Summary
يقيس القطع على شكل حرف Y مقاييس الطول والطاقات ذات الصلة بالكسر في المواد اللينة. تم تصميم الأجهزة السابقة لقياسات الطاولة. يصف هذا البروتوكول تصنيع واستخدام جهاز يوجه الإعداد أفقيا ويوفر قدرات تحديد المواقع الدقيقة اللازمة للعرض في الموقع ، بالإضافة إلى تحديد كمية الفشل ، عبر المجهر الضوئي.
Abstract
لقد ثبت مؤخرا أن القطع على شكل حرف Y طريقة واعدة يمكن من خلالها فهم مقياس طول العتبة وطاقة الفشل للمادة ، بالإضافة إلى استجابتها للفشل في وجود طاقة تشوه زائدة. كان الجهاز التجريبي المستخدم في هذه الدراسات موجها رأسيا ويتطلب خطوات مرهقة لضبط الزاوية بين الأرجل على شكل حرف Y. يحظر الاتجاه الرأسي التصور في المجاهر الضوئية القياسية. يقدم هذا البروتوكول جهاز قطع على شكل حرف Y يتم تركيبه أفقيا فوق مرحلة مجهر مقلوب موجود ، ويمكن تعديله في ثلاثة أبعاد (X-Y-Z) ليقع ضمن مجال رؤية الهدف ، ويسمح بتعديل سهل للزاوية بين الأرجل. الميزتان الأخيرتان جديدتان لهذه التقنية التجريبية. يقيس الجهاز المقدم قوة القطع بدقة 1 مللي نيوتن. عند اختبار polydimethylsiloxane (PDMS) ، المادة المرجعية لهذه التقنية ، تم قياس طاقة قطع تبلغ 132.96 جول / م 2 (زاوية الساق 32 درجة ، 75 جم التحميل المسبق) ووجد أنها تقع ضمن خطأ القياسات السابقة المأخوذة باستخدام الإعداد الرأسي (132.9 جول / م 2 ± 3.4 جول / م2). ينطبق هذا النهج على المواد الاصطناعية اللينة أو الأنسجة أو الأغشية الحيوية وقد يوفر رؤى جديدة حول سلوكها أثناء الفشل. توفر قائمة الأجزاء وملفات CAD والتعليمات التفصيلية في هذا العمل خارطة طريق للتنفيذ السهل لهذه التقنية القوية.
Introduction
قدمت ميكانيكا الاستمرارية غير الخطية عدسة حرجة يمكن من خلالها فهم تركيز الطاقة الذي يؤدي إلى الفشل في المواد الصلبة اللينة1. ومع ذلك ، فإن التنبؤ الدقيق لهذا الفشل يتطلب أيضا وصفا لخصائص البنية المجهرية التي تساهم في إنشاء سطح جديد عند طرف الكراك 2,3. تتمثل إحدى طرق التعامل مع مثل هذه الأوصاف في التصور في الموقع لطرف الكراك أثناء الفشل 4,5. ومع ذلك ، فإن تقشير الكراك في اختبارات كسر المجال البعيد النموذجية يجعل الحصول على البيانات في الموقع أمرا صعبا من خلال نشر المواد المشوهة للغاية ، والتي يحتمل أن تكون خارج مجال رؤية المجهر6. يوفر القطع على شكل حرف Y بديلا فريدا للتصور المجهري لأنه يركز منطقة التشوه الكبير عند طرف الشفرة7. علاوة على ذلك ، يوضح العمل السابق لمجموعتنا أن هذا النهج التجريبي الفريد يمكن أن يوفر نظرة ثاقبة للاختلافات في استجابة الفشل بين تمزق المجال البعيد وظروف التحميل بوساطة الاتصال7.
