Nanoindentation as a tool for high resolving dendrochronology.pdf Традиционно дендрохронология и дендроклиматология для датировки событий и климатических условий в прошлом использует в основном методы оптической микроскопии, проводя анализ размеров колец годичного прироста, особенностей клеточной структуры [1-3], внутрикольцевых слоев [4-6], а также вариаций толщины клеточных стенок [7], иногда дополняя их рентгеновской микроденситометрией [8]. Эти методы имеют низкое пространственное разрешение и ряд других ограничений, поскольку опираются, в основном, на оптические характеристики клеточной структуры древесины и ее плотность. Высокоразрешающая характеризация других физических свойств исследуемых образцов может существенно повысить информативность исследования. В работе предложено расширить возможности дендрохронологии и дендроклиматологии путем применения неразрушающего метода непрерывной наноиндентометрии [9-11], способного регистрировать изменения механических свойств материалов с пространственным разрешением до единиц нм. На приборе Triboindenter TI-950 (Hysitron) определяли нано/микротвердость Н и модуль Юнга Е посредством внедрения в торцевой срез трехгранного алмазного индентора Берковича с эквивалентным радиусом в вершине около 50 нм. При этом регистрировали диаграмму нагружения в координатах P - h, где Р - мгновенное значение приложенной к индентору нагрузки, h - текущая глубина его погружения в материал. Дальнейшая обработка «сырых» данных по Оливеру - Фарру [12] позволяла извлечь из P-h-диаграммы локальные значения Н и Е. Обычно полученные данные усредняли по 5-10 отпечаткам. Максимальную нагрузку Pmax варьировали в пределах от 100 мкН до 2 мН. Максимальная глубина отпечатков при этом менялась от 100 нм до 2.2 мкм. При наименьшей нагрузке пространственный шаг измерений составлял 1-2 мкм, а при наибольшей - 10-20 мкм. Это позволяло проводить измерения Н и Е с пространственным разрешением 2-20 мкм, соответствующим примерно одним суткам активного роста в летний период. При необходимости разрешение может быть увеличено еще примерно на порядок величины, что дает возможность измерять распределение Н и Е внутри единичных клеток древесины и их стенок. Рис. 1. Зависимость твердости Н и модуля Юнга Е от расстояния r поперек годовых колец (а) и зависимость Н от Е для трех последовательных годовых колец (1, 2 и 3) (б), полученные при наноиндентировании древесины (сухая сосна). Направление внедрения индентора: вдоль волокон. На (а) сверху показана структура годовых колец роста, а на вставке - P-h-диаграмма для точки при r = 1.54 мм и Рmax = 2 мН На рис. 1 показаны радиальные зависимости H и Е от расстояния вдоль радиуса ствола дерева и друг от друга. Заметим, что, несмотря на различия в условиях роста и толщине годичных колец, генеральная зависимость повторяется в каждом кольце: к концу сезона роста твердость и модуль Юнга увеличиваются примерно на порядок величины. Это означает, что твердость и прочность древесины в макрошкале определяются в гораздо большей степени условиями в конце сезона роста, нежели в начале. Из приведенных результатов следует, что высокоразрешающие измерения H и E очень перспективны для описания климатических и экологических условий, существовавших в прошлом, в дополнение к традиционному анализу размеров, морфологии и клеточной структуры годовых колец роста и внутрикольцевых слоев, а также вариаций толщины клеточных стенок. Регистрация и анализ радиальных распределений H и E могут существенно дополнить данные традиционных методов, сделав дендрохронологию более информативной и полностью объективной. При этом достижимое латеральное разрешение ~ 100 нм, а в нормальном направлении - на порядок выше, дает возможность уточнять хронологию и оценивать климатические условия не с точностью до года, как в традиционных методах, а с точностью до недель или даже суток. Кроме того, высокое разрешение метода позволяет исследовать механические свойства отдельных клеток, клеточных стенок и других элементов их структуры, формируя фундаментальный базис понимания природы макропрочности древесных материалов и композитов, армированных волокнами природного и синтетического происхождения.

Скачать электронную версию публикации