顕微鏡搭載Y字型切削試験の実施
Summary
Y字型切削は、軟質材料の破壊に関連する長さスケールとエネルギーを測定します。以前の装置はベンチトップ測定用に設計されていました。このプロトコルでは、セットアップを水平に向け、光学顕微鏡によるin situ表示と故障の定量化に必要な微細な位置決め機能を提供する装置の製造と使用について説明します。
Abstract
Y字型切削は、材料の閾値長さスケールと破壊エネルギー、および過剰な変形エネルギーの存在下でのその破壊応答を理解するための有望な方法であることが最近示されています。これらの研究で使用した実験装置は垂直方向であり、Y字型の脚の間の角度を調整するために面倒な手順が必要でした。垂直方向は、標準的な光学顕微鏡での視覚化を禁止します。このプロトコルは、既存の倒立顕微鏡ステージの上に水平に取り付けられ、対物レンズの視野内に収まるように3次元(X-Y-Z)に調整でき、脚の間の角度を簡単に変更できるY字型の切断装置を提供します。後者の2つの機能は、この実験手法にとって新しいものです。提示された装置は、1mNの精度以内の切削抵抗を測定します。この技術の標準材料であるポリジメチルシロキサン(PDMS)をテストする場合、132.96 J / m 2の切削エネルギーが測定され(脚角32°、予圧75 g)、垂直セットアップで行われた以前の測定の誤差(132.9 J / m 2±3.4 J/ m2)内にあることがわかりました。このアプローチは、柔らかい合成材料、組織、または生体膜に適用され、故障時の挙動に関する新しい洞察を提供する可能性があります。部品のリスト、CADファイル、およびこの作業の詳細な手順は、この強力な手法を簡単に実装するためのロードマップを提供します。
Introduction
非線形連続体力学は、軟質固体1の破壊につながるエネルギーの集中を理解するための重要なレンズを提供しました。しかし、この破壊を正確に予測するには、亀裂先端部2,3における新たな表面形成に寄与する微細構造特性の記述も必要である。このような記述にアプローチする1つの方法は、破壊時の亀裂先端のその場での視覚化です4,5。しかし、典型的な遠方場破壊試験では亀裂が鈍化すると、高度に変形した材料が顕微鏡の視野外に広がるため、in situデータの取得が困難になります6。Y字型切断は、ブレード7の先端に大きな変形領域を集中させるため、微細構造の視覚化のためのユニークな代替手段を提供します。さらに、私たちのグループの以前の研究は、このユニークな実験的アプローチが遠方場引き裂きと接触媒介荷重条件の間の破壊応答の違いについての洞察を提供できることを示しています7。
ここで紹介する装置で使用されるY字型切断方法は、天然ゴム8の切断方法として数十年前に最初に説明されました。この方法は、プリロードされたY字型の試験片を貫通する固定ブレードプッシュカットで構成されます。「Y」の交点には亀裂先端があり、これは試験前に長方形のピースの一部を2つの等しい「脚」に分割することによって作成されます(図1Bおよび図2D)。この切断方法の主な利点には、測定された切削エネルギーへの摩擦寄与の低減、可変ブレード形状(すなわち、亀裂先端形状の制約)、故障率の制御(サンプル変位率を介して)、および切断の個別の調整、C、および引き裂き、T、総エネルギーG切断へのエネルギー寄与(すなわち、 切削閾値を超える破壊エネルギーの変更)8。後者の寄与は、切削エネルギー9の単純な閉じた形式の表現で表されます。
式 (1)
これは、サンプルの厚さ、t、平均脚ひずみ、予圧力、
fpre、および脚と切断軸の間の角度θなど、実験的に選択されたパラメータを使用します。切削抵抗fカットは、Zhangら9に詳述されているように装置で測定される。特に、ここで紹介する装置には、脚の角度θを調整し、サンプルが中央に配置されるようにするための新しいシンプルで正確なメカニズムが含まれています。どちらの機能も顕微鏡搭載のセットアップには重要ですが、このメカニズムは、使いやすさを向上させることで、Y字型切削試験の将来の垂直実装にも役立つ可能性があります。
軟質固体の適切な破壊基準を決定するための進歩は、RivlinとThomas10によって導入されたサンプルに依存しない破壊形状の初期の成功以来進行中です。臨界エネルギー放出率10、凝集帯の法則11、およびさまざまな形態の応力または距離エネルギーアプローチ12、13、14が使用されてきました。最近、ZhangとHutchensは後者のアプローチを活用し、十分に小さい半径のブレードを使用したY字型切削が、軟破断7のしきい値破損条件(均質で高弾性のポリジメチルシロキサン(PDMS)で数十ナノメートルから数百ナノメートルの範囲の破壊のしきい値破損エネルギーとしきい値長さスケール)をもたらす可能性があることを実証しました。これらの結果は、連続体モデリングおよびスケーリング理論と組み合わせて、これらの材料の切断と引き裂きの関係を開発し、ソフト破壊のすべてのモードに関する洞察を提供するためのY字型切断の有用性を実証しました。ただし、散逸性材料や複合材料を含む多くの材料クラスの挙動は未踏のままです。これらの多くは、可視光の波長を超える長さスケールで微細構造支配効果を示すことが期待されています。したがって、この研究では、Y字型切断中のこれらの効果の綿密な視覚的特徴付けを初めて可能にする装置が設計されました(たとえば、軟組織を含む複合材料、またはマイクロメートルからミリメートルの長さスケールで予想される散逸プロセス15)。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで報告されている水平のY字型切断装置は、この故障技術の使いやすさの向上とともに 、その場 でのイメージング機能を可能にします。この装置には、顕微鏡からの迅速な取り付け/取り外しと、事前に調整された脚の角度調整のためのモジュラー/ポータブル設計が含まれています。この方法の実装を容易にするために、すべてのCADファイル、必要な材料、および手順が含まれて?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ジェームズ・フィリップス博士、エイミー・ワゴナー・ジョンソン博士、アレクサンドラ・スピッツァー、アミール・オスタディのこの研究に関するアドバイスに感謝します。資金は、イリノイ大学アーバナシャンペーン校の機械科学工学科が提供するスタートアップ助成金から得られました。M.ゲレナ、J.C.ペン、M.シュミット、C.ウォルシュはすべて、このプロジェクトでの作業に対してシニアデザインクレジットを受け取りました。
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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