Зарядочувствительный метод исследования деформационных процессов

В качестве информационного параметра об изменении состояния материала под действием механических напряжений может быть использован поверхностный электростатический потенциал (заряд). Целью работы являлась отработка методик исследования деформационных процессов в металлических и полимерных материалах с использованием зарядочувствительного метода.

Проведены экспериментальные исследования деформационных процессов при растягивающих, сжимающих и ударных нагрузках на образцах различных материалов: алюминиевый сплав марки АМг2, сталь марки 08ПС, полиэтилен высокого давления марки 12203-250 и образцы композиционных материалов на его основе, фторопласт-4. В качестве метода исследований использовался анализ изменений относительных значений работы выхода электрона поверхности в случае металлов и поверхностного электростатического потенциала в случае матричных и композиционных полимерных материалов. В качестве средств измерений использовалась сканирующая модификация зарядочувствительного зонда.

Результаты экспериментальных исследований материалов в напряжённо-деформированном состоянии демонстрируют высокую эффективность предложенного метода. Методика исследований позволяет обнаруживать локальные изменения поверхностного потенциала материала в области действия деформаций, которые не обнаруживаются в макроскопическом масштабе с использованием стандартных методов. Полученные результаты могут служить базой для разработки новых методов и методик исследования механических свойств как металлов, так и диэлектрических материалов.

1. Di C., Blundo E., Pettinari G., Felici M., Bobba F., Polimeni A. Mechanical, Elastic, and Adhesive Properties of Two-Dimensional Materials: From Straining Techniques to State-of-the-Art Local Probe Measurements. Adv. Mater. Interfaces, 2022, vol. 9, no. 13, p. 2102220. DOI: 10.1002/admi.202102220

2. Lianhui Li, Wenhong Liu, Fugang Qi, Di Wu, Zhiqiang Zhang. Effects of deformation twins on microstructure evolution, mechanical properties and corrosion behaviors in magnesium alloys. A review. Journal of Magnesium and Alloys, 2022, vol. 10, iss. 9, pp. 2334‒2353. DOI: 10.1016/j.jma.2022.09.003

3. Ponomarenko A.T., Tameev A.R., Shevchenko V.G. Action of Mechanical Forces on Polymerization and Polymers. Polymers, 2022, vol. 14, no. 3, p. 604. DOI: 10.3390/polym14030604

4. Wang Y., Meng Z. Mechanical and viscoelastic properties of wrinkled graphene reinforced polymer nanocomposites – Effect of interlayer sliding within graphene sheets. Carbon, 2021, vol. 177, pp. 128–137. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.02.071

5. Pratasenia T.A., Kren’ A.P., Dyakova H.N. Application of the Dynamic Indentation Method for Evaluation of the Hardness and Elastic Modulus of the Material of Products Obtained by Extrusion Method of Additive Production from Carbon-Filled Composite Materials. Mechanics of Composite Materials, 2022, vol. 58, no. 3, pp. 383–394. DOI: 10.1007/s11029-022-10036-z

6. Sujith R., Jothi S., Zimmermann A., Aldinger F., Kumar R. Mechanical behaviour of polymer derived ceramics – a review. International Materials Reviews, 2021, vol. 66, no. 6, pp. 426–449. DOI: 10.1080/09506608.2020.1784616

7. Zharin A.L. Metod kontaktnoj raznosti potentsialov i yego primeneniye v tribologii [Method of contact potential difference and its application in tribology. Minsk, Bestprint Publ., 1996, 235 p.

8. Lang N.D., Kohn W. Theory of Metal Surfaces: Work Function. Phys. Rev. B, 1971, vol. 3, no. 4, p. 1215. DOI: 10.1103/PhysRevB.3.1215

9. Pantsialeyeu K., Zharin A., Opielak M., Rogalski P. Charge sensitive techniques in tribology studies. Przeglad Elektrotechniczny, 2016, vol. 92, no. 11, pp. 239–243.

10. Craig P.P. Direct observation of stress – induced shifts in contact potentials. Phis. Rev. Letters, 1969, vol. 22, no. 14, pp. 700‒703.

11. Thiago A.L. Burgo. Chemical Electrostatics. New Ideas on Electrostatic Charging: Mechanisms and Conse-quences. Springer, 2017, 237 p.

12. Galembeck F., Burgo T. Chemical Electrostatics: New Ideas on Electrostatic Charging: Mechanisms and Consequences. Springer, 2017, 248 p.

13. Davies D.K. Charge generation on dielectric surfaces. Journal of Physics D: Applied Physics, 1969, vol. 2, no. 11, pp. 1533–1537. DOI: 10.1088/0022-3727/2/11/307.

14. Pilipenko V.A., Solodukha V.A., Zharin A., Gusev O., Vorobey R., Pantsialeyeu K., Tyavlovsky A., Tyavlovsky K., Bondariev V.A. Influence of rapid thermal treatment of initial silicon wafers on the electrophysical properties of silicon dioxide obtained by pyrogenous oxidation. High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes, 2019, vol. 23, iss. 3, pp. 283–290. DOI: 10.1615/HighTempMatProc.2019031122

15. Pantsialeyeu K., Zharin A., Gusev O., Vorobey R., Tyavlovsky A., Tyavlovsky K., Svistun A. Digital contact potential probe in studying the deformation of dielectric materials. Informatics, Control, Measurement in Economy and Environmental Protection, 2020, vol. 4, no. 10, pp. 57–60. DOI: 10.35784/iapgos.2374

16. Broadhurst M.G., Malmberg C.G., Mopsik F.I., Harris W.P. Piezoand pyro-electricity in polymer electrets. Conference on Electrical Insulation & Dielectric Phenomena. Annual Report, 1972. DOI: 10.1109/ceidp.1972.7734193

17. Sow M., Lacks D.J., Mohan Sankaran R. Dependence of contact electrification on the magnitude of strain in polymeric materials. Journal of Applied Physics, 2012, vol. 112, no. 8, p. 084909. DOI: 10.1063/1.4761967

18. Subrahmanyam A., Kumar S. The Kelvin Probe for Surface Engineering: Fundamentals and Design. USA, CRC Press 2, 2010, 200 р.

19. Zharin A., Pantsialeyeu K., Svistun A., Tyavlovsky K. Determining the lifetime of minority charge carriers and iron impurity concentration in semiconductor structures with submicron layers. Euroasian Journal of Semiconductors Science and Engineering, 2020, vol. 2, iss. 4, Article 3, pp. 17‒21.