УСТРОЙСТВО С АКТИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Полезная модель относится к исследованию деформационных свойств материалов с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) и может использоваться для исследования поверхностных перестроек материала при низкотемпературной деформации.
Уровень техники
Известно техническое решение (1. Багров Д., Яминский И. Атомно-силовая микроскопия деформаций полимерных пленок // Наноиндустрия, №5, 2008, с. 32-36), в котором приведено растяжное устройство для исследования деформации материалов методом АСМ. Устройство представляет собой конструкцию с пластиковым корпусом, которая благодаря небольшому весу и габариту, способна устанавливаться на позиционер АСМ из пьезотрубки. Движение захватов в противоположные стороны осуществляются с помощью закручивания винта с левой и правой резьбой вручную, обеспечивающее одновременное разнонаправленное движение захватов. Для уменьшения вибраций, возникающих при сканировании, под исследуемым образцом (пленка), установлен столик, который поддерживает исследуемую область образца. Недостатком данного устройства является невозможность проведения исследования деформации материалов при низких температурах вследствие отсутствия охлаждающего элемента. Наличие пластмассового корпуса, который из-за низкой теплопроводности и высокого коэффициента термического расширения, а также недостаточностью необходимого пространства под исследуемым материалом, являются существенным препятствием для установления охлаждающего элемента.
Известно техническое решение (2. Chinery D., Elmes D.A., Wells J.K. GB 2188163 A 23.09.1987 Testing degradation of a sample under thermal cycling), где приведено устройство для термического циклирования исследуемого материала с помощью одного или нескольких элементов Пельтье, причем одно соединение каждого устройства находится в контакте с образцом, а другое соединение - в контакте с теплоотводом. Указано, что исследуемый образец может подвергаться термическому циклу при механической нагрузке для испытания на ползучесть или снижение прочности. Однако, конструкционные особенности приведенного устройства, в частности способ крепления исследуемого образца (образец зажат между двумя элементами Пельтье) не позволяют растягивать материал и исследовать (сканировать) поверхностную структуру материала методом АСМ, поскольку отсутствует доступ для сканирующего зонда к поверхности исследуемого материала.
Наиболее близким является техническое решение (3. Шадринов Н.В., патент РФ №2521267 Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силовой микроскопии, 29.04.14, бюл. №18), в котором приведено устройство с растяжным механизмом для исследования деформации материалов методом АСМ. Устройство представляет собой конструкцию с алюминиевым корпусом, которая благодаря небольшому весу и габариту, позволяет устанавливать его на пьезотрубке АСМ, выполняющей роль позиционера. Растяжение образцов осуществляется с помощью закручивания винта с левой и правой резьбой вручную, обеспечивающее одновременное разнонаправленное движение захватов. Недостатком данного технического решения является отсутствие охлаждающего элемента, что делает невозможным проведение исследований деформации материалов при низких температурах.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка конструкции растяжного устройства для АСМ позволяющей исследовать низкотемпературную деформацию материала при низких температурах.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, достигается за счет того, что устройство, содержащее корпус с растяжным механизмом, элемент Пельтье и ватерблок, выполнено таким образом, что исследуемый (деформируемый) образец, плотно прилегает к медному столику, прикрепленному к элементу Пельтье, к нагреваемой стороне которого плотно прикреплен ватерблок, обеспечивающий интенсивный теплоотвод, что позволяет увеличить разность температур между сторонами элемента Пельтье, необходимую для достижения максимально низких температур исследуемого образца.
Существенные признаки, характеризующие полезную модель.
Ограничительные: устройство представляет собой конструкцию с растяжным механизмом, который устанавливается в позиционер АСМ и при закручивании винта вручную, обеспечивает одновременное разнонаправленное движение захватов.
Отличительные: устройство для исследования деформации при низких температурах, содержит корпус, а также плотно прикрепленный к нагреваемой стороне элемент Пельтье и ватерблок, позволяющие максимально охлаждать исследуемый образец.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства с элементом Пельтье и ватерблоком для исследования деформации материалов при низких температурах методом АСМ.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение ватерблока.
Осуществление изобретения
Устройство для исследования деформации материалов методом АСМ содержит общее металлическое основание 1 (фиг. 1), закрепленное на каретке держателя образца 2, на котором с одной стороны закреплено направляющее 3, по которому при вращении ручки 4 ходового винта (далее винт) 5 с левой и правой резьбой разделенных относительно поперечной оси, разнонаправленно двигаются траверсы 6 и 7, на которых с помощью зажимов 8 и 9 закреплен исследуемый образец 10. К алюминиевому корпусу устройства плотно прикреплен элемент Пельтье 11 (прямоугольная пластина), на охлаждаемой поверхности которого прикреплен медный столик 12 таким образом, что бы исследуемый образец 10 прилегал к его поверхности. Для охлаждения нагревающейся стороны элемента Пельтье 11 (нижняя сторона), между основанием 1 и кареткой держателя образца 2 имеется ватерблок 13, который имеет активное охлаждение проточной водой (Фиг. 2). Подача воды осуществляется с помощью насоса 14.
Исследование деформации материалов методом АСМ с помощью данного устройства осуществляется следующим образом: Образец исследуемого материала 10 с помощью зажимов 8 и 9 закрепляется на траверсах, и устройство устанавливается в позиционер АСМ. Затем, для охлаждения ватерблока 13, включается насос 14 для циркуляции воды. Далее, на элемент Пельтье 11 подается напряжение, что приводит к охлаждению его верхней стороны, где установлен медный столик 12, который охлаждает исследуемый образец 10. После проведения предварительных стандартных процедур (запуск программы управления, включение прибора, установка зондового датчика, настройка системы регистрации отклонений кантилевера, установка образца, установка измерительной головки, ручной подвод образца к зонду на расстояние 0,5-1 мм) производится автоматический (с помощью программного управления АСМ) подвод образца 10 на рабочее расстояние (1-2 нм) и проводится сканирование его поверхности. Затем, образец обратно отводится (с помощью программного управления) от зонда на безопасное для зонда расстояние (0,5-1 мм) и с помощью закручивания ручки винта 5 производится растягивание образца на определенную длину, из которого определяется относительное удлинение и степень деформации образца. Величина удлинения измеряется с помощью штангенциркуля. Затем процедура повторяется (подвод и сканирование образца). Такой цикл можно повторять несколько раз. Для того, что зонд все время оставался над одной и той же областью образца, процессы деформации и сканирования контролируются при помощи встроенной оптики АСМ. Обычно, в качестве маркера на поверхности выбирается определенный дефект, и сканирование проводится вблизи него. В результате получаются серии сканов определенного участка поверхности образца при различных значениях одноосного растяжения.