ביצוע בדיקות חיתוך בצורת Y המותקנות במיקרוסקופ
Summary
חיתוך בצורת Y מודד קשקשי אורך רלוונטיים לשבר ואנרגיות בחומרים רכים. מנגנונים קודמים תוכננו למדידות ספסל. פרוטוקול זה מתאר את הייצור והשימוש במנגנון המכוון את ההתקנה אופקית ומספק את יכולות המיקום העדינות הדרושות לצפייה באתר , בתוספת כימות כשלים, באמצעות מיקרוסקופ אופטי.
Abstract
חיתוך בצורת Y הוכח לאחרונה כשיטה מבטיחה שבאמצעותה ניתן להבין את סולם אורך הסף ואנרגיית הכשל של חומר, כמו גם את תגובת הכשל שלו בנוכחות אנרגיית עיוות עודפת. מנגנון הניסוי ששימש במחקרים אלה היה בכיוון אנכי ודרש צעדים מסורבלים כדי להתאים את הזווית בין הרגליים בצורת Y. הכיוון האנכי אוסר על ויזואליזציה במיקרוסקופים אופטיים סטנדרטיים. פרוטוקול זה מציג מנגנון חיתוך בצורת Y המורכב אופקית מעל שלב קיים במיקרוסקופ הפוך, ניתן לכוונן אותו בשלושה ממדים (X-Y-Z) כך שיתאים לשדה הראייה של המטרה, ומאפשר שינוי קל של הזווית בין הרגליים. שתי התכונות האחרונות חדשות עבור טכניקה ניסיונית זו. המנגנון המוצג מודד את כוח החיתוך בדיוק של 1 mN. בעת בדיקת פולידימתילסילוקסאן (PDMS), חומר הייחוס לטכניקה זו, נמדדה אנרגיית חיתוך של 132.96 J/m 2 (זווית רגל של 32°, טעינה מראש של 75 גרם) ונמצא כי היא נופלת בטעות של מדידות קודמות שנלקחו עם מערך אנכי (132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2). הגישה חלה על חומרים סינתטיים רכים, רקמות או ביו-ממברנות ועשויה לספק תובנות חדשות לגבי התנהגותם במהלך כישלון. רשימת החלקים, קבצי CAD וההוראות המפורטות בעבודה זו מספקים מפת דרכים ליישום קל של טכניקה רבת עוצמה זו.
Introduction
מכניקת הרצף הלא ליניארי סיפקה עדשה קריטית שדרכה ניתן להבין את ריכוז האנרגיה המוביל לכשל במוצקים רכים1. עם זאת, החיזוי המדויק של כשל זה דורש גם תיאורים של המאפיינים המיקרו-מבניים התורמים ליצירת פני שטח חדשים בקצה הסדק 2,3. שיטה אחת לגשת לתיאורים כאלה היא באמצעות הדמיה באתרו של קצה הסדק במהלך כישלון 4,5. עם זאת, קהות סדקים בבדיקות שבר טיפוסיות בשדה רחוק הופכת את רכישת הנתונים באתרם למאתגרת על ידי פיזור החומר המעוות מאוד, שעשוי להיות מחוץ לשדה הראייה של המיקרוסקופ6. חיתוך בצורת Y מציע חלופה ייחודית להדמיה מיקרו-מבנית מכיוון שהוא מרכז את האזור של עיוות גדול בקצה להב7. יתר על כן, עבודות קודמות של הקבוצה שלנו מראות כי גישה ניסיונית ייחודית זו יכולה לספק תובנה לגבי ההבדלים בתגובת הכשל בין קריעה בשדה רחוק לבין תנאי טעינה בתיווך מגע7.
שיטת החיתוך בצורת Y המשמשת במנגנון המוצג כאן תוארה לראשונה לפני עשרות שנים כשיטת חיתוך לגומי טבעי8. השיטה מורכבת מחיתוך דחיפה של להב קבוע דרך פיסת בדיקה טעונה מראש בצורת Y. בהצטלבות של האות “Y” נמצא קצה הסדק, שנוצר לפני הבדיקה על-ידי פיצול חלק מחתיכה מלבנית לשתי “רגליים” שוות (איור 1B ואיור 2D). היתרונות העיקריים של שיטת חיתוך זו כוללים הפחתת תרומות החיכוך לאנרגיית החיתוך הנמדדת, גיאומטריית הלהב המשתנה (כלומר, אילוץ של גיאומטריית קצה הסדק), בקרת קצב הכשל (באמצעות קצב התזוזה של הדגימה), וכוונון נפרד של החיתוך, C וקריעה, T, תרומות אנרגיה לסך האנרגיה G חתך (כלומר, שינוי אנרגיית הכשל מעבר לסף חיתוך)8. התרומות האחרונות באות לידי ביטוי פשוט וסגור לאנרגיית החיתוך9
Eqn (1)
המשתמש בפרמטרים שנבחרו בניסוי, כולל עובי דגימה, t, מאמץ רגל ממוצע, , כוח טעינה מראש, fpre, והזווית בין הרגליים לציר החיתוך, 
θ. כוח החיתוך, fcut, נמדד באמצעות המנגנון כמפורט ב- Zhang et al.9. יש לציין כי המנגנון המוצג כאן כולל מנגנון חדש, פשוט ומדויק לכוונון זווית הרגל, θ, ולהבטחת ריכוז הדגימה. בעוד ששתי התכונות קריטיות להתקנה המותקנת במיקרוסקופ, המנגנון עשוי להועיל גם ליישומים אנכיים עתידיים של מבחן החיתוך בצורת Y על ידי הגדלת קלות השימוש.
