ITRM20090011A1

ITRM20090011A1 - POLYMERIC DEFORMATION SENSOR

Info

Publication number: ITRM20090011A1
Application number: IT000011A
Authority: IT
Inventors: Girolamo Giovanni Di; Ciro Esposito; Marcello Massaro; Emanuela Piscopiello; Leander Tapfer
Original assignee: Enea Ente Nuove Tec
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-15
Also published as: IT1392835B1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

"SENSORE DI DEFORMAZIONE A MATRICE POLIMERICA" "POLYMER MATRIX DEFORMATION SENSOR"

di ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L'ENERGIA E L'AMBIENTE - of ENTE FOR NEW TECHNOLOGIES, ENERGY AND THE ENVIRONMENT -

La presente invenzione Ã ̈ relativa ad un sensore di deformazione a matrice polimerica. The present invention relates to a polymeric matrix deformation sensor.

Come Ã ̈ noto, i materiali polimerici possiedono interessanti proprietÃ meccaniche e tribologiche che ne favoriscono l'utilizzo in numerose applicazioni. In particolare, le caratteristiche di maggiore interesse sono relative alla leggerezza, alla elevata lavorabilitÃ ed al costo di produzione relativamente basso. As is known, polymeric materials have interesting mechanical and tribological properties that favor their use in numerous applications. In particular, the most interesting features are related to lightness, high workability and relatively low production cost.

A causa delle loro proprietÃ isolanti, per particolari applicazioni Ã ̈ da tempo sentita l'esigenza di sottoporre i materiali polimerici a processi che conferiscano loro anche interessanti proprietÃ elettriche. Due to their insulating properties, for particular applications the need has long been felt to subject polymeric materials to processes that also give them interesting electrical properties.

Attualmente, per conferire proprietÃ elettriche ad un substrato polimerico viene applicato un sottile strato metallico sulla sua superficie. Nella fattispecie, si tratta di uno strato adesivo o, alternativamente, di un film sottile conduttivo realizzato mediante deposizione da fase vapore. I dispositivi realizzati con queste metodologie soffrono lo svantaggio di essere facilmente soggetti a fenomeni di delaminazione o di distacco, con l'ovvio risultato di danneggiare il dispositivo stesso rendendolo inutilizzabile. infatti, basti pensare ad applicazioni quali quelle all'interno delle gallerie del vento o in condizioni ancora peggiori, per comprendere l'inadeguatezza di sensori di deformazione ottenuti mediante una deposizione superficiale dello strato conduttivo . Currently, a thin metallic layer is applied to its surface to impart electrical properties to a polymer substrate. In this case, it is an adhesive layer or, alternatively, a conductive thin film made by vapor phase deposition. Devices made with these methods suffer the disadvantage of being easily subject to delamination or detachment phenomena, with the obvious result of damaging the device itself making it unusable. in fact, just think of applications such as those inside wind tunnels or in even worse conditions, to understand the inadequacy of deformation sensors obtained by means of a superficial deposition of the conductive layer.

Scopo della presente invenzione Ã ̈ di realizzare un sensore di deformazione le cui caratteristiche tecniche siano tali da superare gli svantaggi dell'arte nota. The object of the present invention is to provide a deformation sensor whose technical characteristics are such as to overcome the disadvantages of the prior art.

Oggetto della presente invenzione Ã ̈ un sensore di deformazione le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1, e le cui caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate nelle rivendicazioni 2-4. The object of the present invention is a deformation sensor whose essential characteristics are reported in claim 1, and whose preferred and / or auxiliary characteristics are reported in claims 2-4.

Un ulteriore oggetto della presente invenzione Ã ̈ un metodo per la realizzazione di un sensore di deformazione le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 5, e le cui caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate nelle rivendicazioni 6 e 7. A further object of the present invention is a method for manufacturing a deformation sensor whose essential characteristics are reported in claim 5, and whose preferred and / or auxiliary characteristics are reported in claims 6 and 7.

