behavior of polystyrene films with a chemically modified surface layer // Polymer

Science A, 47, 3, 249-255 (2005) [17] A.L. Volinskii, A.S. Kechek'yan, N.F. Bakeev A rigid coating on a soft

substratum polymer-polymer system // Polymer Science A, 45, 7, 661-664 (2003) [ 18] Jan Genzer, Jan Groenewold Soft matter with hard skin: From skin wrinkles

to templating and material characterization // Soft Matter, 2, 310-323 (2006) [19] E. Cerda1, L. Mahadevan1 Geometry and Physics of Wrinkling / / Physical

Review Letters 90 (7), pp. 074302/1-074302/4 (2003) [20] U.A. Handge, I.M. Sokolov, A. Blumen Disorder and plasticity in the

fragmentation of coatings // Physical Review E, 64, 016109, 1-5 (2001) [21] Хэ Цзянпин Структурно-механические аспекты деформации

полимерных пленок, имеющих тонкое твердое покрытие - Дис. ... канд. хим.

наук, М., 2001

43

[22] Adam J. Nolte, Michael F. Rubner, Robert E. Cohen Determining the Young's Modulus of Poly electrolyte Multilayer Films via Stress-Induced Mechanical Buckling Instabilities // Macromolecules, 38, 5367-5370 (2005)

[23] Richard Vendamme, Takuya Ohzono, Aiko Nakao, Masatsugu Shimomura, Toyoki Kunitake Synthesis and Micromechanical Properties of Flexible, Self-Supporting Polymer-SiO2 Nanofilms // Langmuir, 23, 2792-2799 (2007)

[24] Christopher M. Stafford, Christopher Harrison, Kathryn L. Beers, Lamgir

Karim, Eric J. Amis, Mark R. Vanlandingham, Ho-Cheol Kim, Willi Volksen, Roberts D. Miller, Eva E. SimonyiA buckling-based metrology for measuring the elastic moduli of polymeric thin films // Nature materials, 3, 545-550 (2004)

[25] A.L. Volinskii, S.L. Bazhenov, O.V. Lebedeva, N.F. BakeevMechanical buckling instability of thin coatings deposited on soft polymer substrates // Journal of materials science, 35, 547-554 (2000)

[26] Физическая энциклопедия, т.5 - М.: «Большая Российская

энциклопедия» 1998, 320 c

[27] Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. т.7 - М.: «Наука» 1987, 436 c

[28] Воронина Е.В. Основные закономерности образования и развития регулярных микроструктур при деформировании полимеров с тонким твердым покрытием // Дис.... канд. хим. наук, М.: 2003

[29] Volynskii A.L., Bazhenov S.L., Lebedeva O.V., Bakeev N.F. // J. Matter. Sci., 35. P.547. (2000)

[30] N.W. Tschoegl, Wolfgang G. Knauss, Igor Emri Poisson 's Ratio in Linear Viscoelasticity - A Critical Review // Mechanics of Time-Dependent Materials, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 6, 3-51 (2002)

[31] С.Л. Баженов, В.В. Люлевич, Хэ Цзянпин, И.В. Яминский,

А.Л. Волынский, Н.Ф. Бакеев Экспериментальная и теоретическая оценка амплитуды микрорельефа, возникающего при деформировании полимерной пленки с жестким покрытием // Высокомолекулярные Соединения A, 43 (6), 996-1001 (2001)

44

[32] В.Л. Миронов Основы СЗМ - Нижний Новгород: Техносфера, 2004,

144с [33] И. Нарисава Прочность полимерных материалов - М.: «Химия», 1987,

398 c [34] Л.М. Качанов Основы теории пластичности - М.: «Наука», 1969,

420 с [35] Hodgman Handbook of chemistry and physics (part 2) - Cleveland,

Chemical Rubber Publishing Company, 1955, 1615 p. [36] Engineering Material Properties - www.sas.org [37] Л.М. Ярышева, Д.А. Панчук, А.В. Большакова, А.Л. Волынский,

Н.Ф. Бакеев Особенности фрагментации металлического покрытия при

одноосном растяжении полимера-подложки ниже его температуры

стеклования // Высокомолекулярные Соединения A, 47, 9, 1-8 (2005) [38] S. V. Moiseeva, A. I. Dement'ev, D. A. Panchuk, A. V. Bol'shakova, L. M.

Yarysheva, A. L. Volynskii, and N. F. Bakeev Mechanism of Fracture of Metallic

Coating under Uniaxial Stretching of Polymer Support at Temperatures below

Glass Transition // International Journal of Polymer Anal. Charact., 12, 87-93

(2007) [39] L. B. Freund, S. Suresh Thin film materials. Stress, Defect Formation and

Surface Evolution - Cambridge University Press: 2004, 768p [40] В.З. Партон Механика разрушения: от теории к практике - М.:

«Наука», 1990, 239 c [41] A. Bony Study of nano-roughness for silica-on-silicon technology by

Scanning Electron Microscopy and light scattering // Doctorate degree thesis,

Universite Louis Pasteur, 2004

Примечаний нет.