我们介绍一种使用自制力学测试装置对亚毫米级纤维进行三点弯曲测试的方案。该装置可测量从20 µN到10 N范围内的力，因此能够适应多种纤维尺寸。
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摘要
摘要
许多承重生物结构（LBBSs）——例如羽毛羽轴和骨针——尺寸微小（<1 mm），但并非微观结构。测量这些LBBSs的弯曲行为对于理解其卓越力学功能的起源具有重要意义。
我们描述了一种使用自行搭建的力学测试装置进行三点弯曲试验的方案，该装置可测量的力范围为10-5至101 N，位移范围为10-7至10-2 m。该力学测试装置的主要优势在于其力和位移的测量能力可根据不同的承重生物结构（LBBSs）轻松调节。该装置的工作原理类似于原子力显微镜，即通过连接在悬臂末端的加载点对LBBS施加力。加载点的位移由光纤位移传感器测量，并结合测得的悬臂刚度转换为作用力。通过使用不同刚度的悬臂，可调节该装置的测力范围。
通过在海洋海绵骨骼元件上进行三点弯曲测试，展示该装置的性能 Euplectella aspergillum骨骼结构元件（称为骨针）是直径约为50 µm的二氧化硅纤维 µ微米。我们描述了校准力学测试装置、将骨针安装到跨距约为1.3毫米的三点弯曲夹具上以及进行弯曲测试的操作步骤。 ≈1.3 mm 跨距，并进行弯曲测试。测量施加在骨针上的力及其在受力位置的挠度。
引言
通过研究贝壳和骨骼等承重生物结构（LBBS）的构型，工程师们已开发出兼具高强度和高韧性的新型复合材料1。研究表明，LBBS及其仿生材料的优异力学性能与其复杂的内部构型密切相关2。然而，LBBS构型与力学性能之间的关系尚未完全阐明。测量LBBS的力学响应是理解其构型如何增强力学性能的第一步。
然而，用于测量LBBS力学响应的测试类型必须与其力学功能相一致。例如，由于羽毛必须承受空气动力学载荷，羽轴的主要功能是提供抗弯刚度 3因此，测量其力学响应时，弯曲试验比单轴拉伸试验更受青睐。事实上，许多轻质生物结构材料（LBBSs）——例如羽毛羽轴 3，草茎 4和骨针 5,6,7,8—主要通过弯曲变形。这是因为这些LBBSs较为细长—即，其长度远大于宽度或深度。然而，对这些LBBS进行弯曲测试具有挑战性，因为它们在失效前所能承受的力和位移范围为10-2 至 10....
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方案
1. 组装与校准
- 选择适合预期实验的适当刚度的悬臂梁。使用#4-40内六角圆柱头螺钉（SHCS）将加载平台（LP）固定到悬臂梁上（参见图3A）。安装加载平台时，注意避免悬臂梁臂发生塑性变形。
图3：悬臂力传感器的组装步骤及其刚度测量方法。（A）载荷点（LP）连接至悬臂（C），载荷点尖端（LPT）朝上。（B）将悬臂与LP的子组件安装至悬臂板（CP）。图中显示悬臂臂下方为悬臂板上的凹槽结构。（C）将悬臂板固定于框架底面，使（B）中所示板面朝向
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结果
任何力学试验最基本的输出结果是施加在试样上的力的大小，以及力作用位置处的位移。对于三点弯曲试验而言，目标是获得线性致动器（LPT）施加的力的大小 
，以及试样在 LPT 正下方横截面在 
方向上的位移
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讨论
该方案中有多个步骤对于确保力和位移的准确测量至关重要。其中一些关键步骤在所有三点弯曲测试中具有通用性，而另一些步骤则为此种力学测试装置所特有。
在方案的步骤 1.2中，需清洁LP镜片并检查是否有划痕；在方案的步骤 1.6中，需设置FODS增益。增益和LP镜片反射率在方案的步骤 2、步骤 4和步骤 5中必须保持恒定。因此，两次校准步骤（即方案的步骤 2和步骤 4）应在弯曲测试（方案的步骤 5）之前立即进行。
在方案的步骤 1.9和步骤 3.7中，需相对于隔振台表面调平载物台。这些步骤可确保
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究工作得到了美国国家科学基金会［材料与结构力学项目，资助号1562656］以及美国机械工程师学会［Haythornthwaite青年研究者奖］的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| TMC 36" x 48" 隔振台，配备 4" CleanTop 面板 | TMC | 63-563 | 隔振台 |
| 差分螺钉调节器 | Thorlabs | DAS110 | 用于载物台调平板 |
| 行程 1"、刻度精度 0.001" 的千分头 | Thorlabs | 150-801ME | 用于载物台调平板 |
| PT 系列平移台用直角支架，带 1/4"-20 安装孔 | Thorlabs | PT102 | 用于显微镜安装 |
| 行程 1" 的燕尾式平移台，带 1/4"-20 螺纹孔 | Thorlabs | DT25 | 用于显微镜安装 |
| 行程 1" 的平移台，带 1/4"-170 调节螺钉和 1/4"-20 螺纹孔 | Thorlabs | PT1B | 用于显微镜安装 |
| 长度 12" 的燕尾型光学导轨 | Edmund Optics | 54-401 | 用于显微镜安装 |
| 宽度 2.5" 的燕尾滑块 | Edmund Optics | 54-404 | 用于显微镜安装 |
| 宽度 0.5" 的燕尾滑块 | Edmund Optics | 54-403 | 用于显微镜安装 |
| InfiniTube 安装 C 型夹，带 ¼-20 螺纹 | Edmund Optics | 57-788 | 显微镜组件 |
