Realização de testes de corte em forma de Y montados no microscópio

Summary

O corte em forma de Y mede escalas de comprimento relevantes para fratura e energias em materiais macios. Aparelhos anteriores foram projetados para medições de bancada. Este protocolo descreve a fabricação e o uso de um aparelho que orienta a configuração horizontalmente e fornece as capacidades de posicionamento fino necessárias para a visualização in situ , além da quantificação de falhas, através de um microscópio óptico.

Abstract

O corte em forma de Y demonstrou recentemente ser um método promissor para entender a escala de comprimento limiar e a energia de falha de um material, bem como sua resposta à falha na presença de excesso de energia de deformação. O aparato experimental utilizado nesses estudos foi orientado verticalmente e exigiu passos pesados para ajustar o ângulo entre as pernas em forma de Y. A orientação vertical proíbe a visualização em microscópios ópticos padrão. Este protocolo apresenta um aparelho de corte em forma de Y que se monta horizontalmente sobre um estágio de microscópio invertido existente, pode ser ajustado em três dimensões (X-Y-Z) para se enquadrar no campo de visão do objetivo e permite fácil modificação do ângulo entre as pernas. As duas últimas características são novas para esta técnica experimental. O aparelho apresentado mede a força de corte com precisão de 1 mN. Ao testar o polidimetilsiloxano (PDMS), o material de referência para esta técnica, foi medida uma energia de corte de 132,96 J/m 2 (ângulo de perna de 32°, pré-carga de 75 g) e verificou-se que estava dentro do erro de medições anteriores feitas com uma configuração vertical (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m²). A abordagem se aplica a materiais sintéticos moles, tecidos ou biomembranas e pode fornecer novos insights sobre seu comportamento durante a falha. A lista de peças, arquivos CAD e instruções detalhadas neste trabalho fornecem um roteiro para a fácil implementação dessa poderosa técnica.

Introduction

A mecânica do contínuo não linear forneceu uma lente crítica através da qual entender a concentração de energia que leva à falha em sólidos moles¹. No entanto, a predição precisa dessa falha também requer descrições das características microestruturais que contribuem para a criação de novas superfícies na ponta da fissura ^2,3. Um método para abordar tais descrições é através da visualização in situ da ponta da fissura durante a falha ^4,5. No entanto, o embotamento de rachaduras em testes típicos de fratura de campo distante torna a aquisição de dados in situ desafiadora, espalhando o material altamente deformado, potencialmente fora do campo de visão do microscópio⁶. O corte em forma de Y oferece uma alternativa única para a visualização microestrutural, pois concentra a região de grande deformação na ponta de uma lâmina⁷. Além disso, trabalhos anteriores de nosso grupo demonstram que essa abordagem experimental única pode fornecer informações sobre as diferenças na resposta à falha entre o rasgo de campo distante e as condições de carga mediadas por contato⁷.

O método de corte em forma de Y utilizado no aparelho aqui apresentado foi descrito pela primeira vez décadas atrás como um método de corte para borracha natural⁸. O método consiste em um corte de lâmina fixa através de uma peça de teste pré-carregada em forma de Y. Na interseção do “Y” está a ponta da rachadura, que é criada antes do teste dividindo uma porção de uma peça retangular em duas “pernas” iguais (Figura 1B e Figura 2D). As principais vantagens deste método de corte incluem a redução das contribuições de atrito para a energia de corte medida, a geometria variável da lâmina (ou seja, a restrição da geometria da ponta da fissura), o controle da taxa de falha (através da taxa de deslocamento da amostra) e o ajuste separado do corte, C e rasgamento, T, contribuições de energia para a energia total G_cortada (ou seja, alterar a energia de falha em excesso de um limiar de corte)⁸. Estas últimas contribuições são expressas em uma expressão simples e fechada para a energia de corte⁹

Eqn (1)

que utiliza parâmetros selecionados experimentalmente, incluindo a espessura da amostra, t, a deformação média da perna, , a força de _pré-carga, f pre, e o ângulo entre as pernas e o eixo de corte, θ. A força de corte, f_cut, é medida com o aparelho, conforme detalhado em Zhang et al.9. Notavelmente, o aparelho apresentado aqui inclui um mecanismo novo, simples e preciso para ajustar o ângulo da perna, θ, e garantir que a amostra esteja centralizada. Embora ambos os recursos sejam críticos para uma configuração montada no microscópio, o mecanismo pode beneficiar futuras implementações verticais do teste de corte em forma de Y, aumentando a facilidade de uso.