تم وصف طريقة القطع على شكل حرف Y المستخدمة في الجهاز المعروض هنا لأول مرة منذ عقود كطريقة قطع للمطاط الطبيعي8. تتكون الطريقة من قطع دفع شفرة ثابتة من خلال قطعة اختبار محملة مسبقا على شكل حرف Y. عند تقاطع "Y" يوجد طرف الكراك ، الذي يتم إنشاؤه قبل الاختبار عن طريق تقسيم جزء من قطعة مستطيلة إلى "أرجل" متساوية (الشكل 1B والشكل 2D). تشمل المزايا الأساسية لطريقة القطع هذه تقليل المساهمات الاحتكاكية في طاقة القطع المقاسة ، وهندسة الشفرة المتغيرة (أي قيد هندسة طرف الكراك) ، والتحكم في معدل الفشل (عبر معدل إزاحة العينة) ، والضبط المنفصل للقطع ، C ، والتمزق ، T ، مساهمات الطاقة في إجمالي قطع الطاقة G (أي ، تغيير طاقة الفشل بما يزيد عن عتبة القطع)8. يتم التعبير عن المساهمات الأخيرة في تعبير بسيط مغلق لطاقة القطع9
إيقن (1)
والذي يستخدم معلمات مختارة تجريبيا ، بما في ذلك سمك العينة ، t ، متوسط إجهاد الساق ، قوة التحميل المسبق ، fpre ، والزاوية بين الأرجل ومحور القطع ، 
θ. يتم قياس قوة القطع ، fcut ، بالجهاز كما هو مفصل في Zhang et al.9. والجدير بالذكر أن الجهاز المقدم هنا يتضمن آلية جديدة وبسيطة ودقيقة لضبط زاوية الساق ، θ ، وضمان توسيط العينة. في حين أن كلتا الميزتين مهمتان لإعداد مثبت على المجهر ، فقد تفيد الآلية التطبيقات الرأسية المستقبلية لاختبار القطع على شكل حرف Y أيضا من خلال زيادة سهولة الاستخدام.
التقدم في تحديد معايير الفشل المناسبة للمواد الصلبة اللينة مستمر منذ النجاح المبكر لهندسة الكسر المستقلة عن العينات التي أدخلها ريفلين وتوماس10. تم استخدام معدلات إطلاق الطاقة الحرجة10 ، وقوانين المنطقة المتماسكة11 ، وأشكال مختلفة من الإجهاد أو الطاقة عن بعد 12،13،14. في الآونة الأخيرة ، استفاد Zhang و Hutchens من النهج الأخير ، مما يدل على أن القطع على شكل حرف Y مع شفرات نصف قطرها صغيرة بما فيه الكفاية يمكن أن يؤدي إلى ظروف فشل عتبة للكسر الناعم7: طاقة فشل العتبة ومقياس طول العتبة للفشل الذي يتراوح من عشرات إلى مئات النانومتر في بوليديميثيل سيلوكسان متجانس ومرن للغاية (PDMS). تم دمج هذه النتائج مع النمذجة المستمرة ونظرية القياس لتطوير علاقة بين القطع والتمزق في هذه المواد ، مما يدل على فائدة القطع على شكل حرف Y لتوفير نظرة ثاقبة لجميع أنماط الفشل الناعم. ومع ذلك ، فإن سلوك العديد من فئات المواد ، بما في ذلك المواد المبددة والمركبة ، لا يزال غير مستكشف. ومن المتوقع أن العديد من هذه سوف تظهر تأثيرات تحكمها البنية المجهرية على مقاييس الطول فوق الطول الموجي للضوء المرئي. لذلك ، تم تصميم جهاز في هذه الدراسة يسمح بالتوصيف البصري الوثيق لهذه التأثيرات أثناء القطع على شكل حرف Y لأول مرة (على سبيل المثال ، في المركبات ، بما في ذلك الأنسجة الرخوة ، أو العمليات المبددة ، المتوقعة على مقاييس طول الميكرومتر إلى المليمتر15).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تعديل وتصنيع الأجزاء القابلة للتعديل والاستهلاك
- استخدم قاطع ليزر أو طابعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع ABS أو علامات أكريليك يمكن التخلص منها تتناسب مع عرض أرجل العينة ، B1 و B2 (7.5 مم × 7.5 مم لعينة 1.5 سم × 7 سم × 3 مم) (الشكل 1 ب والشكل 2 د). هناك حاجة إلى علامتي تبويب لكل اختبار ، واحدة لكل ساق.
- مشبك شفرة الحلاقة
ملاحظة: تعتمد الأبعاد الدقيقة لمشبك شفرة الحلاقة المطلوب على عمق شفرة الحلاقة المستخدمة.- قم بتعديل ملف تصميم CAD (انظر جدول المواد) مشبك الشفرة. SLDPRT (ملف الترميز التكميلي 1) عن طريق تغيير عرض قاعدة المشبك بحيث تكون المسافة من طرف شفرة الحلاقة المحددة إلى الجزء الخلفي من المشبك 30.35 مم (الشكل 1D). يحافظ هذا الضبط على طرف الشفرة مباشرة أسفل النقطة المحورية (الشكل 1E) لآلية ضبط الزاوية (الشكل 1A والشكل 2A) المستخدمة لضبط الزاوية بين الأرجل.
ملاحظة: يمكن للجهاز حمل شفرات بعمق 8-20 مم. - باستخدام الإعدادات الدقيقة ، اطبع مشبك شفرة الحلاقة 3D (الشكل 1D). نظرا لأخطاء الطباعة 3D ، قد لا يتناسب مشبك شفرة الحلاقة مع ما هو مطبوع. لإصلاح ذلك ، استخدم ورق الصنفرة أو ملف دقيق لإزالة المواد من الجزء الخلفي من مشبك شفرة الحلاقة حتى يمكن إدخالها وإزالتها من الفتحة الموجودة على حامل مشبك الشفرة يدويا ولكنها لا تزال محكمة أثناء القطع.
