オペランド条件下での超高速ナノインデンテーション

MEMSベースのスタンドアロン型ナノインデンター（iX05）の特徴

製品概要

iX05 は、高温、低温、高ひずみ速度など、幅広いオペランド条件下での材料特性解析に最適な、MEMS ベースのスタンドアロン型ナノインデンターです。従来のナノインデンターは、実験室の条件下で材料を測定することに特化していますが、実際の用途で使われる材料は機械的特性に大きな影響を与える過酷な環境にさらされている場合があります。iX05 は、こうした材料が置かれる現実の環境を再現した条件下で試験を行えるように最適化されています。MEMS 技術による高解像度と高速性、そして高速制御エレクトロニクスおよび環境制御と組み合わせることで、iX05 は幅広い試験条件下で材料の機械的特性を測定および可視化できる究極のツールとなっています。

特長

• オペランド ナノインデンテーション：iX05オペランドナノインデンテーションシステムは、+800℃までの高温試験と-150℃までの低温試験に対応しています。このシステムは、不活性ガス雰囲気または高真空下での試験を可能にする環境制御機能を備えたモーター駆動式チャンバーを採用しており、酸化や汚染を最小限に抑えます。
  ＜温度範囲：-150～800℃、運転圧力：5・10^-4ｍBar＞
• 超高速ナノインデンテーション：iX05は、超高速でのナノインデンテーションが可能です。
  最大1秒間に30回のナノインデンテーションマッピングを行うことができます。
  FemtoTools MEMS 力センサーと超高速電子回路を組み合わせることで、2MHzのサンプリングレートと500kHzのフィードバック周波数を実現し、高速動作時においても比類ない性能を発揮します。
  ＜最大2N、最小100pn＞
• 超高分解能：iX05は、超高分解能ナノインデンテーション機能を備えており、硬さや弾性率のわずかな変化も検出できます。さらに、20μmの範囲でノイズフロアが5pm未満の変位を検出できる機能を備え、7桁の測定範囲をカバーしています。また、SI単位で測定可能な力測定を実現する、交換可能なMEMSベースの力センサーを搭載しており、100pN（ノイズフロア）から2Nまでの範囲をカバーしているため、10桁の測定範囲を実現しています。iX05には、精度と正確性を確保するための自動化された高精度なキャリブレーション手順が搭載されているため、スムーズに利用することができます。

ナノインデンテーション法

一般的には、硬さや強度、弾性挙動といった準静的過程の評価に使われますが、可能性はそれだけにとどまりません。ナノインデンテーションは、ほとんどすべての材料の機械的特性を調べることができます。動的特性、時間依存性、繰り返し特性なども、さまざまな技術を駆使して分析可能です。さらには、破壊挙動や相転移といった複雑な特性でさえも測定できます。この汎用性の高さこそが、ナノインデンターが研究室にとって不可欠なツールである理由です。

• L-PBF316L 鋼の機械特性
  機械特性顕微鏡法は、ナノインデンテーション技術の最近の進化形であり、局所的な1点での評価から高速な2次元画像化技術へと変貌し、微細構造内の機械的性質の変動を可視化する能力を備えています。変位制御下で等間隔に格子状のインデンテーションを実施することで、一貫した相互作用体積を維持しつつ、これらの材料性質の詳細なマップを生成することが可能です。この例では、レーザーパウダーベッド法（L-PBF）で製造された316L 鋼のサンプルを断面観察しています。機械特性顕微鏡法マップにより、積層方向の隣接する溶融プールによって形成された柱状魚鱗状微細構造が明らかになり、また溶融プール境界における細孔や硬化などの欠陥も示されています。

機械特性顕微鏡法

機械特性顕微鏡法とは、ナノインデンテーションの進化の次の段階であり、高速ナノインデンテーションマッピングを使用して、材料の微細構造とさまざまな機械的特性との関連性を同時に評価する強力な新しい方法です。FemtoToolsの比類なき力測定技術を用いた機械特性顕微鏡法により、センチメートルからミクロンまでの幅広いスケールで、硬度や弾性率などの特性の傾向を明らかにすることができます。また、機械特性顕微鏡法は、この技術を環境試験や相関電子顕微鏡技術と組み合わせることで、構造、特性、性能の間の複雑な関係を、これまで以上に直接的に解明します。

• 高クロム鋳鉄の微細機械特性解析
  高クロム鋳鉄（白鋳鉄）は、優れた摩耗性と耐食性により、鉱山、製粉、土砂処理、製造業など幅広い分野で使用されています。これらの特性は、材料の延性鋳鉄マトリックスと硬質炭化物相の高含有率の組み合わせに起因します。本例では、機械特性顕微鏡法を用いた際に異なる熱処理が硬質相の微細組織の進化に及ぼす影響を調査しました。FemtoToolsシステム独自の変位制御により、相間の硬さ差が5倍あっても均一な特性評価を実現しました。

アクセサリー

• 高温モジュール
  高温モジュールは、試料を最大800°Cまで加熱可能です。FemtoToolsマイクロフォースセンシングプローブとアクティブ圧子加熱機能を組み合わせることで、さまざまな温度での等温ナノメカニカル試験を容易に実施できます。このモジュールは、材料特性の温度依存性の測定を可能にするだけでなく、熱により引き起こされる塑性変形やき裂のナノスケールでの定量的研究を支援します。さらに、高真空下で試験を実施することで、不活性ガスを使用するシステムに比べ、酸素含有量を100万分の1に削減し不要な酸化を防止します。

• クライオジェニック試験モジュール
  クライオジェニック温度モジュールは液体窒素を冷却剤として使用し、-150°Cまでの極低温環境下での実験を可能にします。高真空条件下で動作することで、iX05は結露関連の問題を効果的に防止し、極低温でのスムーズで信頼性の高い実験を保証します。

• スクラッチテストモジュール
  スクラッチテストモジュールは、交換可能なサンプルステージと統合されたピエゾスキャナーから構成されています。これにより、サンプルの平面方向の移動を可能にしつつ、同時に垂直方向に荷重を加えることが可能です。FemtoTools 2軸マイクロフォースセンシングプローブと組み合わせることで、このモジュールはナノインデンテーション、ナノスクラッチおよびナノ摩耗試験だけでなく、表面粗さ、高アスペクト比形状、スクラッチ痕や圧痕といったSPM画像取得を可能にします。

• 超高速マッピングモジュール
  超高速マッピングモジュールは、インデント速度を1秒あたり3インデントから最大30インデント/秒まで向上させ、1時間未満で10万を超えるインデントを含む高解像度マップの生成を可能にします。専用のサンプルステージにより、高速での加速、停止、安定化、ナノインデンテーション測定の実施、そして次のインデント位置への加速を、33ミリ秒未満で完了できます。この動作は卓越した正確性を維持しつつ行われます。

• マイクロフォースセンシングプローブ
  FemtoToolsマイクロフォースセンシングプローブは、センサーのプローブ軸に沿ってサブナノニュートンから2ニュートンまでの荷重を測定可能なセンサーです。圧縮方向と引張方向の両方の荷重を測定可能です。各プローブに対してSIトレーサブルな事前校正と、卓越した長期安定性を組み合わせることで、この荷重範囲において他の荷重測定システムよりも著しく高い測定精度を保証します。特別バージョンも用意されており、2軸マイクロフォースセンシングプローブや高温プローブ（HT）など、先端加熱機能（最大800°C）を備えたモデルも含まれます。マイクロフォースセンシングプローブは、ダイヤモンド・バーコビッチ、キューブコーナー、フラットパンチ、ウェッジ、コーン型など、多様な先端材料と形状から選択可能です。