Per una migliore comprensione dell'invenzione sono riportate di seguito delle forme di realizzazione a puro titolo illustrativo e non limitativo con l'ausilio delle figure del disegno annesso, in cui: For a better understanding of the invention, embodiments are given below for illustrative and non-limiting purposes with the aid of the figures of the attached drawing, in which:

la figura 1 illustra in maniera esemplificativa sia la fase di impiantazione ionica sia il prodotto risultante oggetto della presente invenzione ,-la figura 2 Ã ̈ un grafico XRD rispettivamente del substrato di policarbonato non trattato, del substrato di policarbonato irradiato con una dose di 5xl0<16>ioni/cm<2>e la relativa curva differenziale ,-la figura 3 illustra gli spettri di assorbimento di campioni di policarbonato trattati con differenti dosi comprese tra lxlO<16>ioni/cm<2>e lxlO<17>ioni/cm<2>. Figure 1 illustrates by way of example both the ion implantation step and the resulting product object of the present invention, Figure 2 is an XRD graph respectively of the untreated polycarbonate substrate, of the polycarbonate substrate irradiated with a dose of 5xl0 < 16> ions / cm <2> and the relative differential curve, -figure 3 illustrates the absorption spectra of polycarbonate samples treated with different doses ranging from lxlO <16> ions / cm <2> and lxlO <17> ions / cm <2>.

la figura 4 illustra le micrografie XTEM, a differente ingrandimento, di una sezione trasversale del campione di policarbonato impiantato a 5xl0<16>ioni/cm<2>; Figure 4 illustrates the XTEM micrographs, at different magnification, of a cross section of the implanted polycarbonate sample at 5 x 10 <16> ions / cm <2>;

la figura 5 illustra il profilo di profonditÃ e la relativa concentrazione degli ioni rame sotto la superficie del substrato di policarbonato al variare della dose utilizzata, ottenuti mediante simulazione con il codice numerico TRIDYN; figure 5 illustrates the depth profile and the relative concentration of copper ions under the surface of the polycarbonate substrate as the dose used varies, obtained by simulation with the numerical code TRIDYN;

La figura 6 illustra in grafico la variazione della resistenza elettrica in termini di riduzione percentuale al variare del carico esercitato, rispettivamente in fase di carico e scarico. Figure 6 graphically illustrates the variation of the electrical resistance in terms of percentage reduction as the load exerted varies, respectively during the loading and unloading phases.

Sono stati utilizzati tre substrati di policarbonato con dimensioni 60x25x3 mm. Ognuno dei tre substrati Ã ̈ stato sottoposto ad un trattamento di impiantazione ionica di ioni di Rame (Cu<+>) seguendo i parametri di processo riportati in tabella I. Three polycarbonate substrates with dimensions 60x25x3 mm were used. Each of the three substrates was subjected to an ion implantation treatment of Copper ions (Cu <+>) following the process parameters shown in table I.

TABELLA I TABLE I

Campione Energia (keV) Dose DensitÃ (ioni/cm<2>) (Î1⁄4Î‘/cm<2>) A 60 lxlO<16>1 Sample Energy (keV) Dose Density (ions / cm <2>) (Î1⁄4Î ‘/ cm <2>) A 60 lxlO <16> 1

B 60 5xl0<16>1 B 60 5xl0 <16> 1

C 60 lxlO<17>1 C 60 lxlO <17> 1

I trattamenti sono stati eseguiti a temperatura ambiente e la risultante zona inpiantata nei tre campioni ha dimensioni in pianta pari a 50-17 mm. The treatments were performed at room temperature and the resulting area implanted in the three samples has plan dimensions of 50-17 mm.