- قم بتعديل ملف تصميم CAD (انظر جدول المواد) مشبك الشفرة. SLDPRT (ملف الترميز التكميلي 1) عن طريق تغيير عرض قاعدة المشبك بحيث تكون المسافة من طرف شفرة الحلاقة المحددة إلى الجزء الخلفي من المشبك 30.35 مم (الشكل 1D). يحافظ هذا الضبط على طرف الشفرة مباشرة أسفل النقطة المحورية (الشكل 1E) لآلية ضبط الزاوية (الشكل 1A والشكل 2A) المستخدمة لضبط الزاوية بين الأرجل.
- قم بتعديل أبعاد حامل العينة (الشكل 1C) باستخدام ملف تصميم CAD حامل العينة. SLDPRT (ملف الترميز التكميلي 2) ليناسب فتحة مرحلة المجهر المحددة (الشكل 2 ب). لضمان قدرة الجهاز على استخدام نطاق حركته الكامل ، من المهم أن يظل التجويف الداخلي للحامل كبيرا قدر الإمكان.
- تحميل حامل الخلية
ملاحظة: تأتي خلايا تحميل نوع الانحناء في العديد من الأشكال الهندسية. سيتطلب الموقع الذي يتم تركيب مستشعر الحمل عليه (الشريحة الداخلية ، الشكل 1E) تعديلا اعتمادا على خلية التحميل المحددة.- اضبط الأبعاد التالية على الشريحة الداخلية (الشكل 1E) لاستيعاب خلية التحميل المحددة: 1) موقع فتحات التثبيت (حاليا فتحتان M3 بمسافة 6 مم من المركز إلى المركز) ؛ 2) المسافة بين شعاع خلية الحمل ومستوى الشريحة الداخلية ، اعتمادا على الحد الأقصى لانحراف حزمة خلية الحمل (حاليا عند 3 مم) ؛ و 3) الارتفاع والعرض لاستيعاب هندسة خلية الحمل (حاليا 35 مم و 12.1 مم على التوالي).
ملاحظة: نطاق طول خلية التحميل الذي يمكن استخدامه دون التداخل مع نظام الضبط الرأسي (الشكل 1E والشكل 2A) هو 10-63 مم. إذا كان حجم خلية التحميل خارج هذا النطاق ، فإن البديل هو إزالة نظام ضبط الارتفاع أو إعادة تصميم / إطالة أذرع البكرة (الشكل 1 أ).
- اضبط الأبعاد التالية على الشريحة الداخلية (الشكل 1E) لاستيعاب خلية التحميل المحددة: 1) موقع فتحات التثبيت (حاليا فتحتان M3 بمسافة 6 مم من المركز إلى المركز) ؛ 2) المسافة بين شعاع خلية الحمل ومستوى الشريحة الداخلية ، اعتمادا على الحد الأقصى لانحراف حزمة خلية الحمل (حاليا عند 3 مم) ؛ و 3) الارتفاع والعرض لاستيعاب هندسة خلية الحمل (حاليا 35 مم و 12.1 مم على التوالي).
- إعادة التصميم ، باستخدام ملفات CAD المناسبة ، منصة التثبيت وأذرع الإطار (الشكل 1 أ) لتناسب مرحلة المجهر / المجهر المحددة المستخدمة. على وجه التحديد ، أذرع الإطار (ذراع الإطار. SLDPRT ، ملف الترميز التكميلي 3) قد تحتاج إلى تعديل لتسهيل المرفق. ارتفاع أذرع البكرة (الشكل 1 أ) (ذراع البكرة. SLDPRT ، ملف الترميز التكميلي 4 ، والبكرة arm_Mirror.SLDPRT ، ملف الترميز التكميلي 5) قد تحتاج أيضا إلى تعديل اعتمادا على ارتفاعات مستوى ثقوب تركيب المجهر والمستوى العلوي لمرحلة XY للمجهر.
2. التجميع الميكانيكي
- بمجرد تعديل جميع مكونات المجهر وخلية التحميل وشفرة الحلاقة ومكونات العينة بشكل مناسب ، قم بتصنيع جميع المكونات وبناء الجهاز (الشكل 2 أ). وتشمل المكونات 3D المطبوعة ، وقطع الليزر ، والأجزاء التجارية الجاهزة. وترد قائمة مفصلة من الأجزاء في جدول المواد. تتوفر رسومات تجميع الكمبيوتر لجميع الأجزاء وتجميع الأجهزة في ملفات الترميز التكميلية 1-17.
