Summary
Y-formet skæring måler brudrelevante længdeskalaer og energier i bløde materialer. Tidligere apparater blev designet til stationære målinger. Denne protokol beskriver fremstillingen og brugen af et apparat, der orienterer opsætningen vandret og giver de fine positioneringsfunktioner, der er nødvendige for in situ-visning , plus fejlkvantificering via et optisk mikroskop.
Abstract
Y-formet skæring har for nylig vist sig at være en lovende metode til at forstå tærskellængdeskalaen og svigtenergien for et materiale samt dets fejlrespons i nærvær af overskydende deformationsenergi. Det eksperimentelle apparat, der blev anvendt i disse undersøgelser, var lodret orienteret og krævede besværlige trin for at justere vinklen mellem de Y-formede ben. Den lodrette orientering forbyder visualisering i standard optiske mikroskoper. Denne protokol præsenterer et Y-formet skæreapparat, der monteres vandret over et eksisterende omvendt mikroskoptrin, kan justeres i tre dimensioner (X-Y-Z) for at falde inden for målets synsfelt og tillader let ændring af vinklen mellem benene. De to sidstnævnte funktioner er nye for denne eksperimentelle teknik. Det præsenterede apparat måler skærekraften inden for 1 mN nøjagtighed. Ved test af polydimethylsiloxan (PDMS), referencematerialet for denne teknik, blev der målt en skæreenergi på 132,96 J/m2 (32° benvinkel, 75 g forspænding) og viste sig at falde inden for fejlen fra tidligere målinger foretaget med en lodret opsætning (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2). Tilgangen gælder for bløde syntetiske materialer, væv eller biomembraner og kan give ny indsigt i deres adfærd under svigt. Listen over dele, CAD-filer og detaljerede instruktioner i dette arbejde giver en køreplan for nem implementering af denne kraftfulde teknik.
Introduction
Ikke-lineær kontinuummekanik har givet en kritisk linse, hvorigennem man kan forstå koncentrationen af energi, der fører til svigt i bløde faste stoffer1. Den nøjagtige forudsigelse af denne fejl kræver imidlertid også beskrivelser af de mikrostrukturelle egenskaber, der bidrager til ny overfladedannelse ved revnespidsen 2,3. En metode til at nærme sig sådanne beskrivelser er in situ visualisering af revnespidsen under fejl 4,5. Imidlertid gør revnestumpning i typiske langfeltsfrakturtest erhvervelsen af in situ-data udfordrende ved at sprede det stærkt deformerede materiale ud, potentielt uden for mikroskopets synsfelt6. Y-formet skæring tilbyder et unikt alternativ til mikrostrukturel visualisering, fordi den koncentrerer området med stor deformation ved spidsen af et blad7. Desuden viser tidligere arbejde fra vores gruppe, at denne unikke eksperimentelle tilgang kan give indsigt i forskellene i fejlrespons mellem langfeltrivning og kontaktmedierede belastningsforhold7.
Den Y-formede skæremetode, der anvendes i apparatet, der præsenteres her, blev først beskrevet for årtier siden som en skæremetode til naturgummi8. Metoden består af en fast klinge, der skubber gennem et forudindlæst Y-formet prøveemne. I skæringspunktet mellem "Y" er revnespidsen, som skabes før prøvning ved at opdele en del af et rektangulært stykke i to lige store "ben" (figur 1B og figur 2D). De primære fordele ved denne skæremetode omfatter reduktionen af friktionsbidrag til den målte skæreenergi, den variable klingegeometri (dvs. begrænsning af revnespidsgeometrien), kontrol af fejlfrekvensen (via prøveforskydningshastigheden) og separat indstilling af skæringen, C og rivning, T, energibidrag til det samlede energi-G-snit (dvs. ændring af svigtenergien ud over en skæringstærskel)8. Sidstnævnte bidrag udtrykkes i et enkelt, lukket udtryk for skæreenergien9
Eqn (1)
som anvender eksperimentelt udvalgte parametre, herunder prøvetykkelse, t, gennemsnitlig benbelastning, , forspændingskraft, ffør og vinklen mellem benene og skæreaksen, 
θ. Skærekraften, fcut, måles med apparatet som beskrevet i Zhang et al.9. Især indeholder apparatet, der præsenteres her, en ny, enkel og nøjagtig mekanisme til indstilling af benvinklen, θ, og sikring af, at prøven er centreret. Mens begge funktioner er kritiske for en mikroskopmonteret opsætning, kan mekanismen også gavne fremtidige lodrette implementeringer af den Y-formede skæretest ved at øge brugervenligheden.
