Durchführung von Y-förmigen Schneidtests unter dem Mikroskop
Summary
Y-förmiges Schneiden misst bruchrelevante Längenskalen und Energien in weichen Materialien. Bisherige Geräte waren für Tischmessungen konzipiert. Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und Verwendung einer Vorrichtung, die den Aufbau horizontal ausrichtet und die für die In-situ-Betrachtung erforderlichen Feinpositionierungsmöglichkeiten sowie die Fehlerquantifizierung über ein optisches Mikroskop bietet.
Abstract
Das Y-förmige Schneiden hat sich kürzlich als vielversprechende Methode erwiesen, um die Schwellenlängenskala und die Versagensenergie eines Materials sowie seine Versagensreaktion in Gegenwart von überschüssiger Verformungsenergie zu verstehen. Die experimentelle Apparatur, die in diesen Studien verwendet wurde, war vertikal ausgerichtet und erforderte umständliche Schritte, um den Winkel zwischen den Y-förmigen Beinen einzustellen. Die vertikale Ausrichtung verbietet die Visualisierung in herkömmlichen optischen Mikroskopen. Dieses Protokoll stellt eine Y-förmige Schneidevorrichtung vor, die horizontal über einem vorhandenen inversen Mikroskoptisch montiert wird, dreidimensional (X-Y-Z) so eingestellt werden kann, dass sie in das Sichtfeld des Objektivs fällt, und eine einfache Änderung des Winkels zwischen den Beinen ermöglicht. Die beiden letztgenannten Merkmale sind neu für diese experimentelle Technik. Die vorgestellte Apparatur misst die Schnittkraft mit einer Genauigkeit von 1 mN. Bei der Prüfung von Polydimethylsiloxan (PDMS), dem Referenzmaterial für diese Technik, wurde eine Schnittenergie von 132,96 J/m2 gemessen (32° Beinwinkel, 75 g Vorspannung) und es wurde festgestellt, dass sie innerhalb des Fehlers früherer Messungen mit vertikalem Aufbau (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2) lag. Der Ansatz gilt für weiche synthetische Materialien, Gewebe oder Biomembranen und kann neue Einblicke in ihr Verhalten während des Versagens liefern. Die Liste der Teile, CAD-Dateien und detaillierten Anweisungen in dieser Arbeit bieten eine Roadmap für die einfache Implementierung dieser leistungsstarken Technik.
Introduction
Die nichtlineare Kontinuumsmechanik hat eine kritische Linse geliefert, durch die die Energiekonzentration verstanden werden kann, die zum Versagen in weichen Festkörpernführt 1. Die genaue Vorhersage dieses Versagens erfordert jedoch auch Beschreibungen der mikrostrukturellen Eigenschaften, die zur neuen Oberflächenbildung an der Rissspitze 2,3 beitragen. Eine Methode, um sich solchen Beschreibungen zu nähern, ist die In-situ-Visualisierung der Rißspitze während des Versagens 4,5. Die Rissstumpfung bei typischen Fernfeld-Bruchtests macht die Erfassung von In-situ-Daten jedoch schwierig, da das stark deformierte Material möglicherweise außerhalb des Sichtfelds des Mikroskops verteiltwird 6. Das Y-förmige Schneiden bietet eine einzigartige Alternative für die mikrostrukturelle Visualisierung, da es den Bereich der starken Verformung an der Spitze eines Blatteskonzentriert 7. Darüber hinaus zeigen frühere Arbeiten unserer Gruppe, dass dieser einzigartige experimentelle Ansatz einen Einblick in die Unterschiede in der Fehlerantwort zwischen Fernfeldrissen und kontaktvermittelten Belastungsbedingungen geben kann7.