- لتركيب خلية التحميل ، قم أولا بتوصيل حامل مشبك الشفرة بخلية التحميل (الشكل 1E). قم بتوصيل هذا التجميع بالشريحة الداخلية لنظام الضبط الرأسي (الشكل 1E والشكل 2A). قم بتوصيل النظام المدمج لحامل مشبك الشفرة وخلية التحميل والشريحة الداخلية لنظام الضبط الرأسي بالشريحة الخارجية لنظام الضبط الرأسي (الشكل 1E) المثبت في الجزء السفلي من آلية ضبط الزاوية (الشكل 1A والشكل 2A).
ملاحظة: خلايا التحميل الدقيقة هشة. توخ الحذر عند التعامل مع خلية التحميل لتقليل أي قوى مطبقة عليها خارج الاختبار، خاصة القوى في اتجاه قياس الحمل.
3. التجميع الكهربائي
- قم بإعداد خلية التحميل ونظام الحصول على البيانات. بناء دائرة تضخيم باتباع التخطيطي (الشكل 1F ، تخطيطي دائرة التضخيم. SchDoc [ملف الترميز التكميلي 18] ، ودائرة التضخيم ثنائي الفينيل متعدد الكلور. PcbDoc [ملف الترميز التكميلي 19]). قم بتوصيل إشارة الخرج مباشرة بنظام الحصول على البيانات بنطاق إدخال 0-5 فولت. قم بتوصيل عناصر الدائرة وفقا للشكل 1G.
- قم بمعايرة خلية الحمل عن طريق وضع وزن بكمية معروفة على شعاع الانحراف وتسجيل خرج الجهد في رمز المعايرة (calibrate_ni_daq.mlapp ، ملف الترميز التكميلي 20). كرر هذه العملية على الأقل 5x لأوزان مختلفة من الكمية المعروفة.
- احسب ثابت معايرة خلية الحمل عن طريق تركيب بيانات الوزن مقابل الجهد المعروفة في خط. أدخل قيمة المعايرة هذه في التعليمات البرمجية لجمع البيانات (collect_data.mlapp، ملف الترميز التكميلي 21).
ملاحظة: سيعتمد نهج الحصول على البيانات على نوع خلية التحميل المحددة. في هذه الدراسة ، تم استخدام خلية تحميل انحراف بسعة مقدرة قصوى تبلغ 0.5 نيوتن ، و 0.05٪ من الإخراج المقنن (RO) أقصى قابلية للتكرار ، و 0.03٪ تباطؤ RO. يتم تضخيم إشارة الخرج ~ 10 mV لتمكين استخدام نظام الحصول على البيانات التجارية (DAQ) (نطاق إدخال من −5 إلى 5 فولت ، دقة 16 بت). نتيجة لذلك ، تم الحصول على دقة قوة أدق من 1 mN أثناء جمع البيانات بمعدل 20 هرتز بعد تطبيق مرشح وسيط متداول.
4. تركيب الجهاز
- بعد إنشاء الجهاز وإعداد خلية التحميل ونظام الحصول على البيانات ، استبدل حامل الشريحة الأصلي المثبت على المسرح بحامل العينة المخصص.
- نعلق التجميع إلى المجهر. استخدم ثقوب التثبيت على السطح العلوي للمجهر إذا كانت متوفرة.
- اضبط زاوية القطع عن طريق فك برغي الإبهام لضبط الزاوية ثم تحريك الشريحة الخطية (الشكل 1 أ). اضبط الزاوية بعد قياسها باستخدام منقلة (الشكل 2 أ) وشد زاوية ضبط برغي الإبهام. يمكن تعديل الزاوية بين الساق ومنتصف الطائرة ، θ ، من 8 ° -45 ° (الشكل 1B).
- قم بإعداد بكرتين عموديتين خلف الجهاز.
5. إعداد العينة
- أبعاد العينة: قم بإعداد عينة مستطيلة رقيقة (على سبيل المثال ، 1.5 سم × 7 سم × 3 مم) من PDMS (انظر جدول المواد) إما عن طريق قطعها من ورقة أكبر أو باستخدام قالب بالأبعاد الصحيحة. قد تختلف الأبعاد ، ولكن يوصى بعرض 1.5 سم أو أقل لعينة بسمك 3 مم أو أقل.
- قطع الأرجل: باستخدام شفرة حلاقة ، اقطع العينة بالطول 3 سم على طول خط الوسط لإنشاء عينة على شكل حرف Y (الشكل 1 ب). قد يختلف هذا الطول ، ولكن يجب أن تكون الأرجل طويلة بما يكفي لاستيعاب علامات التبويب ولكنها قصيرة بما يكفي لترك عينة غير مقطوعة للقياس.