Fremskridt med at bestemme de passende fejlkriterier for bløde faste stoffer har været i gang siden den tidlige succes med prøveuafhængige brudgeometrier, der blev introduceret af Rivlin og Thomas10. Kritiske energifrigivelseshastigheder10, sammenhængende zonelove 11 og forskellige former for stress- eller energi-på-afstand-tilgange12,13,14 er blevet brugt. For nylig udnyttede Zhang og Hutchens sidstnævnte tilgang og demonstrerede, at Y-formet skæring med tilstrækkeligt små radiusblade kunne give tærskelfejlbetingelser for blød fraktur7: en tærskelfejlenergi og en tærskellængdeskala for fejl, der spænder fra titusinder til hundreder af nanometer i homogen, meget elastisk polydimethylsiloxan (PDMS). Disse resultater blev kombineret med kontinuummodellering og skaleringsteori for at udvikle et forhold mellem skæring og rivning i disse materialer, hvilket demonstrerer nytten af Y-formet skæring til at give indsigt i alle former for blødt svigt. Imidlertid forbliver opførelsen af mange materialeklasser, herunder dissipative og kompositmaterialer, uudforsket. Det forventes, at mange af disse vil udvise mikrostrukturstyrede effekter på længdeskalaer over bølgelængden af synligt lys. Derfor blev der designet et apparat i denne undersøgelse, der muliggør tæt visuel karakterisering af disse effekter under Y-formet skæring for første gang (f.eks. I kompositter, herunder blødt væv, eller af dissipative processer, forventet på mikrometer til millimeterlængde skalaer15).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Justering og fremstilling af modificerbare og forbrugsdele
- Brug en laserskærer eller 3D-printer til at fremstille engangs-ABS- eller akryltapper, der passer inden for bredden af prøvebenene, B1 og B2 (7,5 mm x 7,5 mm for en prøve på 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) (figur 1B og figur 2D). Der kræves to faner til hver test, en for hvert ben.
- Knivklips
BEMÆRK: De nøjagtige dimensioner af den krævede barberbladsklemme afhænger af dybden af det anvendte barberblad.- Rediger CAD-designfilen (se materialetabellen) Bladklip. SLDPRT (Supplemental Coding File 1) ved at ændre bredden på clipsbasen, så afstanden fra spidsen af det valgte barberblad til bagsiden af clipsen er 30,35 mm (figur 1D). Denne justering holder spidsen af bladet direkte under omdrejningspunktet (figur 1E) på vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A og figur 2A), der bruges til at justere vinklen mellem benene.
BEMÆRK: Apparatet kan holde knive med en dybde på 8-20 mm. - Brug fine indstillinger til at 3D-printe knivknivclipsen (figur 1D). På grund af 3D-udskrivningsfejl passer barberbladsclipsen muligvis ikke som udskrevet. For at løse dette skal du bruge sandpapir eller en fin fil til at fjerne materiale fra bagsiden af barberbladsklemmen, indtil det kan indsættes og fjernes fra dets åbning på knivklemmen manuelt, men stadig er stramt under skæringen.
- Rediger CAD-designfilen (se materialetabellen) Bladklip. SLDPRT (Supplemental Coding File 1) ved at ændre bredden på clipsbasen, så afstanden fra spidsen af det valgte barberblad til bagsiden af clipsen er 30,35 mm (figur 1D). Denne justering holder spidsen af bladet direkte under omdrejningspunktet (figur 1E) på vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A og figur 2A), der bruges til at justere vinklen mellem benene.
- Rediger prøveholderens dimensioner (figur 1C) ved hjælp af CAD-designfilen Prøveholder. SLDPRT (supplerende kodningsfil 2), så den passer til åbningen af det specifikke mikroskoptrin (figur 2B). For at sikre, at apparatet kan bruge sit fulde bevægelsesområde, er det vigtigt, at holderens indre hulrum forbliver så stort som muligt.