ההתקדמות בקביעת קריטריוני הכשל המתאימים למוצקים רכים נמשכת מאז ההצלחה המוקדמת של גיאומטריות שבר בלתי תלויות מדגם שהוצגו על ידי ריבלין ותומס10. נעשה שימוש בקצבי שחרור אנרגיה קריטיים10, חוקי אזור מלוכדים 11, וצורות שונות של גישות מתח או אנרגיה מרחוק12,13,14. לאחרונה, ג’אנג והאצ’נס מינפו את הגישה השנייה, והראו כי חיתוך בצורת Y עם להבי רדיוס קטנים מספיק יכול להניב תנאי כשל סףלשבר רך 7: אנרגיית כשל סף וסולם אורך סף לכשל שנע בין עשרות למאות ננומטרים בפולידימתילסילוקסאן הומוגני ואלסטי מאוד (PDMS). תוצאות אלה שולבו עם מידול רצף ותורת קנה מידה כדי לפתח קשר בין חיתוך וקריעה בחומרים אלה, ובכך הדגימו את התועלת של חיתוך בצורת Y למתן תובנות לגבי כל המצבים של כשל רך. עם זאת, התנהגותם של סוגים חומריים רבים, כולל חומרים מפזרים ומרוכבים, עדיין לא נחקרה. צפוי כי רבים מהם יציגו השפעות הנשלטות על ידי מיקרו-מבנים בסקאלות אורך מעל אורך הגל של האור הנראה. לכן, במחקר זה תוכנן לראשונה מנגנון המאפשר אפיון חזותי צמוד של השפעות אלה במהלך חיתוך בצורת Y (למשל, בחומרים מרוכבים, כולל רקמות רכות, או בתהליכי פיזור, הצפויים בסקאלות אורך מיקרומטר עד מילימטר15).
Protocol
Representative Results
Discussion
מנגנון החיתוך האופקי בצורת Y שדווח כאן מאפשר יכולות הדמיה באתרו יחד עם קלות שימוש משופרת בטכניקת כשל זו. המנגנון כולל עיצוב מודולרי/נייד להרכבה/פירוק מהירים ממיקרוסקופ וכוונון רציף ומראש של זווית הרגל. כל קבצי ה- CAD, החומרים והנהלים הנדרשים נכללו כדי להקל על יישום שיטה זו. במקרים רבים (?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות לד”ר ג’יימס פיליפס, ד”ר איימי ווגונר-ג’ונסון, אלכסנדרה שפיצר ואמיר אוסטדי על עצתם בעבודה זו. המימון הגיע ממענק סטארט-אפ שניתן על ידי המחלקה למדעי מכונות והנדסה באוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid ו- C. Walsh קיבלו כולם קרדיט עיצוב בכיר על עבודתם בפרויקט זה.
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
- Long, R., Hui, C. -. Y. Crack tip fields in soft elastic solids subjected to large quasi-static deformation – A review. Extreme Mechanics Letters. 4, 131-155 (2015).
- Slootman, J., et al. Quantifying rate-and temperature-dependent molecular damage in elastomer fracture. Physical Review X. 10, 041045 (2020).
- Zhao, X., et al. Soft materials by design: Unconventional polymer networks give extreme properties. Chemical Review. 121 (8), 4309-4372 (2021).
- Mzabi, S., Berghezan, D., Roux, S., Hild, F., Creton, C. A critical local energy release rate criterion for fatigue fracture of elastomers. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (21), 1518-1524 (2011).
- Chen, Y., Mellot, G., Van Luijk, D., Creton, C., Sijbesma, R. P. Mechanochemical tools for polymer materials. Chemical Society Reviews. 50, 4100-4140 (2021).
- Hui, C. -. Y., Jagota, A., Bennison, S. J., Londono, J. D. Crack blunting and the strength of soft elastic solids. Proceedings of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Science. 459 (2034), 1489-1516 (2003).
- Zhang, B., Hutchens, S. B. On the relationship between cutting and tearing in soft elastic solids. Soft Matter. 17, 6728-6741 (2021).
- Lake, G. J., Yeoh, O. H. Measurement of rubber cutting resistance in the absence of friction. International Journal of Fracture. 14, 509-526 (1978).
- Zhang, B., Shiang, C. -. S., Yang, S. J., Hutchens, S. B. Y-shaped cutting for the systematic characterization of cutting and tearing. Experimental Mechanics. 59, 517-529 (2019).
- Rivlin, R. S., Thomas, A. G. Rupture of rubber. I. Characteristic energy for tearing. Journal of Polymer Science. 10 (3), 291-318 (1953).
- Elices, M., Guinea, G. V., Gómez, J., Planas, J. The cohesive zone model: Advantages, limitations and challenges. Engineering Fracture Mechanics. 69 (2), 137-163 (2002).
- Taylor, D. . The Theory of Critical Distances. , (2007).
- Williams, J. G. Stress at a distance fracture criteria and crack self-blunting in rubber. International Journal of Non-Linear Mechanics. 68, 33-36 (2015).
- Talamini, B., Mao, Y., Anand, L. Progressive damage and rupture in polymers. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 111, 434-457 (2018).
- Long, R., Hui, C. -. Y., Gong, J. P., Bouchbinder, E. The fracture of highly deformable soft materials: A tale of two length scales. Annual Review of Condensed Matter Physics. 12, 71-94 (2021).
- Gent, A. N., Wang, C. Cutting resistance of polyethylene. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. 34 (13), 2231-2237 (1996).
- Chen, X., Nadiarynkh, O., Plotnikov, S., Campagnola, P. J. Second harmonic generation microscopy for quantitative analysis of collagen fibrillar structure. Nature Protocols. 7, 654-669 (2015).
- Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review. Measurements Science and Technology. 20 (6), 062001 (2009).
