현미경 장착 Y자형 절단 테스트 수행
Summary
Y자형 절단은 부드러운 재료의 파괴 관련 길이 스케일과 에너지를 측정합니다. 이전 장치는 벤치탑 측정을 위해 설계되었습니다. 이 프로토콜은 설정을 수평으로 향하게 하고 광학 현미경을 통해 현장 보기와 고장 정량화에 필요한 미세 위치 지정 기능을 제공하는 장치의 제조 및 사용을 설명합니다.
Abstract
Y 자형 절단은 최근 재료의 임계 길이 스케일과 파손 에너지뿐만 아니라 과도한 변형 에너지가있는 경우의 파손 반응을 이해하는 유망한 방법으로 나타났습니다. 이 연구에 사용 된 실험 장치는 수직 방향이었고 Y 자형 다리 사이의 각도를 조정하기 위해 번거로운 단계가 필요했습니다. 수직 방향은 표준 광학 현미경에서 시각화를 금지합니다. 이 프로토콜은 기존의 도립 현미경 스테이지 위에 수평으로 장착되고 대물렌즈의 시야 내에 포함되도록 3차원(X-Y-Z)으로 조정할 수 있으며 다리 사이의 각도를 쉽게 수정할 수 있는 Y자형 절단 장치를 제공합니다. 후자의 두 가지 기능은이 실험 기술에 새로운 기능입니다. 제시된 장치는 1mN 정확도 내에서 절삭력을 측정합니다. 이 기법의 기준 물질인 폴리디메틸실록산(PDMS)을 테스트할 때 132.96 J/m2의 절단 에너지(32° 다리 각도, 75 g 예압)를 측정한 결과 수직 설정(132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2)으로 측정한 이전 측정의 오차 내에 있는 것으로 나타났습니다. 이 접근법은 연질 합성 물질, 조직 또는 바이오 멤브레인에 적용되며 실패 중 행동에 대한 새로운 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 이 작업의 부품, CAD 파일 및 자세한 지침 목록은 이 강력한 기술을 쉽게 구현할 수 있는 로드맵을 제공합니다.
Introduction
비선형 연속체 역학은 연질 고체에서 실패로 이어지는 에너지 집중을 이해하는 데 중요한 렌즈를 제공했습니다1. 그러나, 이러한 실패의 정확한 예측은 또한 균열 팁 2,3에서 새로운 표면 생성에 기여하는 미세 구조적 특성에 대한 설명을 필요로 한다. 이러한 설명에 접근하는 한 가지 방법은 고장 4,5 동안 균열 팁의 현장 시각화를 사용하는 것입니다. 그러나 일반적인 원거리 파괴 테스트에서 균열 무뎌짐은 잠재적으로 현미경의 시야 밖으로 매우 변형된 재료를 퍼뜨려 현장 데이터를 획득하는 것을 어렵게 만듭니다6. Y자형 절단은 블레이드(7)의 끝단에 큰 변형 영역을 집중시키기 때문에 미세 구조 시각화를 위한 독특한 대안을 제공합니다. 또한, 우리 그룹의 이전 연구는이 독특한 실험적 접근법이 원거리 필드 찢어짐과 접촉 매개하중 조건 7 사이의 실패 응답의 차이에 대한 통찰력을 제공 할 수 있음을 보여줍니다.