- Vejecelleholder
BEMÆRK: Vejeceller af bøjningstypen findes i mange geometrier. Det sted, hvor belastningssensoren skal monteres (det indre lysbillede, figur 1E), skal justeres afhængigt af den valgte vejecelle.- Juster følgende dimensioner på den indvendige glide (figur 1E) for at imødekomme den specifikke vejecelle: 1) placeringen af monteringshullerne (i øjeblikket to M3-huller med en afstand på 6 mm fra centrum til centrum); 2) afstanden mellem vejecellestrålen og det indre lysbillede afhængigt af vejecellestrålens maksimale afbøjning (i øjeblikket 3 mm) og 3) højden og bredden for vejecellegeometri (i øjeblikket henholdsvis 35 mm og 12,1 mm).
BEMÆRK: Vejecellens længdeområde, der kan bruges uden at forstyrre det lodrette justeringssystem (figur 1E og figur 2A), er 10-63 mm. Hvis vejecellens størrelse er uden for dette område, er et alternativ at fjerne højdejusteringssystemet eller redesigne/forlænge remskivearmene (figur 1A).
- Juster følgende dimensioner på den indvendige glide (figur 1E) for at imødekomme den specifikke vejecelle: 1) placeringen af monteringshullerne (i øjeblikket to M3-huller med en afstand på 6 mm fra centrum til centrum); 2) afstanden mellem vejecellestrålen og det indre lysbillede afhængigt af vejecellestrålens maksimale afbøjning (i øjeblikket 3 mm) og 3) højden og bredden for vejecellegeometri (i øjeblikket henholdsvis 35 mm og 12,1 mm).
- Ved hjælp af de relevante CAD-filer skal monteringsplatformen og rammearmene (figur 1A) redesignes, så de passer til det specifikke mikroskop/mikroskoptrin, der anvendes. Specifikt rammearmene (rammearm. SLDPRT, supplerende kodningsfil 3) skal muligvis ændres for at lette vedhæftet fil. Højden på remskivearmene (figur 1A) (remskivearm. SLDPRT, Supplemental Coding File 4 og remskive arm_Mirror.SLDPRT, Supplemental Coding File 5) skal muligvis også ændres afhængigt af højderne på mikroskopets monteringshuller og det øverste plan i mikroskopets XY-trin.
2. Mekanisk samling
- Når alle mikroskop-, vejecelle-, barberblads- og prøvekomponenter er blevet ændret på passende vis, fremstilles alle komponenterne, og apparatet konstrueres (figur 2A). Komponenterne omfatter 3D-printede, laserskårne og kommercielle hyldedele. En detaljeret liste over dele findes i materialefortegnelsen. Computersamlingstegninger af alle dele og apparatsamling er tilgængelige i supplerende kodningsfiler 1-17.
- For at montere vejecellen skal du først fastgøre knivklemmebeslaget til vejecellen (figur 1E). Fastgør denne enhed til det indvendige objektglas i det lodrette justeringssystem (figur 1E og figur 2A). Fastgør det kombinerede system af knivklemmebeslaget, vejecellen og det indre objektglas i det lodrette justeringssystems ydre glide (figur 1E), der er monteret i bunden af vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A og figur 2A).
BEMÆRK: Mikrovejeceller er skrøbelige. Vær forsigtig, når du håndterer vejecellen for at minimere eventuelle kræfter, der påføres den uden for testen, især kræfter i belastningsretningen.
3. Elektrisk samling
- Konfigurer vejecellen og dataindsamlingssystemet. Byg et forstærkningskredsløb efter skemaet (figur 1F, Amplifikationskredsløbsskematisk. SchDoc [Supplerende kodningsfil 18] og PCB til forstærkningskredsløb. PcbDoc [supplerende kodningsfil 19]). Tilslut udgangssignalet direkte til et dataindsamlingssystem med et 0-5 V indgangsområde. Tilslut elementerne i kredsløbet i henhold til figur 1G.
- Kalibrer vejecellen ved at placere en vægt af kendt størrelse på afbøjningsstrålen og registrere spændingsudgangen i kalibreringskoden (calibrate_ni_daq.mlapp, supplerende kodningsfil 20). Gentag denne proces mindst 5x for forskellige vægte af kendt mængde.
- Beregn vejecellekalibreringskonstanten ved at tilpasse de kendte vægt/spændingsdata til en linje. Indtast denne kalibreringsværdi i dataindsamlingskoden (collect_data.mlapp, supplerende kodningsfil 21).