Das Y-förmige Schneidverfahren, das in der hier vorgestellten Apparatur verwendet wird, wurde erstmals vor Jahrzehnten als Schneidverfahren für Naturkautschuk8 beschrieben. Das Verfahren besteht aus einem festsitzenden Schiebeschneiden der Klinge durch eine vorgespannte Y-förmige Probe. Am Schnittpunkt des “Y” befindet sich die Rissspitze, die vor der Prüfung entsteht, indem ein Teil eines rechteckigen Stücks in zwei gleiche “Beine” geteilt wird (Abbildung 1B und Abbildung 2D). Zu den Hauptvorteilen dieses Schneidverfahrens gehören die Reduzierung der Reibungsbeiträge zur gemessenen Schnittenergie, die variable Schaufelgeometrie (d. h. die Einschränkung der Rissspitzengeometrie), die Kontrolle der Ausfallrate (über die Probenverschiebungsrate) und die getrennte Abstimmung der Schnitt-, C– und Reiß-, T-, Energiebeiträge zur Gesamtenergie G-Schnitt (d. h. Änderung der Ausfallenergie über eine Schnittschwelle hinaus)8. Die letztgenannten Beiträge werden in einem einfachen, geschlossenen Ausdruck für die Schnittenergieausgedrückt 9
Gleichung (1)
, bei der experimentell ausgewählte Parameter verwendet werden, einschließlich Probendicke, t, durchschnittliche Beindehnung, 
Vorspannkraft, fpre und der Winkel zwischen den Beinen und der Schnittachse θ. Die Schnittkraft, f-Schnitt, wird mit der Apparatur gemessen, wie in Zhang et al.9 beschrieben. Bemerkenswert ist, dass die hier vorgestellte Vorrichtung einen neuen, einfachen und genauen Mechanismus zum Einstellen des Beinwinkels θ und zum Sicherstellen der Zentrierung der Probe enthält. Während beide Funktionen für einen mikroskopmontierten Aufbau entscheidend sind, kann der Mechanismus auch zukünftigen vertikalen Implementierungen des Y-förmigen Schneidtests zugute kommen, indem er die Benutzerfreundlichkeit erhöht.
Fortschritte bei der Bestimmung der geeigneten Versagenskriterien für weiche Feststoffe sind seit dem frühen Erfolg der probenunabhängigen Bruchgeometrien, die von Rivlin und Thomas10 eingeführt wurden, im Gange. Kritische Energiefreisetzungsraten10, kohäsive Zonengesetze 11 und verschiedene Formen von Spannungs- oder Energie-at-a-Distance-Ansätzen12,13,14 wurden verwendet. Kürzlich nutzten Zhang und Hutchens den letzteren Ansatz und zeigten, dass Y-förmiges Schneiden mit ausreichend kleinen Radiusmessern Schwellenversagensbedingungen für weiche Fraktur7 ergeben könnte: eine Schwellenausfallenergie und eine Schwellenlängenskala für das Versagen, die von zehn bis zu Hunderten von Nanometern in homogenem, hochelastischem Polydimethylsiloxan (PDMS) reicht. Diese Ergebnisse wurden mit der Kontinuumsmodellierung und der Skalierungstheorie kombiniert, um eine Beziehung zwischen Schneiden und Reißen in diesen Materialien zu entwickeln und so den Nutzen des Y-förmigen Schneidens zu demonstrieren, um Einblicke in alle Arten des weichen Versagens zu erhalten. Das Verhalten vieler Materialklassen, einschließlich dissipativer und Verbundwerkstoffe, ist jedoch noch unerforscht. Es wird erwartet, dass viele von ihnen mikrostrukturgesteuerte Effekte auf Längenskalen oberhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts zeigen werden. Daher wurde in dieser Studie eine Apparatur entwickelt, die erstmals eine genaue visuelle Charakterisierung dieser Effekte während des Y-förmigen Schneidens ermöglicht (z. B. in Verbundwerkstoffen, einschließlich Weichgeweben, oder von dissipativen Prozessen, die auf den Mikrometer- bis Millimeterlängenskalen15 erwartet werden).
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier vorgestellte horizontale, Y-förmige Schneidvorrichtung ermöglicht In-situ-Bildgebungsfunktionen sowie eine verbesserte Benutzerfreundlichkeit für diese Versagenstechnik. Das Gerät verfügt über ein modulares/tragbares Design für die schnelle Montage und Demontage von einem Mikroskop und die kontinuierliche, vorjustierte Einstellung des Beinwinkels. Alle CAD-Dateien, erforderlichen Materialien und Verfahren wurden einbezogen, um die Implementierung dieser Methode zu erleichtern. In vielen Fällen (…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Dr. James Phillips, Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer und Amir Ostadi für ihre Beratung bei dieser Arbeit. Die Finanzierung erfolgte durch den Start-up-Zuschuss des Department of Mechanical Science and Engineering der University of Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid und C. Walsh erhielten alle Senior Design Credits für ihre Arbeit an diesem Projekt.
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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