Badania powierzchni

Charakterystyka powierzchni – czemu jest konieczna w produkcji

Rzeczywiste powierzchnie materiałów nie są idealne –  czyli nic nie jest perfekcyjnie gładkie i równe. Powstała więc konieczność klasyfikowania i parametryzowania właściwości powierzchni. Jest to konieczne aby firmy mogły precyzyjnie określić wymagania co do tworzonego produktu, który finalnie musi mieć odpowiednią powtarzalność. Parametry takie jak chropowatość, zwilżalność czy jednorodność powierzchni mają bezpośredni wpływ na wiele właściwości wyrobów, m.in. trwałość, hydrofobowość, wygląd.

Główne parametry charakteryzujące powierzchnię – lista

W praktyce parametry i wymagania które najczęściej wykorzystywane są do charakterystyki powierzchni to:

• chropowatość powierzchni (liniowa i powierzchniowa)
• zwilżalność powierzchni
• czystość i jednorodność powierzchni (mniej unormowane, robione według standardów wewnętrznych firm)

Chropowatość i falistość powierzchni – różnica (konieczne słowo wstępu)

Metodologię zasad podawania oznaczeń struktury geometrycznej powierzchni (w skórcie SGP) metodami profilowymi opisuje norma PN-EN ISO 21920-1:2022-06, w szczególności część 1: Oznaczenie struktury geometrycznej powierzchni. W skali makro odchylenia profilu definiujemy jako błędy kształtu (których dalszy opis pominiemy), natomiast w skali mikro rozróżniamy chropowatość oraz falistość. Chropowatość powierzchni wynika najczęściej z charakteru obróbki i wykończenia powierzchni produktu. Falistość powierzchni to natomiast nierówności będące składową o charakterze przypadkowym lub zbliżonym do postaci okresowej, których odstępy znacznie przewyższają odstępy chropowatości powierzchni. Różnice pomiędzy chropowatością i falistością najlepiej przedstawia poniższy rysunek.

Rodzaje chropowatości powierzchni – najczęściej stosowane w praktyce

Parametry chropowatości powierzchni możemy uzyskać przez badania dotykowe (mechaniczne) z wykorzystaniem profilometru stykowego, lub optyczne z wykorzystaniem profilometru optycznego. Najdokładniejszym i najbardziej zaawansowanym urządzeniem do pomiaru chropowatości jest AFM.
W zależności od metody i zakresu badania mierzona jest chropowatość liniowa lub powierzchniowa. Należy tu podkreślić, że bezpośrednie porównanywanie chropowatości powierzchniowej i liniowej, nie jest w pełni poprawne i nie powinno być używane.

Parametry chropowatości liniowej (mierzona wzdłuż lini):

• R_a – średnia arytmetyczna wartości profilu na długości odcinka pomiarowego
• R_q – średnie kwadratowe odchylenie profilu chropowatości,
• R_t – całkowita wysokość profilu chropowatości,
• R_z – najwyższa wysokość profilu chropowatości.

Parametry chropowatości powierzchniowej (mierzona na określonym polu):

• S_a – średnie arytmetyczne odchylenie wysokości nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia
• S_q – średnie kwadratowe odchylenie wysokości nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia
• S_t –głębokość całkowita wysokości profilu chropowatości na powierzchni
• S_z – największa wysokość profilu chropowatości na powierzchni

Co to jest zwilżalność powierzchni

Zwilżalność to właściwość materiału opisująca zachowanie się kropli cieczy (często wody) w kontakcie z nim. W przypadku gdy materiał jest łatwo zwilżalny przez wodę mówimy o materiale hydrofilowym, a gdy jest trudno zwilżalny przez wodę – o materiale hydrofobowym.

Pomiar zwilżalności powierzchni

Podstawową metodą badania zwilżalności jest metoda stojącej kropli, którą wykonuje się przy pomocy urządzenia zwanego goniometrem. Metoda ta pozwala na określenie przede wszystkim dwóch wartości: kąta zwilżania oraz swobodnej energii powierzchniowej. Kąt zwilżania (Θ), jest to kąt, jaki tworzy styczna do powierzchni kropli pomiarowej osadzonej na powierzchni ciała stałego, w punkcie styku trzech faz stałej (S), ciekłej (L) i gazowej (V).
Zależność tą opisuje równanie Younga: γ_SV = γ_SL + γ_LVcosΘ_γ

gdzie: γ_SV – to energia powierzchniowa materiału w równowadze z parą nasyconą cieczy, γ_SL to międzyfazowa energia powierzchniowa ciała stałego i cieczy, γ_LV – energia powierzchniowa cieczy pomiarowej w równowadze z parą nasyconą, Θ_γ – równowagowy kąt zwilżania (kąt Younga).