여기에 제시된 장치에 사용 된 Y 자형 절단 방법은 수십 년 전에 천연 고무8의 절단 방법으로 처음 설명되었습니다. 이 방법은 사전 로드된 Y자형 시험편을 통한 고정 블레이드 푸시 절단으로 구성됩니다. “Y”의 교차점에는 직사각형 조각의 일부를 두 개의 동일한 “다리”로 분할하여 테스트 전에 생성되는 균열 팁이 있습니다(그림 1B 및 그림 2D). 이 절단 방법의 주요 장점은 측정된 절단 에너지에 대한 마찰 기여도의 감소, 가변 블레이드 형상(즉, 균열 팁 형상의 제약), 파괴율의 제어(샘플 변위 속도를 통해 ), 절단, C의 개별 튜닝, 인열, T, 총 에너지 G절단 에 대한 에너지 기여(즉, 절단 임계값을 초과하는 고장 에너지 변경)8. 후자의 기여는 절단 에너지에 대한 간단한 폐쇄 형식 표현으로 표현됩니다.9
식 (1)
샘플 두께, t, 평균 다리 변형률, 예압 하중, 
fpre 및 다리와 절단 축 사이의 각도 θ를 포함하여 실험적으로 선택된 매개 변수를 사용합니다. 절삭력 f절단은 Zhang et al.9에 자세히 설명된 대로 장치로 측정됩니다. 특히, 여기에 제시된 장치에는 다리 각도 θ를 조정하고 샘플이 중앙에 있는지 확인하기 위한 새롭고 간단하며 정확한 메커니즘이 포함되어 있습니다. 두 기능 모두 현미경 장착 설정에 중요하지만 이 메커니즘은 사용 편의성을 높여 Y자형 절단 테스트의 향후 수직 구현에도 도움이 될 수 있습니다.
연질 고체에 대한 적절한 파손 기준을 결정하는 과정은 Rivlin과 Thomas10에 의해 도입된 샘플 독립적 파괴 형상의 초기 성공 이후 계속되어 왔습니다. 임계 에너지 방출률(10), 응집 영역 법칙(11) 및 다양한 형태의 응력 또는 원거리 에너지 접근법(12,13,14)이 사용되었습니다. 최근 Zhang과 Hutchens는 후자의 접근 방식을 활용하여 반경이 충분히 작은 블레이드를 사용한 Y자형 절단이 연질 파괴7에 대한 임계값 파괴 조건, 즉 균일하고 탄성이 높은 폴리디메틸실록산(PDMS)에서 수십 나노미터에서 수백 나노미터 범위의 고장에 대한 임계값 길이 척도를 생성할 수 있음을 입증했습니다. 이러한 결과는 연속체 모델링 및 스케일링 이론과 결합되어 이러한 재료의 절단과 찢어짐 사이의 관계를 개발하여 모든 소프트 파손 모드에 대한 통찰력을 제공하는 Y자형 절단의 유용성을 입증했습니다. 그러나 소산 및 복합 재료를 포함한 많은 재료 클래스의 거동은 아직 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이들 중 다수는 가시 광선의 파장 이상의 길이 스케일에서 미세 구조 제어 효과를 나타낼 것으로 예상됩니다. 따라서, 본 연구에서는 처음으로 Y자형 절단 동안 이들 효과의 면밀한 시각적 특성화를 허용하는 장치가 설계되었다(예를 들어, 연조직을 포함하는 복합재에서, 또는 마이크로미터 내지 밀리미터 길이 스케일(15)에서 예상되는 소산 공정에서).
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 보고된 수평 Y자형 절단 장치는 이 고장 기술에 대한 향상된 사용 편의성과 함께 현장 이미징 기능을 가능하게 합니다. 이 장치에는 현미경에서 신속하게 장착/분리할 수 있는 모듈식/휴대용 설계와 연속적이고 사전 정렬된 다리 각도 조정이 포함되어 있습니다. 이 방법의 구현을 용이하게 하기 위해 모든 CAD 파일, 필수 재료 및 절차가 포함되었습니다. 많은 경우 (블레이드 홀더, 샘?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구에 대한 조언을 해주신 James Phillips 박사, Amy Wagoner-Johnson 박사, Alexandra Spitzer 및 Amir Ostadi에게 감사드립니다. 자금은 일리노이 대학교 어바나-샴페인의 기계 과학 및 공학과에서 제공한 창업 보조금에서 나왔습니다. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid 및 C. Walsh는 모두이 프로젝트에 대한 작업으로 수석 디자인 크레딧을 받았습니다.
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 |
Referências
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