Effectuer des tests de coupe en forme de Y montés sur microscope
Summary
La coupe en forme de Y mesure les échelles de longueur et les énergies pertinentes pour la fracture dans les matériaux mous. Les appareils précédents ont été conçus pour les mesures de paillasse. Ce protocole décrit la fabrication et l’utilisation d’un appareil qui oriente la configuration horizontalement et fournit les capacités de positionnement fin nécessaires à la visualisation in situ , ainsi qu’à la quantification des défaillances, via un microscope optique.
Abstract
La découpe en forme de Y s’est récemment révélée être une méthode prometteuse pour comprendre l’échelle de longueur seuil et l’énergie de défaillance d’un matériau, ainsi que sa réponse à la défaillance en présence d’un excès d’énergie de déformation. L’appareil expérimental utilisé dans ces études était orienté verticalement et nécessitait des étapes lourdes pour ajuster l’angle entre les jambes en forme de Y. L’orientation verticale interdit la visualisation dans les microscopes optiques standard. Ce protocole présente un appareil de coupe en forme de Y qui se monte horizontalement sur un étage de microscope inversé existant, peut être ajusté en trois dimensions (X-Y-Z) pour entrer dans le champ de vision de l’objectif et permet de modifier facilement l’angle entre les jambes. Ces deux dernières caractéristiques sont nouvelles pour cette technique expérimentale. L’appareil présenté mesure la force de coupe avec une précision de 1 mN. Lors de l’essai du polydiméthylsiloxane (PDMS), le matériau de référence pour cette technique, une énergie de coupe de 132,96 J/m 2 a été mesurée (angle de jambe de 32°, précharge de 75 g) et s’est avérée conforme à l’erreur des mesures précédentes prises avec une configuration verticale (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2). L’approche s’applique aux matériaux synthétiques mous, aux tissus ou aux biomembranes et peut fournir de nouvelles informations sur leur comportement en cas de défaillance. La liste des pièces, les fichiers CAO et les instructions détaillées de ce travail fournissent une feuille de route pour faciliter la mise en œuvre de cette technique puissante.
Introduction
La mécanique du continuum non linéaire a fourni une lentille critique à travers laquelle comprendre la concentration d’énergie qui conduit à la défaillance dans les solides mous1. Cependant, la prévision précise de cette défaillance nécessite également des descriptions des caractéristiques microstructurales qui contribuent à la création de nouvelles surfaces à l’extrémité de la fissure 2,3. Une méthode pour aborder de telles descriptions consiste à visualiser in situ la pointe de la fissure lors de la rupture 4,5. Cependant, l’émoussement des fissures dans les tests de rupture en champ lointain typiques rend difficile l’acquisition de données in situ en étalant le matériau hautement déformé, potentiellement en dehors du champ de visiondu microscope 6. La découpe en Y offre une alternative unique pour la visualisation microstructurale car elle concentre la région de grande déformation à l’extrémité d’une lame7. En outre, des travaux antérieurs de notre groupe démontrent que cette approche expérimentale unique peut donner un aperçu des différences de réponse à la défaillance entre les conditions de déchirure en champ lointain et les conditions de charge médiées par contact7.
La méthode de découpe en forme de Y utilisée dans l’appareil présenté ici a été décrite pour la première fois il y a des décennies comme une méthode de coupe pour le caoutchouc naturel8. La méthode consiste en une lame fixe poussée à travers une éprouvette préchargée en forme de Y. À l’intersection du « Y » se trouve la pointe de la fissure, qui est créée avant l’essai en divisant une partie d’une pièce rectangulaire en deux « jambes » égales (figure 1B et figure 2D). Les principaux avantages de cette méthode de découpe comprennent la réduction des contributions de frottement à l’énergie de coupe mesurée, la géométrie variable de la lame (c.-à-d. contrainte de la géométrie de la pointe de fissure), le contrôle du taux de défaillance (via le taux de déplacement de l’échantillon) et le réglage séparé des contributions énergétiques de coupe, C, et de déchirure, T, à l’énergie totale Gcoupée (c.-à-d. modification de l’énergie de défaillance au-delà d’un seuil de coupe)8. Ces dernières contributions sont exprimées dans une expression simple et fermée pour l’énergie de coupe9
Eqn (1)
qui utilise des paramètres sélectionnés expérimentalement, y compris l’épaisseur de l’échantillon, t, la déformation moyenne des jambes, la force de précharge, fpré, et l’angle entre les jambes et l’axe de coupe, 
θ. La force de coupe, fcoupée, est mesurée avec l’appareillage comme détaillé dans Zhang et al.9. Notamment, l’appareil présenté ici comprend un nouveau mécanisme simple et précis pour régler l’angle de la jambe, θ, et s’assurer que l’échantillon est centré. Bien que ces deux caractéristiques soient essentielles pour une installation montée sur microscope, le mécanisme peut également bénéficier aux futures implémentations verticales du test de coupe en forme de Y en augmentant la facilité d’utilisation.
Les progrès dans la détermination des critères de défaillance appropriés pour les solides mous sont en cours depuis le succès précoce des géométries de fracture indépendantes de l’échantillon introduites par Rivlin et Thomas10. Les taux de libération d’énergie critique 10, les lois de zone cohésive11 et diverses formes d’approches de contrainte ou d’énergie à distance12,13,14 ont été utilisées. Récemment, Zhang et Hutchens ont tiré parti de cette dernière approche, démontrant que la coupe en forme de Y avec des lames de rayon suffisamment petites pouvait donner des conditions de rupture seuil pour la rupture molle7: une énergie de rupture de seuil et une échelle de longueur de seuil pour la défaillance allant de dizaines à des centaines de nanomètres dans un polydiméthylsiloxane homogène et hautement élastique (PDMS). Ces résultats ont été combinés à la modélisation du continuum et à la théorie de la mise à l’échelle pour développer une relation entre la coupe et la déchirure dans ces matériaux, démontrant ainsi l’utilité de la découpe en forme de Y pour fournir des informations sur tous les modes de défaillance douce. Cependant, le comportement de nombreuses classes de matériaux, y compris les matériaux dissipatifs et composites, reste inexploré. On s’attend à ce que bon nombre d’entre eux présentent des effets régis par la microstructure à des échelles de longueur supérieures à la longueur d’onde de la lumière visible. Par conséquent, un appareil a été conçu dans cette étude qui permet de caractériser visuellement de près ces effets lors de la coupe en forme de Y pour la première fois (par exemple, dans les composites, y compris les tissus mous, ou des processus dissipatifs, anticipés sur les échelles de longueur micrométrique à millimétrique15).
Protocol
Representative Results
Discussion
L’appareil de découpe horizontal en forme de Y décrit ici permet des capacités d’imagerie in situ ainsi qu’une facilité d’utilisation améliorée pour cette technique de défaillance. L’appareil comprend une conception modulaire / portable pour un montage / démontage rapide à partir d’un microscope et un ajustement continu et pré-aligné de l’angle des jambes. Tous les fichiers CAO, les matériaux requis et les procédures ont été inclus pour faciliter la mise en œuvre de cette méthode. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier le Dr James Phillips, la Dre Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer et Amir Ostadi pour leurs conseils sur ce travail. Le financement provenait de la subvention de démarrage fournie par le Département des sciences mécaniques et de l’ingénierie de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid et C. Walsh ont tous reçu un crédit de conception senior pour leur travail sur ce projet.
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 |
References
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