SBIR Phase II: Nanoscale Ultrafast Dynamic Mechanical Analysis (nu-DMA)

SBIR 第二阶段:纳米级超快动态力学分析 (nu-DMA)

基本信息

  • 批准号:
    1152308
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-03-01 至 2016-02-29
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This Small Business Innovation Research (SBIR) Phase II project will develop technologies to enable commercialization of nanoscale Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Conventional DMA works by applying an oscillating stress to a sample and measuring the time-dependent strain. Analysis of DMA data gives information about material stiffness, viscosity, thermal transitions and activation energies, for example. DMA is a critical and widely used tool to measure the viscoelastic properties of bulk materials, but it suffers from three key limitations: slow speed, limited frequency range, and the lack of spatially-resolved information. Large and growing material classes employ nanoscale composite structures to achieve desired material properties. No current tool can rapidly examine the temperature-dependent viscoelastic response of these materials on the scales they are being engineered. To address this unmet need, we will extend successful Phase I research to develop instrumentation based on atomic force microscopy (AFM) using rapidly heatable AFM cantilever probes. Specifically, the nanoscale DMA platform will provide: (1) variable temperature DMA in seconds; (2) measurement frequencies three orders of magnitude higher than conventional DMA; (3) spatial resolution down to 100 nm; and (4) sensitive and spatially-resolved measurements of glass transitions on wide range of commercially important polymers not previously measurable.The broader impact/commercial potential of this project will stretch across multiple industries and academic research areas. Metrology and characterization are foundations of successful materials science and materials manufacturing. The lack of materials characterization tools at the nanoscale has been identified by the chemical industry as a key bottleneck for the rapid development of new materials. This proposal aims to fill a major gap in required instrumentation. With the ability to measure temperature-dependent viscoelastic properties at the nanoscale, materials scientists and engineers will be able for the first time to directly investigate local material stiffness, energy absorption, and damping in heterogeneous materials over a wide range of operating temperatures and frequencies. In addition to spatially resolved measurements, the dramatic measurement speed improvements (a thousand-fold improvement over conventional DMA) will enable higher measurement throughput, lower cost per measurement, more frequent sampling and better measurement statistics. Based on interactions with customers in diverse industries, we have already has already identified strong market pull in areas including epoxies, polymer blends, multilayer films, medical devices, semiconductor packaging, and aerospace markets.
这项小型企业创新研究(SBIR)II期项目将开发技术以实现纳米级动态机械分析(DMA)的商业化。常规DMA通过将振荡应力应用于样品并测量时间依赖性应变来起作用。 DMA数据的分析提供了有关材料刚度,粘度,热过渡和激活能的信息。 DMA是一种关键且广泛使用的工具,用于测量散装材料的粘弹性特性,但它具有三个关键局限性:慢速,有限的频率范围和缺乏空间分辨的信息。大型材料类别采用纳米级复合结构来实现所需的材料特性。 当前的工具无法迅速检查这些材料正在设计的尺度上的温度依赖性粘弹性响应。为了满足这种未满足的需求,我们将使用快速加热的AFM悬臂探针扩展成功的I期研究,以基于原子力显微镜(AFM)开发仪器。 具体而言,纳米级DMA平台将提供:(1)秒内可变温度DMA; (2)测量频率比常规DMA高三个数量级; (3)空间分辨率降至100 nm; (4)对玻璃过渡的敏感和空间分辨的测量在广泛的商业重要聚合物上,以前无法测量。该项目的更广泛的影响/商业潜力将在多个行业和学术研究领域延伸。 计量和表征是成功的材料科学和材料制造的基础。 纳米级缺乏材料表征工具已被化学工业确定为快速开发新材料的关键瓶颈。 该建议旨在填补所需仪器的重大空白。 鉴于纳米级的温度依赖性粘弹性特性的能力,材料科学家和工程师将首次能够直接研究局部材料刚度,能量吸收和在广泛的工作温度和频率上的异质材料中的阻尼。 除了空间解决测量值外,急剧测量速度的提高(比常规DMA提高了一千倍)将使较高的测量吞吐量,较低的每次测量成本,更频繁的采样和更好的测量统计数据。 根据与各种行业中客户的互动,我们已经确定了环氧树脂,聚合物混合物,多层膜,医疗设备,半导体包装和航空航天市场等领域的强劲市场吸引力。

项目成果

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    Craig Prater
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