I campioni ottenuti sono rappresentati in maniera esemplificativa dal campione di figura 1 indicato nel suo complesso con 1. Il campione 1 Ã ̈ costituito da un substrato polimerico 2 e da uno strato di materiale conduttivo 3 disposto all'interno del substrato polimerico 2 ed in particolare al di sotto della superficie impiantata 4. The samples obtained are represented by way of example by the sample of Figure 1 indicated as a whole with 1. Sample 1 consists of a polymeric substrate 2 and a layer of conductive material 3 arranged inside the polymeric substrate 2 and in particular below the implanted surface 4.

Sul campione B Ã ̈ stata effettuata l'analisi di fase mediante XRD, prima e dopo il trattamento di impiantazione ionica, confrontando i relativi spettri (figura 2). I picchi corrispondenti al rame con struttura cubica testimoniano la formazione di una nuova struttura sovrapposta a quella originaria e generata dal trattamento di impiantazione ionica. The phase analysis by XRD was carried out on sample B, before and after the ion implantation treatment, comparing the relative spectra (figure 2). The peaks corresponding to copper with a cubic structure testify to the formation of a new structure superimposed on the original one and generated by the ion implantation treatment.

I tre campioni sono stati analizzati mediante spettroscopia di assorbimento in un range tra 0,5 e 6,2 eV. I relativi grafici sono riportati in figura 3. The three samples were analyzed by absorption spectroscopy in a range between 0.5 and 6.2 eV. The relative graphs are shown in figure 3.

Come facilmente evidenziabile dalla figura 3, il campione B mostra a circa 2,15 eV un picco corrispondente al plasmane di risonanza superficiale del rame indicando la formazione di una struttura nanocristallina. Tale picco non sembra presente per il campione A, mentre risulta molto appiattito per il campione C, probabilmente per effetto dell'elevata dose di ioni impiantati. As can be easily seen from Figure 3, sample B shows a peak at about 2.15 eV corresponding to the surface resonance plasmane of the copper, indicating the formation of a nanocrystalline structure. This peak does not appear to be present for sample A, while it is very flattened for sample C, probably due to the high dose of implanted ions.

il campione B Ã ̈ stato analizzato anche mediante microscopia elettronica (figura 4). Sono state eseguite micrografie XTEM evidenziando quanto giÃ emerso dall'analisi di fase e dagli spettri di assorbimento. L'analisi evidenzia la precipitazione spontanea di nanoparticelle di rame disperse all'interno della superficie del policarbonato. Quindi, il trattamento di iirpiantazione ionica ha generato un materiale composito nanostrutturato senza la necessitÃ di effettuare alcun ulteriore trattamento. Le particelle metalliche hanno un diametro dell'ordine di 4-10 nm e sono posizionate a circa 40 nm dalla superficie. Alle dosi piÃ¹ basse (lxlO<16>ioni/cm<2>), le nanoparticelle di rame risultano isolate e disperse, mentre a dosi superiori (>2.5xl0<16>ioni/cm<2>) la loro aggregazione produce la formazione di un film nanocristallino continuo o quasi continuo ed uniforme. sample B was also analyzed by electron microscopy (figure 4). XTEM micrographs were carried out highlighting what has already emerged from the phase analysis and from the absorption spectra. The analysis highlights the spontaneous precipitation of copper nanoparticles dispersed within the surface of the polycarbonate. Hence, the ion implantation treatment generated a nanostructured composite material without the need for any further treatment. The metal particles have a diameter of the order of 4-10 nm and are positioned at about 40 nm from the surface. At the lowest doses (lxlO <16> ions / cm <2>), the copper nanoparticles are isolated and dispersed, while at higher doses (> 2.5xl0 <16> ions / cm <2>) their aggregation produces the formation of a continuous or almost continuous and uniform nanocrystalline film.

A dosi molto elevate (lxlO<17>ioni/cm<2>) l'uniformitÃ del film conduttivo risulta compromessa e si determina un principio di danneggiamento superficiale che dÃ luogo ad una struttura disordinata e contraddistinta da proprietÃ elettriche anisotrope. At very high doses (lxlO <17> ions / cm <2>) the uniformity of the conductive film is compromised and a principle of surface damage is determined which gives rise to a disordered structure characterized by anisotropic electrical properties.