BEMÆRK: Fremgangsmåden til dataindsamling afhænger af den valgte type vejecelle. I denne undersøgelse blev der anvendt en afbøjningsvejecelle med en maksimal nominel kapacitet på 0,5 N, 0,05% nominel output (RO) maksimal repeterbarhed og 0,03% R.O. hysterese. ~10 mV udgangssignalet forstærkes for at muliggøre brugen af et kommercielt dataindsamlingssystem (DAQ) (-5 til 5 V indgangsområde, 16-bit opløsning). Som et resultat blev der opnået en kraftopløsning, der var finere end 1 mN, mens der blev indsamlet data med en hastighed på 20 Hz efter påføring af et rullende medianfilter.
4. Montering af apparater
- Når apparatet er konstrueret, og vejecellen og dataindsamlingssystemet er konfigureret, skal du udskifte den originale, trinmonterede glideholder med den brugerdefinerede prøveholder.
- Fastgør samlingen til mikroskopet. Brug monteringshuller på mikroskopets øverste overflade, hvis det er tilgængeligt.
- Indstil snitvinklen ved at løsne vinkeljusteringsskruen og derefter flytte det lineære objektglas (figur 1A). Indstil vinklen efter måling med en vinkelmåler (figur 2A), og stram vinkeljusteringsskruen. Vinklen mellem et ben og prøvens midtplan, θ, kan justeres fra 8°-45° (figur 1B).
- Opsæt to lodrette remskiver bag apparatet.
5. Forberedelse af prøver
- Prøvedimensioner: Forbered en tynd rektangulær prøve (f.eks. 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) PDMS (se materialetabel) ved enten at skære den fra et større ark eller bruge en form med de korrekte dimensioner. Dimensionerne kan variere, men en bredde på 1,5 cm eller mindre for en prøve med en tykkelse på 3 mm eller mindre anbefales at starte.
- Skæring af benene: Brug et barberblad til at skære prøven 3 cm på langs midterlinjen for at skabe den Y-formede prøve (figur 1B). Denne længde kan variere, men benene skal være lange nok til at rumme tapperne, men alligevel korte nok til at efterlade uskåret prøve til måling.
- Mærkning af belastningsmåling: Brug en markør eller trykfarve til at anbringe to mærker, centreret og adskilt med ca. 1 cm, på hvert af de tynde ben (figur 2D) og prøvens krop (seks i alt) for at muliggøre måling af den påførte strækning i hvert af de tre prøveben under belastning.
- Fastgørelse af tapperne: Brug klæbemiddellignende cyanoacrylatlim til at fastgøre en 3D-printet eller laserskåret tap (trin 1.1) til enden af hvert ben (figur 1B og figur 2D).
- Forbered spændingslinen: Mål og skær to længder tynd fiskeline. Ca. 30 cm linje er nødvendig til intern routing gennem mekanismen; Tilføj mere efter behov for at føre linjen til det eksterne sæt remskiver (trin 4.4). Fastgør 5 g vejeplader til enden af linjerne, der går gennem de udvendige remskiver, og bind den anden ende til tappen på hvert ben.
6. Prøve montering
BEMÆRK: Vær forsigtig under dette trin for at sikre, at prøven ikke rører mikroskopmålet for at undgå at beskadige det. Det kan hjælpe at justere mål- og mikroskopfasen for at skabe så meget plads som muligt til prøvemontering.
- Klem bunden af prøven ved hjælp af prøveholderens tommelskrue (figur 1C).
- Før linjen for hvert ben gennem hver side af remskivesystemet (figur 1A og figur 2A). Tag et billede af prøven fra toppen, mens prøven er under ubetydelig vægt, ved at holde et kamera mod undersiden af vinkeljusteringsmekanismen. Sørg for, at kameraet er parallelt med prøveplanet for at minimere perspektiveffekter.
- Tilsæt den ønskede forspændingsvægt på 75 g i begge ender af fiskelinjen nær de udvendige remskiver. Forøg denne mængde til 150 g, eller formindsk den til 50 g for at ændre rivningsbidraget, hvis det ønskes for dette eksempelmateriale og geometri. Tag endnu et billede af prøven, når vægten er tilføjet, og sørg igen for, at kameraet er parallelt med prøveplanet.
