Nanoindentation testing of soft polymers : computation, experiments and parameters identification

Abstract

Since nanoindentation technique is able to measure the mechanical properties of extremely thin layers and small volumes with high resolution, it also became one of the important testing techniques for thin polymer layers and coatings. This dissertation is focusing on the characterization of polymers using nanoindentation, which is dealt with numerical computation, experiments and parameters identification. An analysis procedure is developed with the FEM based inverse method to evaluate the hyperelasticity and time-dependent properties. This procedure is firstly verified with a parameters re-identification concept. An important issue in this dissertation is to take the error contributions in real nanoindentation experiments into account. Therefore, the effects of surface roughness, adhesion force, friction and the real shape of the tip are involved in the numerical model to minimize the systematic error between the experimental responses and the numerical predictions. The effects are quantified as functions or models with corresponding parameters to be identified. Finally, data from uniaxial or biaxial tensile tests and macroindentation tests are taken into account. The comparison of these different loading situations provides a validation of the proposed material model and a deep insight into nanoindentation of polymers.

Da Nanoindentation die Messung der mechanischen Eigenschaften von dünnen Schichten und kleinen Volumen mit hoher Auflösung ermöglicht, hat sich diese Messmethode zu einer der wichtigsten Testmethoden für dünne Polymerschichten und -beschichtungen entwickelt. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Charakterisierung von Polymeren mittels Nanoindentation, die in Form von numerischen Berechnungen, Experimenten und Parameteridentifikationen behandelt wird. Es wurde ein Auswertungsverfahren mit einer FEM basierten inversen Methode zur Berechnung der Hyperelastizität und der zeitabhängigen Eigenschaften entwickelt. Dieses Verfahren wird zunächst mit einem Konzept der Parameter Re-Identifikation verifiziert. Fehlerquellen wie Oberflächenrauheit, Adhäsionskräfte, Reibung und die tatsächlichen Form der Indenterspitze werden in das numerische Modell eingebunden, um die Abweichungen der numerischen Vorhersagen von den experimentellen Ergebnissen zu minimieren. Diese Einflüsse werden als Funktionen oder Modelle mit dazugehörigen, zu identifizierenden Parametern, quantifiziert. Abschließend werden Messwerte aus uni- oder biaxialen Zugversuchen und Makroindentationsversuchen betrachtet. Der Vergleich dieser verschiedenen Belastungszustände liefert eine Bestätigung des vorgeschlagenen Materialmodells und verschafft einen tieferen Einblick in die bei der Nanoindentation von Polymeren ablaufenden Mechanismen.