mit Oberflächen Alfred Weber Workshop Kontaktmodelle im Rahmen des SPP 1486 PiKo

Transkript

1 Kontaktphänomene bei Stößen on Nanopartikeln mit Oberflächen Alfred Weber Institut für Mechanische Verfahrenstechnik Workshop Kontaktmodelle im Rahmen des SPP 486 PiKo./3. Mai 0 in Magdeburg

2 acceleration nozzle (p=8 mbar) 7 mm impaction plate Faraday Cup Electrometer Referent Institut Titel des Vortrages

3 on / - gree of fragmentatio deg Impaction elocity / m/s Referent Institut Titel des Vortrages 3

4 Experiment zur Erfassung der Kollision on großen Partikeln mit einer harten Oberfläche TIRM (total internal reflection measurement) PMT Laser PMT Glas- prisma Speicheroszilloskop

5 CR CoR r i

6 kleine Partikeln: - Adhäsionskräfte x - Massenkräfte x 3 Adhäsionskräfte berücksichtigen! Stöße bei Nanopartikeln Dauer der Kollision - sehr kurz (im Bereich on 0 ps) - hoch transiente Kollisionen (makroskopische Modelle basieren meistens auf steadystate-annahme, z.b. auch JKR-Modell) Unterschätzung der Kontaktfläche Überschätzung der spezifischen Oberflächenenergie Erhöhung der dynamischen Härte Sind Bulk-Materialkonstanten für Nanopartikel-Kollisionen überhaupt noch releant?

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9 Elastizitätsmodul und Fließgrenze on Si-Nanopartikeln = 0.4 Å/ps Indenter Nano-Indentationsersuche Si-NP Substrat adaptiert aus: Zhang et al., J. Appl. Phys. 09, (0) Gerberich et al., J. Mech. Phys. Solids 5, (003)

10 Zhang et al., J. Appl. Phys. 09, (0) Deformationsmechanismen in Si-Nanopartikeln

11 Einfluss der Dehnungsrate x Bei Nanoindenter- Experimenten typische Dehnungsraten: Indenter MD 0 s s Zhang et al., J. Appl. Phys. 09, (0) öllig unterschiedliche Zeitskalen zwischen Experiment und Simulation!

12 Goloin et al., Doklady Phys. 48, (003) Verfestigung mit der Dehnungsrate H dyn H stat Impaktion MD Indentation Gap

13 Zhang et al., J. Appl. Phys. 09, (0) Deformationsmechanismen in Si-Nanopartikeln Phasenübergang on Si-I (Diamant-kubisch) zu Si-II (-Zinn) Nukleation on Verschiebungen Amophisierung

14 Größenabhängigkeit der Härte (Hall-Petch-Verhalten) Zhang et al., J. Appl. Phys. 09, (0) kritische Grenze für Nukleation on Versetzungen

15 Energieaustauschprozesse und Haftanteil t bei Kollisionen on Nanopartikeln mit einer schwach attraktier statischer Oberfläche MD: Lennard-Jones-Potential 055 Atome/Moleküle (aus einem fcc-gitter): Ar x = 4.0 nm i* =.0 = 59 m/s Cu x =.7 nm i* =.0 = 794 m/s Jung et al., J. Aerosol Sci. 4, K (00)

16 Jung et al., J. Aerosol Sci. 4, (00)

17 Jung et al., J. Aerosol Sci. 4, (00) Eolution on potentieller und thermischer Partikelenergie

18 Maximale Partikelgeschwindikeit als Funktion der Anfangsgeschwindigkeit g g Jung et al., J. Aerosol Sci. 4, (00)

19 Haftanteil als Funktion der Anfangsgeschwindigkeit Jung et al., J. Aerosol Sci. 4, (00)

20 Anteile der erschiedenen Energie- dissipationmechanismen Summe potentiell thermisch Rotation kinetisch lateral Jung et al., J. Aerosol Sci. 4, (00)

21 Eolution der Kristallstruktur on Partikel und Unterlage collision elocity = 0.4 fcc amorph i* point impact r* point collision i elocity =.00 Jung et al., J. Aerosol Sci. 4, (00)

22 Einfaches Kontinuumsmodell für die Impaktion on Nanopartikeln mit harten Oberflächen approach regime Partikel nähert sich und stoppt, wenn kinetische Energie durch plastische Arbeit aufgebraucht und als Oberflächenund elastische Energie gespeichert ist R a recoil regime Partikel bewegt sich weg on Oberfläche bis geometrische Überlappung endet (plastische Effekte ernachlässigt) pull-off regime resultierende elastische und plastische Kräfte übersteigen zurückhaltende Potentialbarriere Weir and McGain, Proc. R. Soc. 46, (008)

23 Approach regime Energieerluste über elastische Wellen ernachlässigt Energieerluste über elastische Wellen ernachlässigt konstanter Druck (Härte) Y konstante Oberflächenspannung 0 0 a d a Y m m R d dt d R a Weir and McGain, Proc. R. Soc. 46, (008)

24 Recoil and pull-off regime Partikel in Ruhe: ernachlässigen plastische Arbeit elastische Kräfte Oberflächenspannung JKR-Theorie angewendet (modifizierte Hertz-Theorie für elastischen Anteil und Adhäsion über Oberflächenenergie berücksichtigt) Totale Kraft F: F 4 E a 3 R c 3 4 E a 3 mit R c als Krümmungsradius: a R c 4 a E Weir and McGain, Proc. R. Soc. 46, (008)

25 Coefficient of Restitution: 8 4 R Für Y const CoR 3 0 Y R m Für (für große Anfangsgeschwindigkeit E const CoR p ( g g g g oder für kleine Oberflächenspannung) Für Y R m R CoR 0 mit der Minimalgeschwindigkeit für Wiederabspringen: R R Y p min Weir and McGain, Proc. R. Soc. 46, (008)

26 zunehmende Auftreffgeschwindigkeit Vergleich des Weir-Modells mit Messdaten

27 Vergleich des Weir-Modells mit Messdaten Pt Ag min p YY R Ag nach Weir

28 Zusammenfassung Kollisionen on Nanopartikeln on Adhäsionskräften beeinflusst, ja zum Teil sogar dominiert Materialeigenschaften i der Nanopartikeln können sich on denjenigen der Bulk-Phasen deutlich unterscheiden Gap in den Scherraten on ielen Größenordnungen zwischen MD-Simulationen und klassischen Belastungsexperimenten (AFM) Ladungstransfer bisher in Modellen kaum betrachtet Sind eentuell doch Kontinuumsansätze nutzbar mit den richtigen richtigen Materialparametern? Niederdruckimpaktion on Nanopartikeln gekoppelt mit MD-Simulationen