Experimentell mikromekanik i tre dimensioner

Diarienummer: ITM17-0003
Start- och slutdatum: 190101-221231
Beviljat belopp: 5 407 484 kr
Förvaltande organisation: Chalmers University of Technology
Forskningsområde: Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

Mekanisk provning på längdskalor som motsvarar materialets mikrostruktur (mikromekanisk provning) är avgörande både för att skapa grundläggande förståelse för deformations- och brottfenomen, och för att utveckla, kalibrera och validera modeller för integrerade flerskalesimuleringar. Projektet avser att utveckla en mångsidig plattform för mikromekanisk provning in-situ i svepelektronmikroskop, baserat på en mikromanipulator med rörlighet i tre dimensioner. Detta gör att provning kan utföras i godtycklig riktning, i kontrast till den enaxliga linjära rörelsen hos traditionella testmetoder, och därmed erbjuds en unik flexibilitet vad gäller möjliga prover som kan utföras. En finita element-modell kommer att utvecklas för att beskriva den piezo-resistiva responsen från kraftmätningssystemet då detta utsätts för belastning i godtycklig riktning, och approximativa analytiska samband kommer att tas fram för att följa signaler i realtid under provning. Med den mikromanipulator-baserade plattformen kommer metoder, strategier och dokumenterade protokoll för provberedning och testning att utvecklas för ett antal representativa fall (böjning med riktningsförändring i last, dragprov samt provning av både inbäddade och ytliga objekt). Den unika flexibiliteten jämfört med andra tillgängliga mikromekaniska testmetoder, i kombination med lågt pris och enkel implementering, kommer att göra den föreslagna plattformen tillgänglig både för akademiska och industriella användare.

Populärvetenskaplig beskrivning

Utveckling av nya material sker idag i allt större utsträckning genom modellering i så kallade flerskalesimuleringar. Detta innebär att modeller som förutsäger struktur och egenskaper på olika längd- och tidsskalor kopplas ihop för att förutsäga materialets ”makroskopiska” egenskaper. Detta reducerar tiden och kostnaden för materialutveckling och kan därmed ge oerhörda fördelar, då man kan designa materialets egenskaper för att passa en given tillämpning istället för att utgå från ett givet utbud av existerande material. Förmågan att hantera detta kommer att vara en nyckel till framtida konkurrenskraft i många materialberoende industrier. Men för att kunna utveckla tillförlitliga modeller på mikroskala är det avgörande att det finns experimentella metoder som kan ge information på samma längdskala som modellen arbetar. Detta både för att studera de fundamentala fenomen som modellerna skall fånga, men även för kalibrering och validering. I detta projekt kommer vi att utveckla en ny plattform för så kallad ”mikromekanisk provning”, dvs metoder för att mäta mekaniska egenskaper hos prover med storlekar på mikrometer-nivå. Detta gör vi genom att använda oss av en mikromanipulator. Mikromanipulatorn liknar en industrirobot, med en arm som kan röra sig fritt i tre dimensioner, men är tillräckligt liten för att få plats i vakuumkammaren på ett svepelektronmikroskop. Med denna utrustning kan vi utföra många olika typer av mikromekanisk provning inuti mikroskopet, och det är detta som är den stora fördelen med konceptet. Konventionella utrustningar för mikromekanisk provning kan endas röra sig i en dimension, vilket skapar kraftiga begränsningar i vilken typ av prov som kan göras och vilka egenskaper man kan mäta. Genom att utveckla en plattform med unik flexibilitet, kombinerat med låg utrustningskostnad, kan vi tillgängliggöra mikromekanisk provning för många fler användare och därigenom möjliggöra framsteg inom modellutveckling och flerskalesimuleringar i ett stort antal områden.