Gdy 0°<Θ<90° dobra zwilżalność.
Gdy Θ=90° cząsteczki cieczy przyciągają cząsteczki ciała stałego z siłą równą połowie ich wzajemnego przyciągania się.
Gdy 90°<Θ<180° słaba zwilżalność.
Gdy Θ<180° całkowity brak zwilżalności.

Wyznaczając wartości kąta zwilżania dla cieczy polarnej i niepolarnej (u nas – woda destylowana oraz dijodometan) możemy wyznaczyć również swobodną energię powierzchniową (SEP). Swobodna energia powierzchniowa (SEP) wykorzystywana jest do oceny zjawisk fizycznych, mających zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, m.in. w: spożywczym, kosmetycznym, maszynowym, elektronicznym itp.

Urządzenia do badań struktury geometrycznej powierzchni – kluczowa uwaga co do rozdzielczości

Na przykładzie naszego laboratorium przedstawiamy urządzenia wykorzystywane do badań powierzchni. Należy tu podkreślić, że w przypadku badań chropowatości, szczególnie ważna jest zdolność rozdzielcza i głębia ostrości wykorzystywanego urządzenia. Stąd pomiar powinien być wykonywany na profilometrach, a nie jak to często jest robione – na mikroskopach świetlnych. Mikroskopy (np. cyfrowe) są w stanie zmierzyć raczej falistość, ale nie mają wystarczającej dokładności do precyzyjnego pomiaru chropowatości.

Profilometry optyczne i stykowe – klasyczne pomiary chropowatości

w naszym wypadku posiadamy profilometr optyczny RTEC, wyposażony w obiektywy konfokalne (5x, 20x i 50x) i interferometryczne (10x i 20x). Dzięki takiemu zestawowi jesteśmy w stanie wykonywać pomiary zgodnie z normami ISO 25178, ISO 16610, ISO 12781, ISO 4287 z rozdzielczością optyczną do 0,94 µm.
Alternatywą dla tego typu urządzeń są profilometr stykowe, które jednak ze względu na kontakt z próbką posiada wiele ograniczeń względem systemów optycznych.

Mikroskopy sił atomowych AFM – wysokorozdzielcze (skala nano) pomiary powierzchni

w laboratorium Technolutions posiadamy Mikroskop AFM Park Systems NX-10 pozwalający na:

• obrazowanie topografii powierzchni, w bardzo wysokiej rozdzielczości do 1 nm,
• pomiar struktur oraz chropowatości powierzchni z rozdzielczością poniżej 1 nm,
• obrazowanie właściwości elektrycznych powierzchni (przewodnictwo, rozkład ładunków),
• obrazowanie struktur magnetycznych oraz rozkładu domen magnetycznych powierzchni próbki,
• pomiar i obrazowanie właściwości mechanicznych próbki,
• wykonywanie pomiarów próbek zarówno w powietrzu jak i cieczach
• badanie próbek wykonanych z materiałów: metalicznych ceramicznych, polimerowych i biologicznych

Goniometry – systemy do pomiarów kąta zwilżania i swobodnej energii powierzchniowej

W laboratorium Technolutions do wyznaczenia kąta zwilżania stosujemy goniometr Ossila Contact Angle Gioniometer, który jest wyposażony w kamerę cyfrową o dużym kontraście oraz software umożliwiający dokładne wyznaczenie kąta zwilżania materiałów. Do badań stosujemy dwie ciecze – wodę destylowaną oraz dijodometan.  Goniometr ten pozwala na pomiar kąta w zakresie 5° – 180° przy dokładności pomiaru ±1°. Wyznaczając wartości kąta zwilżania dla cieczy polarnej i niepolarnej (u nas – woda destylowana oraz dijodometan) możliwe jest również wyznaczenie swobodnej energii powierzchniowej (SEP). W naszym laboratorium wyznaczamy ją metodą Owensa-Wendta.

Mikroskopy makro i mikro

Do ogólnej oceny powierzchni wykorzystywane są także mikroskopy makro, takie jak Zeiss SteREO Discovery.V12 lub mikroskopy metalograficzne takie jak Zeiss Axio Imager. Wykonuje się na nich ogólne badania, zgodnie z wymaganiami klienta. Mogące na przykład być oceną jednorodności powłoki, gdzie analizowane jest ilość wtrąceń na zadanym obszarze (np. 10x10mm). Więcej o badaniach na mikroskopach można znaleźć pod tym linkiem.