O progresso na determinação dos critérios de falha apropriados para sólidos moles está em andamento desde o sucesso inicial das geometrias de fratura independentes de amostras introduzidas por Rivlin e Thomas¹⁰. Taxas críticas de liberação de energia¹⁰, leis de zona coesiva¹¹ e várias formas de abordagens de estresse ou energia à distância^12,13,14 têm sido utilizadas. Recentemente, Zhang e Hutchens alavancaram a última abordagem, demonstrando que o corte em forma de Y com lâminas de raio suficientemente pequenas poderia produzir condições de falha de limiar para fratura suave⁷: uma energia de falha de limiar e uma escala de comprimento de limiar para falha que varia de dezenas a centenas de nanômetros em polidimetilsiloxano homogêneo e altamente elástico (PDMS). Esses resultados foram combinados com a modelagem contínua e a teoria de escala para desenvolver uma relação entre corte e rasgo nesses materiais, demonstrando assim a utilidade do corte em forma de Y para fornecer insights sobre todos os modos de falha suave. No entanto, o comportamento de muitas classes de materiais, incluindo materiais dissipativos e compósitos, permanece inexplorado. Prevê-se que muitos deles exibirão efeitos governados pela microestrutura em escalas de comprimento acima do comprimento de onda da luz visível. Portanto, foi desenhado neste estudo um aparelho que permite a caracterização visual próxima desses efeitos durante o corte em forma de Y pela primeira vez (por exemplo, em compósitos, incluindo tecidos moles, ou de processos dissipativos, previstos nas escalas de comprimento micrômetro a milímetro¹⁵).

Protocol

1. Ajuste e fabricação de peças modificáveis e consumíveis Use um cortador a laser ou impressora 3D para fabricar abas descartáveis de ABS ou acrílico que caibam dentro da largura das pernas da amostra, B1 e B2 (7,5 mm x 7,5 mm para uma amostra de 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) (Figura 1B e Figura 2D). Duas abas são necessárias para cada teste, uma para cada perna. Clipe da lâmina de barbearNOTA: As dimensões exatas do …

Representative Results

Os parâmetros utilizados durante os passos 4 e 6 e os dados recolhidos durante os passos 6 e 9 combinam-se para produzir a energia de corte da amostra. De acordo com a Eqn. 1, a determinação da energia de corte requer os seguintes parâmetros: espessura da amostra, t, força de pré-carga, f pré e o ângulo entre as pernas e o eixo de corte, θ. Os seguintes dados também são necessários: a força de corte, o corte f e a tensão média da perna, <img alt="Equation 2"…

Discussion

O aparato de corte horizontal em forma de Y relatado aqui permite recursos de imagem in situ , juntamente com maior facilidade de uso para essa técnica de falha. O aparelho inclui um design modular/portátil para montagem/desmontagem rápida a partir de um microscópio e ajuste contínuo e pré-alinhado do ângulo das pernas. Todos os arquivos CAD, materiais necessários e procedimentos foram incluídos para facilitar a implementação deste método. Em muitos casos (suportes de lâmina, suporte de amostra, mon…