In figura 5 sono riportati i profili di profonditÃ calcolati con il TRIDYN relativamente ai tre campioni A, B, C. Come si puÃ² evidenziare dal grafico, relativamente al campione A (lxlO<16>ioni/cm<2>) l'andamento Ã ̈ prossimo a quello di una gaussiana e la concentrazione di rame Ã ̈ pari circa al 2% ad una profonditÃ dalla superficie dell'ordine di 100 nm, mentre la corrispondente concentrazione in superficie risulta trascurabile. All'aumentare della dose gli ioni si ridistribuiscono e, per effetto del loro progressivo accumulo appena sotto la superficie del policarbonato, il relativo profilo si modifica e il valore massimo della concentrazione tende a spostarsi verso la superficie. Infatti, relativamente al campione B (5xl0<16>ioni/cm<2>) la concentrazione massima si attesta intorno all'8%, il profilo della curva comincia ad allontanarsi da quello di una gaussiana e la concentrazione degli ioni in superficie comincia a diventare apprezzabile. Relativamente al campione C (lxlO<17>ioni/cm<2>) il valore massimo della concentrazione di ioni rame Ã ̈ pari a circa il 16%, mentre in superficie si attesta sul 10%. I dati numerici sono sostanzialmente in accordo con quelli sperimentali. Figure 5 shows the depth profiles calculated with the TRIDYN in relation to the three samples A, B, C. As can be seen from the graph, in relation to sample A (lxlO <16> ions / cm <2>) the trend Ã It is close to that of a Gaussian and the copper concentration is approximately 2% at a depth from the surface of the order of 100 nm, while the corresponding concentration on the surface is negligible. As the dose increases, the ions redistribute and, due to their progressive accumulation just below the surface of the polycarbonate, the relative profile changes and the maximum concentration value tends to move towards the surface. In fact, with regard to sample B (5xl0 <16> ions / cm <2>) the maximum concentration is around 8%, the profile of the curve begins to move away from that of a Gaussian and the concentration of ions on the surface begins to become appreciable. With regard to sample C (lxlO <17> ions / cm <2>) the maximum value of the concentration of copper ions is approximately 16%, while on the surface it is 10%. The numerical data are substantially in agreement with the experimental ones.

Le proprietÃ elettriche dei campioni di policarbonato A, B e C sono state misurate in termini di resistenza elettrica a temperatura ambiente. Il campione A non presenta proprietÃ elettriche rilevanti. La scarsa aggregazione delle nanoparticelle metalliche ha impedito la formazione di uno strato conduttivo uniforme. Differentemente, il campione B presenta proprietÃ elettriche, mentre per il campione C, a causa del suddetto danneggiamento superficiale, la resistenza elettrica tende ad aumentare ed il campione stesso non si mostra particolarmente adatto per essere adoperato come sensore di deformazione . The electrical properties of the polycarbonate samples A, B and C were measured in terms of electrical resistance at room temperature. Sample A has no relevant electrical properties. The poor aggregation of the metal nanoparticles prevented the formation of a uniform conductive layer. On the other hand, sample B has electrical properties, while for sample C, due to the aforementioned surface damage, the electrical resistance tends to increase and the sample itself is not particularly suitable for use as a deformation sensor.

Per testare l'efficacia del dispositivo quale sensore di deformazione, Ã ̈ stata studiata la variabilitÃ di resistenza elettrica in funzione del carico applicato sulla superficie mediante prove di compressione in regime monoassiale. To test the effectiveness of the device as a strain sensor, the variability of electrical resistance as a function of the load applied to the surface was studied by means of compression tests in uniaxial regime.

