A comparison of nanoindentation and mesoscale measurements on polychloroprene (Neoprene) rubber

Abstract

Nanoindentasyon, materyal özelliklerinin nitelendirilmesi için kullanılan orta ölçekli yöntemlere alternatif olarak yaygınlık kazanan bir yöntemdir. Ancak, viskoelastik maddelerin nano boyutta nitelendirilme ve ölçülmesinde yaşanan zorluklar, hala çözülememiştir. Bu araştırmada, polikloropren lastik üzerinde nanoindentasyon ve orta ölçekli yöntemlerle elde edilen ölçümler karşılaştırılarak, bu iki yöntem hakkında geniş kapsamlı bilgi edinilmesi hedeflenmiştir. Bu sebeple, çalışmada Berkovich ve düz delgi uçları kullanılarak nanoindentasyon yöntemi ile sürünme deneyleri yapılmıştır. Orta ölçekli yöntemlerle yapılmış ölçümler; normal sıkıştırma, germe, gevşeme ve Shore-A sertlik testlerinden oluşmaktadır. Normal gevşeme verileri, 5-parametrelik bir Generalized Maxwell modeline; sürünme verileri ise 5-parametrelik bir Kelvin-Voigt modeline yakınsanmıştır. Nano ölçekte elde edilen ölçümlerin, orta ölçek yöntemiyle elde edilen ölçümlere göre çok daha yüksek elastik modül değerlerine sahip oldukları gözlemlenmiştir. Böylece, polikloropren örneklerinin yüze y maddesel özelliklerinin, iç özelliklerinden farklı olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak, ölçüm cihazları, ölçüm yöntemleri ve modelleme varsayımlarının aralarındaki farklılıkların, sonuçlardaki tutarsızlığa katkı sağlamış olabilecekleri unutulmamalıdır.

Nanoindentation has risen in popularity as an alternative approach to mesoscale measurements for characterizing material properties. However, many of the difficulties inherent to the measurement and characterization of viscoelastic materials at nanoscale have not been yet solved. In this research, we compare nanoindentation and mesoscale measurements performed on polychloroprene rubber and attempt to better understand the observed differences. We conducted nanoindentation creep experiments using Berkovich and flat punch tips. Our mesoscale measurements consisted of normal compression, tension, and relaxation, and a Shore-A hardness test. We fit a 5-parameter Generalized Maxwell model to the normal relaxation data and a corresponding Kelvin-Voigt model to the creep data. We observed that nanoscale measurements returned higher elastic modulus values than mesoscale measurements. Hence, the surface material properties of the polychloroprene specimens are different than their bulk material properties. However, it is important to emphasize that differences in the measurement devices, measurement methods, and modeling assumptions may have contributed to the discrepancies in the results.