BEMÆRK: De eksempelvægte, der er angivet her, gælder specifikt for PDMS-prøven, der blev brugt i denne undersøgelse. - Fiskelinen fra den laveste remskive justeres med prøvebenenes Z-plan ved hjælp af Z-komponenten i trevejsmikrojusteringstrinnet (figur 1A). Den forventede vingespids placeres ca. tæt på målets synsfelt (figur 2B).
7. Montering af klinge
- Placer barberbladet i den tilsvarende knivklemme (trin 1.2), og fastgør bladet på plads med en sætskrue. Sæt kniven godt fast i knivklemmen (figur 1D og figur 2C) for at sikre, at den er firkantet. Skub dette afklippede barberblad ind i knivklemmebeslaget, der er fastgjort til vejecellen (figur 1E).
BEMÆRK: Klingen skal altid placeres, når prøven er monteret. Hvis klingen er på plads før prøven, udgør den en sikkerhedsrisiko for brugeren.
8. Justering af apparatur
- Vælg målet 2,5x mikroskop eller så højt som 20x, hvis der ønskes tættere billeder.
- Brug den transmitterede lysindstilling, og øg lyset bag prøven, hvis det er nødvendigt.
- Når bladet er på plads, fokuseres mikroskopet på bunden af det, om nødvendigt ved hjælp af bladets lodrette justeringssystem for at bringe spidsen til den passende arbejdsafstand for målet (figur 1E og figur 2A). Juster forsigtigt barberbladet inden for mikroskopets synsfelt ved kun at bruge X- og Y-retningerne i trevejs mikrojusteringstrinnet (figur 1A).
- Derefter fokuseres mikroskopet på prøven. Knækspidsen justeres med barberbladet (figur 2B) ved at oversætte mikroskopets XY-trin (figur 1A) for at sikre, at prøvens midtplan flugter med vinkeljusteringsmekanismens midterplan.
9. Prøvning
- Åbn den kode, der bruges til indsamling af vejecelledata (collect_data.mlapp, supplerende kodningsfil 21).
- Start optagelsen af vejecelledataene ved at klikke på knappen Start optagelse .
- Oversæt prøven gennem barberbladet i 1 cm eller mere ved konstant hastighed ved hjælp af mikroskoptrinstyring. Saml billeder samtidigt ved hjælp af mikroskopets billedgrænseflade.
- Når mikroskopets XY-trin stopper (figur 1A), skal du klikke på knappen Stop optagelse for at stoppe optagelsen af data og automatisk gemme en *.txt fil med belastningen og tidsresponsen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De parametre, der anvendes i trin 4 og trin 6, og de data, der indsamles i trin 6 og trin 9, giver tilsammen prøvens skæreenergi. Ifølge Eqn. 1 kræver bestemmelsen af skæreenergien følgende parametre: prøvetykkelse, t, forspændingskraft, fpre og vinklen mellem benene og skæreaksen, θ. Følgende data kræves også: skærekraften, fsnit og den gennemsnitlige benbelastning, . Førstnævnte kommer fra krafttidsdata indsamlet via computerkoden. Krafttidsdataene fra en typisk test (figur 3A) illustrerer en høj startkraft, som typisk kræves til snitinitiering, efterfulgt af en konstant kraft, der indikerer steady state-skæring. Skærekraften, fcut, er den maksimale værdi af kraften inden for dette steady state-regime9. Den gennemsnitlige belastning i benene, , er givet ved
Eqn (2)
hvor billeder af den for- og efterindlæste prøve før skæring (trin 6.2 og trin 6.3) anvendes som optisk belastningsmåler til måling af λ B 1, λB 2 og λA. Endelig kombineres disse værdier for at beregne skæreenergien ved hjælp af Eqn. 1.
For de repræsentative resultater, der er rapporteret her: et ultraskarpt blad (129 nm radius), en 32° benvinkel og en 75 g forspænding (= 1,04), målte vi en skæreenergi på 132,96 J/m2 for PDMS. Denne værdi stemmer godt overens med den tidligere opnåede skæreenergi under disse betingelser på 132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2 og validerer således den mekaniske del af testopsætningen, der er demonstreret her9. Hvis det ønskes, kan krafttidsdataene konverteres omtrent til kraftforskydningsdata ved hjælp af mikroskopets trinbevægelsesprotokol (f.eks. Konstant hastighed).