In particolare, Ã ̈ stata messa a punto una apparecchiatura di compressione nella quale sono ricavati dei contatti elettrici sullo strato elettrico conduttivo isolandolo dalle parti metalliche della macchina con materiale rigido e sottile per non apportare ulteriori contributi alla deformazione. Una volta registrato il valore di resistenza elettrica a vuoto, si Ã ̈ applicato progressivamente il carico (N) e si Ã ̈ misurata la relativa variazione di resistenza elettrica (Î©) dello strato sottoposto a deformazione. In particular, a compression equipment has been developed in which electrical contacts are made on the electrical conductive layer, isolating it from the metal parts of the machine with a rigid and thin material so as not to make further contributions to the deformation. Once the no-load electrical resistance value was recorded, the load (N) was progressively applied and the relative electrical resistance variation (Î ©) of the layer subjected to deformation was measured.

La sollecitazione meccanica di schiacciamento induce uno stato tensionale di compressione nel materiale composito che tende ad espandersi lateralmente, con l'effetto di incrementare le distanze fra gli atomi e le particelle metalliche all'interno dello strato impiantato. Le linee di forza del campo elettrico si ridispongono all'interno dello strato conduttivo, modificando il valore della resistenza elettrica. The mechanical crushing stress induces a compressive stress state in the composite material which tends to expand laterally, with the effect of increasing the distances between the atoms and the metal particles inside the implanted layer. The lines of force of the electric field are rearranged inside the conductive layer, changing the value of the electrical resistance.

Le prime prove sono state effettuate per valori di carico compresi tra 0 e 500 N, restringendo poi il canpo di prova fino ad un valore massimo di circa 250 N. Si Ã ̈ constatato come all 'aumentare del carico applicato si verifichi una riduzione della resistenza elettrica del campione . The first tests were carried out for load values between 0 and 500 N, then narrowing the test field up to a maximum value of about 250 N. It was found that as the applied load increases, a reduction in resistance occurs. electrical sample.

Nella figura 6 sono riportati i risultati delle prove sperimentali effettuate sul campione B, ovvero la variazione percentuale di resistenza elettrica in funzione del carico a cui il campione viene sottoposto, rispettivamente in fase di carico e scarico. La leggera isteresi rilevata nel corso delle misure Ã ̈ imputabile alla deformazione elastica del substrato. Figure 6 shows the results of the experimental tests carried out on sample B, i.e. the percentage variation of electrical resistance as a function of the load to which the sample is subjected, respectively during loading and unloading. The slight hysteresis detected during the measurements is attributable to the elastic deformation of the substrate.

Il conportamento Ã ̈ qualitativamente identico per campioni impiantati a differenti dosi, sebbene cambi il valore della resistenza elettrica misurata in assenza di carico e la rispettiva variazione percentuale sotto carico. Come precedentemente detto, un valore eccessivo della dose (campione C) determina uno strato non uniforme ed una conduttivitÃ elettrica talora variabile da punto a punto. The behavior is qualitatively identical for samples implanted at different doses, although the value of the electrical resistance measured in no-load and the respective percentage variation under load changes. As previously said, an excessive value of the dose (sample C) determines an uneven layer and an electrical conductivity which sometimes varies from point to point.

Inoltre, eseguendo un nuovo ciclo di carico su campioni giÃ testati si sono riscontrati un comportamento ed una variabilitÃ quantitativamente molto prossimi a quanto precedentemente registrato. CiÃ² conferma che una eventuale deformazione plastica del substrato risulta di modesta entitÃ per il carico applicato e che la maggior parte dell'effetto prodotto dallo schiacciamento sul film di rame si annulla non appena cessa l'applicazione del carico. Furthermore, by carrying out a new loading cycle on samples already tested, a behavior and a variability quantitatively very close to that previously recorded were found. This confirms that any plastic deformation of the substrate is modest due to the applied load and that most of the effect produced by the crushing on the copper film is canceled as soon as the application of the load ceases.