- علامة قياس الإجهاد: باستخدام قلم تحديد أو حبر ، ضع علامتين ، في المنتصف وتفصل بينهما حوالي 1 سم ، على كل من الأرجل الرفيعة (الشكل 2D) وجسم العينة (ستة في المجموع) لتمكين قياس التمدد المطبق في كل من أرجل العينة الثلاثة تحت الحمل.
- إرفاق علامات التبويب: استخدم غراء cyanoacrylate الشبيه بالمادة اللاصقة لإرفاق علامة تبويب مطبوعة ثلاثية الأبعاد أو مقطوعة بالليزر (الخطوة 1.1) بنهاية كل ساق (الشكل 1B والشكل 2D).
- تحضير خط التوتر: قياس وقطع طولين من خط الصيد الرفيع. هناك حاجة إلى حوالي 30 سم من الخط للتوجيه الداخلي من خلال الآلية ؛ أضف المزيد حسب الحاجة لتوجيه الخط إلى مجموعة البكرات الخارجية (الخطوة 4.4). قم بتوصيل ألواح وزن 5 جم بنهاية الخطوط التي تمر عبر البكرات الخارجية واربط الطرف الآخر باللسان الموجود على كل ساق.
6. تركيب العينة
ملاحظة: توخ الحذر أثناء هذه الخطوة للتأكد من أن العينة لا تلمس هدف المجهر لتجنب إتلافها. قد يساعد في ضبط الهدف ومرحلة المجهر لخلق أكبر مساحة ممكنة لتركيب العينة.
- قم بتثبيت قاعدة العينة باستخدام برغي إبهام حامل العينة (الشكل 1C).
- قم بتوجيه الخط لكل ساق عبر كل جانب من جوانب نظام البكرة (الشكل 1 أ والشكل 2 أ). التقط صورة للعينة من الأعلى بينما تكون العينة تحت وزن ضئيل عن طريق حمل كاميرا على الجانب السفلي من آلية ضبط الزاوية. تأكد من أن الكاميرا موازية لمستوى العينة لتقليل تأثيرات المنظور.
- أضف وزن التحميل المسبق المطلوب البالغ 75 جم إلى طرفي خط الصيد بالقرب من البكرات الخارجية. قم بزيادة هذه الكمية إلى 150 جم أو خفضها إلى 50 جم لتغيير مساهمة التمزيق إذا رغبت في ذلك لهذا المثال المواد والهندسة. التقط صورة ثانية للعينة بعد إضافة الوزن، وتأكد مرة أخرى من أن الكاميرا موازية لمستوى العينة.
ملاحظة: تنطبق أمثلة الأوزان المقدمة هنا على وجه التحديد على عينة PDMS المستخدمة في هذه الدراسة. - قم بمحاذاة خط الصيد من أدنى بكرة مع المستوى Z لأرجل العينة باستخدام المكون Z لمرحلة الضبط الجزئي ثلاثي الاتجاهات (الشكل 1 أ). ضع طرف الشفرة المتوقع تقريبا بالقرب من مجال رؤية الهدف (الشكل 2 ب).
7. شفرة تصاعد
- ضع شفرة الحلاقة في مشبك الشفرة المقابل لها (الخطوة 1.2) وقم بتثبيت الشفرة في مكانها باستخدام برغي مثبت. ضع الشفرة بإحكام في مشبك الشفرة (الشكل 1D والشكل 2C) للتأكد من أنها مربعة. حرك شفرة الحلاقة المقطوعة هذه في حامل مشبك الشفرة المتصل بخلية التحميل (الشكل 1E).
ملاحظة: يجب دائما وضع الشفرة بعد تركيب العينة. إذا كانت الشفرة في مكانها قبل العينة ، فإنها تمثل خطرا على سلامة المستخدم.
8. محاذاة الجهاز
- حدد هدف المجهر 2.5x ، أو يصل إلى 20x إذا كانت الصور الأقرب مطلوبة.
- استخدم إعداد الضوء المرسل ، مع زيادة الضوء خلف العينة إذا لزم الأمر.
- مع وجود الشفرة في مكانها ، ركز المجهر على الجزء السفلي منها ، باستخدام نظام الضبط الرأسي للشفرة إذا لزم الأمر لإحضار الطرف إلى مسافة العمل المناسبة للهدف (الشكل 1E والشكل 2A). قم بمحاذاة شفرة الحلاقة بعناية داخل مجال رؤية المجهر باستخدام الاتجاهين X و Y فقط لمرحلة الضبط الدقيق ثلاثية الاتجاهات (الشكل 1 أ).