Levedygtigheden af opsætningen til samtidig indsamling af mikroskopbilleder er illustreret i figur 3B. Disse billeder er indsamlet ved hjælp af et 2,5x mål 1) fra starten af testen, 2) forbi snitstartet og 3) i hele steady state i en pletmønstret PDMS-prøve blandet i producentens forhold på 10:1. Vi fastholdt fokus gennem hele testen og demonstrerede en-til-en overensstemmelse mellem de mekaniske og optiske data. Vi bemærker, at kvaliteten og forstørrelsen af de opnåede mikroskopbilleder afhænger af den anvendte system/målsætning/fase/programkombination.
Figur 1: CAD-billeder af den mikroskopmonterede Y-formede skæreanordning . A) Det komplette skæreapparat monteret over et omvendt mikroskop med et automatiseret XY-trin. Ikke vist er de lodrette remskiver bag systemet, hvorfra dødvægte hænges for at skabe forspændingskræfter, fpre, på prøven. B) Prøven består af et enkelt ben, "A", hvorfra to lige store ben er skåret, "B1" og "B2", for at skabe en "Y"-form med benvinkel θ. C) Prøveholderen holder prøven på plads i en åbning i mikroskopfasen. (D) Det øverste billede af de brugerdefinerbare knivclips viser, hvordan deres redesign passer til knive i forskellige højder, samtidig med at afstanden på 30,35 mm, der justerer toppen med vinkeljusteringsmekanismens omdrejningspunkt, bevares. (E) Et nærbillede fra siden af det lodrette justeringssystem, vejecellen og klingeclipsens monteringsdele. (F) Signalet fra vejecellen medieres af et forstærkningskredsløb, der bruges til at konvertere vejecellens output (0-10 mV) til dataopsamlingssystemets 0-5 V-område. (G) Dette kredsløb implementeres ved at forbinde det til strømforsyningen, vejecellen, og dataindsamlingssystemet ved hjælp af et printkort. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Fotografier af den mikroskopmonterede Y-formede skæreanordning. (A) Et fotografi af den operationelle Y-formede skæreanordning med falskfarvede områder tilføjet for at angive de vigtigste konstruktionstræk. B) Et fremadrettet billede af anordningen, der illustrerer vejecellens og prøvens midterplan omtrentlige justering og angiver det område, der skal skæres, og som ligger inden for mikroskopmålets synsfelt. (Klinge- og knivclips er ikke monteret.) (C) Eksempler på monterede knive og clips med en højde overalt på 30,35 mm. (D) En PDMS Y-formet prøve før montering med tappe og fiskeline fastgjort. Fiduciale markører er blevet tilføjet til benene "B1" og "B2" for at måle den gennemsnitlige strækning ved påføring ved forspænding. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Repræsentative in situ-skæreresultater . (A) En krafttidskurve for PDMS (10:1) ved hjælp af et ultraskarpt blad (129 nm radius), 32° benvinkel og 75 g forspænding ( = 1,04). Kurvens elastiske belastnings-, skærestart-, steady state-skærings- og aflæsningsområder er mærket. (B) Der vises røde cirkler, der svarer til de billeder, der opnås med mikroskopet. En gul cirkel er blevet tilføjet for at lette observation af speckle-mønster bevægelse. Vægtstang = 1 mm. Tidsstempler i sekunder er inkluderet i øverste venstre hjørne af hvert billede. Klik her for at se en større version af denne figur.
Supplerende kodningsfil 1. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 2. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 3. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 4. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 5. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 6. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 7. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 8. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 9. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 10. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 11. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 12. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 13. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 14. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 15. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 16. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 17. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 18. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 19. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 20. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 21. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det vandrette, Y-formede skæreapparat, der rapporteres her, muliggør in situ-billeddannelsesfunktioner sammen med forbedret brugervenlighed til denne fejlteknik. Apparatet omfatter et modulært/bærbart design til hurtig montering/afmontering fra et mikroskop og kontinuerlig, forudjusteret benvinkeljustering. Alle CAD-filer, nødvendige materialer og procedurer er inkluderet for at lette implementeringen af denne metode. I mange tilfælde (klingeholdere, prøveholder, vejecellemontering, monteringsramme) kan de 3D-printede dele let ændres til et givet materiale/blad eller en specifik vejecelle/mikroskop. Følgende tip gælder dog for alle parametre og anvendelser af dette apparat.
