Nanoscale thermomechanics of wear-resilient polymeric bilayer systems.
Nanoscale thermomechanics of wear-resilient polymeric bilayer systems.
复制标题
耐磨聚合物双层系统的纳米级热力学
DOI：
10.1021/nn305047m
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发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
17.1
通讯作者：
Armin Knoll
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Tassilo Kaule;Yi Zhang;Sebastian Emmerling;Sascha Pihan;Renate Förch;Jochen Gutmann;Hans- Jürgen Butt;Rüdiger Berger;Urs Dürig;Armin Knoll
我们探索超薄弹性涂层的效果，以优化纳米级应用的底层聚合物薄膜的机械稳定性。该涂层由几纳米薄的等离子体聚合降冰片烯层组成。扫描探头用于表征系统的剪切力引起的磨损和热辅助压痕。该层将性能较差的聚苯乙烯薄膜转变为高耐磨系统，非常适合高密度和低功耗数据存储应用。结果可以从热而锋利的压头尖端的压痕特性来理解。后者产生全塑性状态下的变形模式，从而可以对结果进行简单的解释。获得了微秒时间尺度和纳米尺寸尺度上体系的软化转变和屈服应力。我们表明，塑性变形是由聚苯乙烯底层的屈服控制的，这使得整个系统变得柔软以进行塑性变形。超薄保护层起到弹性表皮的作用，屏蔽部分温度和压力，并具有对侧向力的高耐磨性。此外，在微秒和纳米尺度上探测聚合物的方法为在很大程度上未探索的领域中研究聚合物物理开辟了新的机会。因此，我们发现软化温度比聚苯乙烯玻璃化转变温度高出 100 °C 以上，这意味着在短相互作用时间范围内，聚合物的玻璃态在该温度下仍保持不变。
We explore the effect of an ultrathin elastic coating to optimize the mechanical stability of an underlying polymer film for nanoscale applications. The coating consists of a several nanometer thin plasma-polymerized norbornene layer. Scanning probes are used to characterize the system in terms of shear-force-induced wear and thermally assisted indentation. The layer transforms a weakly performing polystyrene film into a highly wear-resistive system, ideal for high-density and low-power data storage applications. The result can be understood from the indentation characteristics with a hot and sharp indenter tip. The latter gives rise to a deformation mode in the fully plastic regime, enabling a simple interpretation of the results. The softening transition and the yield stress of the system on a microsecond time scale and a nanometer size scale were obtained. We show that the plastic deformation is governed by yielding in the polystyrene sublayer, which renders the overall system soft for plastic deformation. The ultrathin protection layer contributes as an elastic skin, which shields part of the temperature and pressure and enables the high wear resistance against lateral forces. Moreover, the method of probing polymers at microsecond and nanometer size scales opens up new opportunities for studying polymer physics in a largely unexplored regime. Thus, we find softening temperatures of more than 100 °C above the polystyrene glass transition, which implies that for the short interaction time scales the glassy state of the polymer is preserved up to this temperature.
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