Alcuni campioni impiantati a differenti dosi sono stati sottoposti ad un successivo trattamento di annealing isotermico in atmosfera controllata al fine di valutarne l'effetto sulle proprietÃ elettriche. Si puÃ² asserire che il trattamento di annealing risulta benefico, in quanto determina una riduzione della resistenza misurata in assenza di carico, incrementando, cosÃ¬, le proprietÃ conduttive del materiale composito. Some samples implanted at different doses were subjected to a subsequent isothermal annealing treatment in a controlled atmosphere in order to evaluate the effect on the electrical properties. It can be asserted that the annealing treatment is beneficial, as it determines a reduction of the resistance measured in the absence of load, thus increasing the conductive properties of the composite material.

Come puÃ² risultare ovvio ad un tecnico del ramo, le dimensioni del substrato e la dose di impianto devono essere debitamente controllate ed ottimizzate in funzione della applicazione a cui Ã ̈ destinato. In particolare, va considerato l'intervallo di forze e/o di pressione in cui il dispositivo deve operare e la relativa variazione di conduttivitÃ elettrica indotta. As may be obvious to a person skilled in the art, the size of the substrate and the implant dose must be duly controlled and optimized according to the application for which it is intended. In particular, the range of forces and / or pressure in which the device must operate and the relative variation in induced electrical conductivity must be considered.

Il vantaggio fondamentale del dispositivo Ã ̈ dato dal fatto che esso puÃ² essere facilmente integrato in dispositivi elettronici piÃ¹ complessi, consentendo, fra le svariate applicazioni, il monitoraggio ed il controllo in tempo reale della stabilitÃ strutturale e della deformazione di componenti polimerici, nonchÃ© il controllo e la verifica dei cosiddetti materiali intelligenti. The fundamental advantage of the device is given by the fact that it can be easily integrated into more complex electronic devices, allowing, among the various applications, the monitoring and control in real time of the structural stability and deformation of polymeric components, as well as the control and verification of so-called intelligent materials.

Come appare evidente dalla descrizione di cui sopra il dispositivo oggetto della presente invenzione supera in maniera semplice ed economica gli inconvenienti rappresentati dalle proprietÃ isolanti dei polimeri strutturali e dai limiti dei dispositivi fabbricati con le tecnologie tradizionali (deposizione di film sottili superficiali) che costituiscono l'arte nota. As it appears evident from the above description, the device object of the present invention overcomes in a simple and economical way the drawbacks represented by the insulating properties of the structural polymers and by the limitations of the devices manufactured with traditional technologies (deposition of superficial thin films) which constitute the known art.

Claims

CLAIMS 1. Deformation sensor (1) comprising a polymeric substrate (2) and a layer of conductive material (3) the said deformation sensor being characterized in that the said layer of conductive material (3) is arranged inside the said polymeric substrate (2).

2. Deformation sensor according to claim 1, characterized in that the said layer of conductive material (3) is made inside the said polymeric substrate (2) by means of an ion implantation treatment with energy <150keV.

3. Deformation sensor according to claim 2, characterized in that said polymeric substrate (2) is made of polycarbonate and said layer of conductive material (3) is made of copper.

4. Deformation sensor according to claim 3, characterized in that the said layer of conductive material (3) is a continuous or almost continuous and uniform nanocrystalline film, consisting of copper nanoparticles arranged at a depth from the surface between 40 and 80 nm.

5. Method for the production of a deformation sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an ion implantation treatment operating with an energy between 50 and 70 kev, with a dose between 2.5xl0 <16> and 7.5xl0 <16> ions / cm <2> and with a current density between 0.75 and 1.25 Î1⁄4Î '/ cm <2>

6. Method according to claim 5, characterized in that said ion implantation treatment operates at room temperature.

7. Method according to claim 6, characterized in that it comprises an annealing heat treatment subsequent to said ion implantation treatment and suitable for increasing the electrical properties of the material.