Den vægt, der bruges til at holde hvert ben i spænding, er afgørende for en vellykket måling. En tilstrækkelig lav vægt sikrer, at testen ikke fejler med det samme (det kan være nyttigt at anvende vægten langsomt og trinvist). Imidlertid vil belastning af benene med for lidt kraft resultere i prøvebukning, hvilket fører til, at prøven foldes under eller foran bladet i stedet for eller mens den skæres. En "tilsyneladende" skærekraft kan måles under disse forhold, men det vil ikke være materialets skærekraft.
Prøvebenene skal have en passende længde til prøveholderen og den ønskede vandring. Ben, der er for lange, løber ind i remskivesystemet, før der er lavet et langt nok snit. Benene skal være lange nok til at rumme fanerne. For prøveholderens geometri, der er rapporteret her, giver en samlet prøvelængde på 7 cm med 3 cm ben et godt udgangspunkt. Vejecellen skal kalibreres før hver brug. Abrupt bevægelse af apparatet kan medføre, at vejecellen bliver kalibreret eller endda beskadiget.
De vigtigste ændringer falder i to kategorier: tilpasning af tilgængeligt udstyr/komponenter og krav til materiale/billeddannelse. Med hensyn til den første kategori kan apparatets monteringsramme justeres til implementering på forskellige mikroskoper. Vejecellebeslaget, den lodrette justering eller armene, der understøtter det første sæt remskiver, kan alle ændres, så de passer til vejeceller af forskellig længde. Knivklemmerne skal muligvis justeres afhængigt af knivdybden, som beskrevet i trin 2.2 i protokollen. Med hensyn til den anden kategori kan prøveindehaveren ændres for at tilpasse sig den objektive arbejdsafstand eller prøvemiljøets begrænsninger. For eksempel kan der ved test af hydrerede materialer inkorporeres en petriskål eller et objektglas under prøven for at beskytte mikroskopet og opretholde hydrering.
Som med lodret Y-formet skæring gælder denne fremgangsmåde primært for bløde, rimeligt robuste faste stoffer. Stive materialer foretrækker at vride frem for at bøje udad og opretholde en plan prøve, når en Y-inducerende belastning påføres16. Når prøverne er ekstremt sprøde, kræves der lave benvinkler for at opnå et tilstrækkeligt lavt rivebidrag (Eqn. 1), hvorefter friktion kan blive et problem. Hydrerede prøver, der typisk har meget lav friktion, kan være undtagelsen for test ved så lave benvinkler. Erfaringsmæssigt undgår benvinkler >35° generelt friktionseffekter i relativt "klæbrig" silikone 7,9. Ændringer i prøvens geometri, miljø eller vingevinkel kan overvinde mange af disse barrierer med tiden. Begrænsninger i skærehastighed og kontrol varierer med det anvendte automatiserede XY-mikroskoptrin. Specifikt giver nogle trin / softwarekombinationer kun nogle få standardmuligheder for konstant hastighed. Ved højere skærehastigheder kan billedoptagelse være utilstrækkelig til at undgå sløring. Alle sådanne begrænsninger afhænger af mikroskop- og sceneproducenterne, men kan overvindes ved at anvende dette apparat på et brugerdefineret mikroskop.
Y-formet skæring letter bestemmelsen af tærskelfejlegenskaberne for bløde faste stoffer og giver indsigt i de grundlæggende fejlresponser for disse materialer under stærkt kontrollerede forhold. Med modifikationen fra apparatet, der er beskrevet her, kan disse mekaniske målinger nu kombineres med eksisterende optiske karakteriseringsteknikker såsom, men ikke begrænset til, følgende: mekanophoraktivering5, anden harmonisk generation (SHG)17 og digital billedkorrelation18. Denne kombination forventes at give nye, kvantificerbare observationer af det intime forhold mellem mikrostruktur og stresskoncentration ved blødt svigt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Vi vil gerne takke Dr. James Phillips, Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer og Amir Ostadi for deres råd om dette arbejde. Finansieringen kom fra opstartstilskuddet fra Institut for Mekanik og Ingeniørvidenskab ved University of Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid og C. Walsh modtog alle senior designkredit for deres arbejde på dette projekt.
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).