- بعد ذلك ، ركز المجهر على العينة. قم بمحاذاة طرف الكراك مع شفرة الحلاقة (الشكل 2B) عن طريق ترجمة مرحلة المجهر XY (الشكل 1A) للتأكد من أن المستوى الأوسط للعينة يتماشى مع المستوى الأوسط لآلية ضبط الزاوية.
9. الاختبار
- افتح التعليمة البرمجية المستخدمة لجمع بيانات خلية التحميل (collect_data.mlapp ، ملف الترميز التكميلي 21).
- ابدأ في تسجيل بيانات خلية التحميل بالنقر فوق ابدأ التسجيل زر.
- ترجمة العينة من خلال شفرة الحلاقة لمسافة 1 سم أو أكثر بسرعة ثابتة باستخدام التحكم في مرحلة المجهر. اجمع الصور في وقت واحد باستخدام واجهة التصوير الخاصة بالمجهر.
- عندما تتوقف مرحلة المجهر XY (الشكل 1 أ) ، انقر فوق إيقاف التسجيل زر لإيقاف تسجيل البيانات وحفظ ملف * .txt تلقائيا لاستجابة الحمل والوقت.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تتحد المعلمات المستخدمة خلال الخطوتين 4 و 6 والبيانات التي تم جمعها خلال الخطوتين 6 و 9 لإنتاج طاقة القطع للعينة. وفقا ل Eqn. 1 ، يتطلب تحديد طاقة القطع المعلمات التالية: سمك العينة ، t ، قوة التحميل المسبق ، fpre ، والزاوية بين الأرجل ومحور القطع ، θ. البيانات التالية مطلوبة أيضا: قوة القطع ، والقطع ، ومتوسط إجهاد الساق ، . الأول يأتي من بيانات وقت القوة التي تم جمعها عبر رمز الكمبيوتر. توضح بيانات وقت القوة من اختبار نموذجي (الشكل 3 أ) قوة أولية عالية ، كما هو مطلوب عادة لبدء القطع ، متبوعة بقوة ثابتة ، مما يشير إلى قطع الحالة الثابتة. قوة القطع ، fقطع ، هي القيمة القصوى للقوة داخل نظام الحالة المستقرةهذا 9. يعطى متوسط الإجهاد في الساقين بالعلاقة:
إيقن (2)
حيث يتم استخدام صور العينة المحملة مسبقا وبعديا قبل القطع (الخطوة 6.2 والخطوة 6.3) كمقياس إجهاد بصري لقياس λ B 1 و λB 2 و λA. أخيرا ، يتم دمج هذه القيم لحساب طاقة القطع باستخدام Eqn. 1.
بالنسبة للنتائج التمثيلية التي تم الإبلاغ عنها هنا: شفرة فائقة الوضوح (نصف قطر 129 نانومتر) ، وزاوية ساق 32 درجة ، وتحميل مسبق 75 جم (= 1.04) ، قمنا بقياس طاقة قطع تبلغ 132.96 جول / م2 ل PDMS. تتوافق هذه القيمة جيدا مع طاقة القطع التي تم الحصول عليها مسبقا في ظل هذه الظروف البالغة 132.9 جول / م 2 ± 3.4 جول / م2 ، وبالتالي التحقق من صحة الجزء الميكانيكي من إعداد الاختبار الموضح هنا9. إذا رغبت في ذلك ، يمكن تحويل بيانات وقت القوة تقريبا إلى بيانات إزاحة القوة باستخدام بروتوكول حركة مرحلة المجهر (على سبيل المثال ، سرعة ثابتة).
يوضح الشكل 3 ب جدوى الإعداد لجمع صور المجهر في وقت واحد. يتم جمع هذه الصور باستخدام هدف 2.5x 1) من بداية الاختبار ، 2) بعد بدء القطع ، و 3) طوال الحالة المستقرة في عينة PDMS بنمط بقع مختلطة بنسبة الشركة المصنعة 10: 1. حافظنا على التركيز طوال الاختبار وأظهرنا مراسلات فردية بين البيانات الميكانيكية والبصرية. نلاحظ أن جودة وتكبير صور المجهر التي تم الحصول عليها ستعتمد على مجموعة النظام / الهدف / المرحلة / البرنامج المستخدمة.