Materials

Buy Parts
1" OD Pulley	McMaster Carr	3434T75	Pulley for Wire Rope (Larger)
100 g Micro Load Cell	RobotShop	RB-Phi-203
1K Resistor	Digi-Key	CMF1.00KFGCT-ND	1 kOhms ±1% 1 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Moisture Resistant, Safety Metal Film
1M Resistor	Digi-Key	RNF14FAD1M00	1 MOhms ±1% 0.25 W, 1/4 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Safety Metal Film
3/8" OD Pulley	McMaster Carr	3434T31	Pulley for Wire Rope
4" Clear Protractor with Easy Read Markings	S&S Worldwide	LR3023
Breadboard	ECEB	N/A
IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIP	Digi-Key	LTC1051CN8#PBF-ND
M2 x 0.4 mm Nut	McMaster Carr	90592A075	Steel Hex Nut
M2 x 0.4 mm x 25 mm	McMaster Carr	91292A032	18-8 Stainless Steel Socket Head Screw
M2 x 0.4 mm x 8 mm	McMaster Carr	91292A832	18-8 Stainless Steel Socket Head Screw
M3 x 0.5 mm x 15 mm	McMaster Carr	91290A572	Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M3 x 0.5 mm x 16 mm	McMaster Carr	91294A134	Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw
M3 x 0.5 mm, 4 mm High	McMaster Carr	90576A102	Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut
M4 x 0.7 mm Nut	McMaster Carr	90592A090	Steel Hex Nut
M4 x 0.7 mm x 15 mm	McMaster Carr	91290A306	Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 16 mm	McMaster Carr	91294A194	Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw
M4 x 0.7 mm x 18 mm	McMaster Carr	91290A164	Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 20 mm	McMaster Carr	91290A168	Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 20 mm	McMaster Carr	92581A270	Stell Raised Knurled-Head Thumb Screw
M4 x 0.7 mm x 30 mm	McMaster Carr	91290A172	Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 50 mm	McMaster Carr	91290A193	Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm, 5 mm High	McMaster Carr	94645A101	High-Strength Steel Nylon-Insert Locknut
M5 x 0.8 mm Nut	McMaster Carr	90592A095	Steel Hex Nut
M5 x 0.8 mm x 16 mm	McMaster Carr	91310A123	High-Strength Class 10.9 Steel Hex Head Screw
M5 x 0.8 mm x 35 mm	McMaster Carr	91290A195	Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M5 x 0.8 mm, 13 mm Head Diameter	McMaster Carr	96445A360	Flanged Knurled-Head Thumb Nut
M5 x 0.8 mm, 5 mm High	McMaster Carr	90576A104	Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut
Solidworks	Dassault Systemes		CAD software
Wiring Kit	ECEB	N/A
XYZ Axis Manual Precision Linear Stage 60 mm x 60 mm Trimming Bearing Tuning Platform Sliding Table	OpticsFocus	N/A
Make Parts
Angle adjustment system- arm	3D Printing		solidworks: arms_arm_single.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- arms stationary	3D Printing		solidworks: arms_stationary.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- link	3D Printing		solidworks: arms_arm_link.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- slider	3D Printing		solidworks: arms_slider.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- spacer	3D Printing		solidworks: arms_front_spacer.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Clip- Blade clip	3D Printing		solidworks: Blade clip.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fine/0.1 mm layer height
Clip- Blade clip mount	3D Printing		solidworks: Blade clip mount.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fine/0.1 mm layer height
Frame arm	3D Printing		solidworks: frame arm.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Mounting platform	Laser Cut Acrylic		solidworks: mounting platform.SLDPRT QTY: 1
Pulley arm (left)	3D Printing		solidworks: pulley arm_Mirror.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Pulley arm (right)	3D Printing		solidworks: pulley arm.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Sample holder and tab- Clamp	3D Printing		solidworks: Clamp.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Sample holder and tab- Sample holder	3D Printing		solidworks: Sample holder.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Sample holder and tab- Tab	3D Printing		solidworks: Tab.SLDPRT QTY: 2 per test Setting: Fine/0.1 mm layer height, no brim
Vertical adjust system- Inner slide	3D Printing		solidworks: Inner slide.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height
Vertical adjust system- Outer slide	3D Printing		solidworks: Outer slide.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height