| 标准型（无直连附件）InfiniTube | Edmund Optics | 56-125 | 显微镜组件 |
| 标准直连附件型（优化倍率为 2X–10X）InfiniTube | Edmund Optics | 56-126 | 显微镜组件 |
| Mitutoyo/Achrovid 物镜适配器（M26 转 M27） | Edmund Optics | 53-787 | 显微镜组件 |
| 5X 无限远校正 Achrovid 显微物镜 | Edmund Optics | 55-790 | 显微镜组件 |
| 内径 0.316" 的光纤适配器 SX-6 | Edmund Optics | 38-944 | 显微镜组件 |
| ¼" x 36" 柔性光纤导光管 | Edmund Optics | 42-347 | 显微镜组件 |
| 115V，MI-150 光纤光源，带红外滤光片和支架 | Edmund Optics | 55-718 | 显微镜组件 |
| Allied Vision Manta G-223 2/3" 彩色 CMOS 相机 | Edmund Optics | 88-452 | 显微镜组件 |
| Manta/Guppy Pro/Stingray/Pike 相机电源 | Edmund Optics | 68-586 | 显微镜组件 |
| 行程 1/4" 的单轴平移台 | Thorlabs | MS1S | FODS 千分头 |
| 模拟反射式光纤位移传感器 | Philtec | D20 | FODS |
| 30V，3A 直流电源 | Agilent | U8001A | 用于 DAQ 和 FODS 的电源 |
| 14 位、48 kS/s 低成本多功能数据采集设备（DAQ） | National Instruments | USB-6009 | FODS 用 DAQ |
| 三轴电动平移台 | Thorlabs | Thorlabs T25 XYZ-E/M | 平移台 |
| T-Cube 直流伺服电机控制器 | Thorlabs | TDC001 | 平移台电机控制器 |
| T-Cube 电源 | Thorlabs | TPS001 | 电机控制器电源 |
| National Instruments LabVIEW（2013 SP1） | National Instruments | 用于运行软件 | |
| National Instruments LabVIEW 视觉采集软件（2016） | National Instruments | 用于运行软件 | |
| Nikon Eclipse Ci-POL 主机 | MVI | MDA96000 | 偏光显微镜 |
| 带检偏器滑块的 Nikon Pi 中间镜筒 | MVI | MDB45305 | 偏光显微镜 |
| Nikon 透射式偏振片 | MVI | MDN11920 | 偏光显微镜 |
| 电源线 - 7'6" | MVI | 79035 | 偏光显微镜 |
| Nikon P-Amh 机械载物台 | MVI | MDC45000 | 偏光显微镜 |
| Nikon Lwd 消色差聚光镜 | MVI | MBL16100 | 偏光显微镜 |
| Nikon LV-NBD5BD-CH 手动五孔物镜转盘（防静电） | MVI | MBP60125 | 偏光显微镜 |
| Nikon C-TF 三目镜筒 F 型 | MVI | MBB93100 | 偏光显微镜 |
| Nikon CFI 10X 目镜，视场数 22mm，NC | MVI | MAK10110 | 偏光显微镜 |
| Nikon TU Plan Fluor BD 10x 物镜 | MVI | MUE42100 | 偏光显微镜 |
| 维纳斯花篮海绵 | Denis Brand | N/A | 海绵骨针 |
| 3.5X 头戴式翻转放大镜 | McMaster Carr | 1490T5 | 用于骨针切片 |
| Ø1" 硅片，P 型 / <100> 晶向 | Ted Pella | 16011 | 用于加载点反射镜 |
| 低尘絮锥形棉签 | McMaster Carr | 71035T31 | 用于清洁加载点反射镜 |
| 带橡胶握柄的精密刀具 | McMaster Carr | 35575A68 | 用于骨针切片 |
| 载玻片，磨砂端，75 x 25 x 1mm | Ted Pella | 260409 | 用于骨针切片 |
| 貂毛画笔，#00000，宽度 0.08mm，长度 4.0mm | Ted Pella | 11806 | 用于操作骨针 |
| PELCO Pro 高精度镊子，超细尖端，精加工表面 | Ted Pella | 5367-5NM | 用于操作骨针 |
| 双轴线性刻度千分尺 | Edmund Optics | 58-608 | 用于显微镜校准 |
| FLEX-A-TOP FT-38 CAS | ESD Plastic Containers | FT-38-CAS | 用于储存骨针 |
| 塑料小瓶式气泡水平仪 | McMaster Carr | 2147A11 | 用于载物台调平 |
| 分析天平 | Mettler Toledo | MS105DU | 用于质量校准砝码 |
参考文献
- Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
- Meyers, M. A., McKittrick, J., Chen, P. Y. Structural biological materials: critical mechanics-materials connections. Science. 339 (6121), 773-779 (2013).
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