الشكل 1: صور CAD لجهاز القطع على شكل حرف Y المثبت بالمجهر . (أ) جهاز القطع الكامل المثبت فوق مجهر مقلوب مع مرحلة XY آلية. لا تظهر البكرات الرأسية خلف النظام التي يتم تعليق الأوزان الميتة منها لإنشاء قوى التحميل المسبق ، fpre ، على العينة. (ب) تتكون العينة من ساق واحدة ، "A" ، يتم قطع ساقين متساويتين منها ، "B1" و "B2" ، لإنشاء شكل "Y" بزاوية الساق θ. (ج) يحمل حامل العينة العينة في مكانها داخل فتحة في مرحلة المجهر. (D) يوضح العرض العلوي لمشابك الشفرة القابلة للتخصيص كيف تستوعب إعادة تصميمها الشفرات ذات الارتفاعات المختلفة مع الحفاظ على التباعد 30.35 مم الذي يحاذي الجزء العلوي مع النقطة المحورية لآلية ضبط الزاوية. (ه) منظر جانبي عن قرب لنظام الضبط الرأسي وخلية التحميل وأجزاء تركيب مشبك الشفرة. (F) يتم التوسط في الإشارة من خلية الحمل بواسطة دائرة تضخيم تستخدم لتحويل خرج خلية الحمل (0-10 مللي فولت) إلى نطاق 0-5 فولت لنظام الحصول على البيانات. (ز) يتم تنفيذ هذه الدائرة عن طريق توصيلها بمصدر الطاقة وخلية التحميل ونظام الحصول على البيانات باستخدام لوحة الدوائر المطبوعة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: صور لجهاز القطع على شكل حرف Y مثبت على المجهر. (أ) صورة لجهاز القطع التشغيلي على شكل حرف Y مع إضافة مناطق ذات ألوان زائفة للإشارة إلى ميزات التصميم الرئيسية. (ب) منظر أمامي للجهاز يوضح المحاذاة التقريبية لخلية الحمل وعينة منتصف المستوى ويشير إلى المنطقة المراد قطعها والتي تقع ضمن مجال رؤية هدف المجهر. (الشفرة ومشبك الشفرة غير مثبتين.) (ج) أمثلة على الشفرات والمشابك المركبة التي يبلغ ارتفاعها الإجمالي المتساوي 30.35 مم. (د) عينة على شكل حرف Y PDMS قبل التركيب ، مع إرفاق الألسنة وخيط الصيد. تمت إضافة علامات إيمانية إلى الأرجل "B1" و "B2" لقياس متوسط التمدد عند تطبيق التحميل المسبق. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: نتائج القطع التمثيلية في الموقع . (أ) منحنى وقت القوة ل PDMS (10: 1) باستخدام شفرة فائقة الوضوح (نصف قطر 129 نانومتر) ، وزاوية ساق 32 درجة ، وتحميل مسبق 75 جم ( = 1.04). يتم تمييز مناطق التحميل المرن ، وبدء القطع ، وقطع الحالة الثابتة ، ومناطق التفريغ في المنحنى. (ب) الدوائر الحمراء التي تتوافق مع الصور التي حصل عليها المجهر موضحة. تمت إضافة دائرة صفراء لتسهيل مراقبة حركة نمط البقع. شريط المقياس = 1 مم. يتم تضمين الطوابع الزمنية ، بالثواني ، في الزاوية العلوية اليسرى من كل صورة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
ملف الترميز التكميلي 1. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 2. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 3. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 4. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 5. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 6. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 7. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 8. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 9. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 10. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 11. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 12. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 13. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 14. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 15. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 16. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 17. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 18. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 19. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 20. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف الترميز التكميلي 21. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يتيح جهاز القطع الأفقي على شكل حرف Y المذكور هنا إمكانات التصوير في الموقع جنبا إلى جنب مع سهولة الاستخدام المحسنة لتقنية الفشل هذه. يشتمل الجهاز على تصميم معياري / محمول للتركيب / الفك السريع من المجهر وضبط زاوية الساق المستمر والمحاذاة مسبقا. تم تضمين جميع ملفات CAD والمواد المطلوبة والإجراءات لتسهيل تنفيذ هذه الطريقة. في كثير من الحالات (حاملات الشفرات ، حامل العينة ، حامل خلية التحميل ، إطار التثبيت) ، يمكن تعديل الأجزاء المطبوعة 3D بسهولة لمادة / شفرة معينة أو خلية تحميل / مجهر محدد. ومع ذلك ، تنطبق النصائح التالية على جميع معلمات واستخدامات هذا الجهاز.
الوزن المستخدم لتثبيت كل ساق في حالة توتر أمر بالغ الأهمية لنجاح القياس. يضمن الوزن المنخفض بما فيه الكفاية عدم فشل الاختبار على الفور (قد يكون من المفيد تطبيق الوزن ببطء وبشكل تدريجي). ومع ذلك ، فإن تحميل الأرجل بقوة قليلة جدا سيؤدي إلى التواء العينة ، مما يؤدي إلى طي العينة أسفل الشفرة أو أمامها بدلا من أو أثناء القطع. يمكن قياس قوة القطع "الظاهرة" في ظل هذه الظروف ، لكنها لن تكون قوة القطع للمادة.
يجب أن تكون أرجل العينة بطول مناسب لحامل العينة والسفر المطلوب. ستصطدم الأرجل الطويلة جدا بنظام البكرة قبل إجراء قطع طويل بما يكفي. يجب أن تكون الأرجل طويلة بما يكفي لاستيعاب علامات التبويب. بالنسبة لهندسة حامل العينة المذكورة هنا ، يوفر طول العينة الإجمالي 7 سم مع أرجل 3 سم نقطة انطلاق جيدة. يجب معايرة خلية التحميل قبل كل استخدام. يمكن أن تتسبب الحركة المفاجئة للجهاز في أن تصبح خلية التحميل غير معايرة أو حتى تالفة.
تنقسم التعديلات الرئيسية إلى فئتين: استيعاب المعدات / المكونات المتاحة ومتطلبات المواد / التصوير. من حيث الفئة الأولى ، يمكن تعديل إطار تركيب الجهاز للتنفيذ على مجاهر مختلفة. يمكن تعديل حامل خلية الحمل أو الضبط الرأسي أو الأذرع التي تدعم المجموعة الأولى من البكرات لاستيعاب خلايا التحميل ذات الأطوال المختلفة. قد تتطلب مشابك الشفرة ضبطا وفقا لعمق الشفرة، كما هو مفصل في الخطوة 2.2 من البروتوكول. وفيما يتعلق بالفئة الثانية، يمكن تعديل حامل العينة للتكيف مع مسافة العمل الموضوعية أو قيود بيئة العينة. على سبيل المثال ، في حالة اختبار المواد المائية ، يمكن دمج طبق أو شريحة بتري أسفل العينة لحماية المجهر والحفاظ على الترطيب.
كما هو الحال مع القطع الرأسي على شكل حرف Y ، ينطبق هذا النهج بشكل أساسي على المواد الصلبة اللينة والقوية بشكل معقول. تفضل المواد الصلبة الالتواء بدلا من الانحناء للخارج والحفاظ على عينة مستوية عند تطبيق حمل محفز Y16. عندما تكون العينات هشة للغاية ، تكون زوايا الساق المنخفضة مطلوبة لتحقيق مساهمة تمزق منخفضة بما فيه الكفاية (Eqn. 1) ، وعند هذه النقطة يمكن أن يصبح الاحتكاك مشكلة. قد تكون العينات المائية ، التي تحتوي عادة على احتكاك منخفض جدا ، استثناء للاختبارات في زوايا الساق المنخفضة هذه. من التجربة ، تتجنب زوايا الساق >35 درجة بشكل عام تأثيرات الاحتكاك في السيليكون "اللزج" نسبيا 7,9. قد تتغلب التغييرات في هندسة العينة أو البيئة أو زاوية الشفرة على العديد من هذه الحواجز في الوقت المناسب. ستختلف القيود في سرعة القطع والتحكم باختلاف مرحلة مجهر XY الآلية المستخدمة. على وجه التحديد ، توفر بعض مجموعات المرحلة / البرامج عددا قليلا فقط من الخيارات القياسية للسرعة الثابتة. عند سرعات القطع العالية ، قد يكون الحصول على الصورة غير كاف لتجنب الضبابية. تعتمد كل هذه القيود على مصنعي المجهر والمرحلة ولكن يمكن التغلب عليها من خلال تطبيق هذا الجهاز على مجهر مخصص.
يسهل القطع على شكل حرف Y تحديد خصائص فشل العتبة للمواد الصلبة اللينة ويوفر نظرة ثاقبة لاستجابات الفشل الأساسية لهذه المواد في ظل ظروف خاضعة لرقابة عالية. مع التعديل الذي يوفره الجهاز المفصل هنا ، يمكن الآن دمج هذه القياسات الميكانيكية مع تقنيات التوصيف البصري الحالية مثل ، على سبيل المثال لا الحصر ، ما يلي: تنشيط ميكانيكي5 ، الجيل التوافقي الثاني (SHG) 17 ، وارتباط الصورة الرقمية18. من المتوقع أن يسفر هذا المزيج عن ملاحظات جديدة قابلة للقياس الكمي للعلاقة الحميمة بين البنية المجهرية وتركيز الإجهاد في الفشل الناعم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
نود أن نشكر الدكتور جيمس فيليبس والدكتورة إيمي واجونر جونسون وألكسندرا سبيتزر وأمير أوستادي على نصائحهم بشأن هذا العمل. جاء التمويل من منحة البدء المقدمة من قسم العلوم والهندسة الميكانيكية في جامعة إلينوي أوربانا شامبين. حصل كل من M. Gurena و JC Peng و M. Schmid و C. Walsh على ائتمان تصميم كبير لعملهم في هذا المشروع.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
- 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. , Elsevier. London, UK. (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.
- 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).
