Method Article

测量海洋海绵针力学性能的毫米尺度弯曲试验系统

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们提出了一个协议, 执行三点弯曲试验的毫米规模纤维使用 custom-built 机械测试装置。该装置可以测量的力量范围从20µN 到 10 N, 因此可以容纳各种纤维大小。

Abstract

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许多承重生物结构 (LBBSs)-例如羽毛轴和针-是小 (和 #60; 1 毫米), 但不是微观的。测量这些 LBBSs 的弯曲行为对于了解其显著的机械功能的起源是非常重要的。

我们描述一个执行三点弯曲试验的协议, 使用 custom-built 的机械测试装置, 它可以测量从 10-5到 101 N 的力, 以及从 10-7到 10-2 m 不等的位移.该机械试验装置的主要优点是可以方便地调整不同 LBBSs 的力和位移能力。该装置的工作原理类似于原子力显微镜。即, 力是应用到 LBBS 的负载点, 附加到一个悬臂的一端。用光纤位移传感器测量负载点位移, 并利用实测悬臂刚度将其转换为力。该装置的受力范围可通过使用不同刚度的悬臂来调节。

通过对海洋海绵Euplectella 蚯蚓的骨架元素执行三点弯曲试验, 演示了该设备的功能。骨骼元素--称为针--是直径约50µm 的二氧化硅纤维。我们描述了校准机械测试装置的程序, 在一个≈1.3 mm 跨度的三点弯曲夹具上安装针, 并执行弯曲试验。测量了施加于骨针的力及其在施加力位置的挠度。

Introduction

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通过研究承重生物结构 (LBBSs) (如壳体和骨骼) 的结构, 工程师们开发出了强而韧的新型复合材料 ( 1)。结果表明, LBBSs 的优异力学性能及其与生物激发的对应关系与它们错综复杂的内部结构2有关。然而, LBBS 体系结构和机械性能之间的关系还没有得到充分的了解。测量 LBBS 的机械响应是了解其结构如何增强其机械性能的第一步。

然而, 重要的是, 用于测量 LBBS 的机械响应的测试类型与它的机械性能是一致的。例如, 由于羽毛必须支持空气动力载荷, 羽毛轴的主要功能是提供弯曲刚度3。因此, 弯曲试验是首选的单轴拉伸试验, 以测量其机械响应。事实上, 许多 LBBSs-如羽毛轴3、草茎4、针5、6、7、8--主要是由弯曲引起的变形。这是因为这些 LBBSs 是细长的-即, 它们的长度比它们的宽度或深度大得多。但是, 对这些 LBBSs 执行弯曲测试是有挑战性....

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Protocol

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1. 程序集和对齐

  1. 选择一个悬臂, 其刚度适合于预期的实验。使用 #4-40 插槽头帽螺钉 (SHCSs) 将 LP 连接到悬臂上 (请参见 图 3 A )。在连接 LP 时, 注意不要塑性变形变形悬臂.

figure-protocol-1
图 3: 装配悬臂式力传感器的程序和测量它的刚度. ( A ) 将负载点 (LP) 连接到悬臂 (C) 上, 并将负载点尖 (LPT) 向上指向。( B ) 悬臂和 LP 组件连接到悬臂板上, 表示为 CP。悬臂板的凹口袋显示在悬臂式臂下面。( C ) 将悬臂板连接到框架的下侧, 以便显示在 ( B ) 中的板的侧面朝向

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Results

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任何机械试验的最基本的输出是对试样施加的力的大小和在施加力的位置的位移。在三点弯曲试验的情况下, 目标是获取由 lpt、和在方向中的 lpt 下的试样截面位移所应用的力的大小. figure-results-1 figure-results-2 figure-results-3 但是, 对于此处描述的机械测试设备, 必须执行几个后续步骤, 才能将从协议步骤2、4和5中获得的输出数据转换为所需的-数据. figure-results-4

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Discussion

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该协议的几个步骤对于确保精确测量力和位移尤为重要。虽然这些关键步骤中的一些是通用的所有三点弯曲试验, 其他是唯一的这种机械测试装置。

在协议的步骤 1.2中, 将对 LP 镜像进行清理并检查是否有划痕, 并在协议的步骤 1.6中设置 FODS 增益。对于步骤 2、 4和协议的5 , 增益和 LP 镜像的反射率是常量非常重要的。因此, 应在弯曲测试 (步骤 5 ) 之前立即执行两个校准步骤 (协议的步骤 2和4 )。

在协议的步骤 1.9和3.7中, 该阶段相对于隔离表的表面进行调配。这些步骤确保是垂直于骨针的纵向轴的力分量.

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Disclosures

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作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这项工作得到了国家科学基金会的支持 [材料和结构的力学方案, 赠款编号 1562656];和美国机械工程师学会 [Haythornthwaite 青年研究员奖]。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
TMC 36" x 48" 隔离台，带 4" CleanTop 面包板TMC63-563隔离台
差动螺丝调节器ThorlabsDAS110用于载物台调平板
1" 行程千分尺头，带 0.001" 刻度Thorlabs150-801ME用于载物台调平板
PT 系列平移载物台的直角支架，1/4"-20个安装孔ThorlabsPT102用于显微镜安装
1"燕尾平移台，1/4"-20 水龙头ThorlabsDT25用于显微镜安装
1"平移台，带 1/4"-170 调节螺钉，1/4"-20 水龙头ThorlabsPT1B用于显微镜安装
12"长度，燕尾光学导轨Edmund Optics54-401用于显微镜安装座
2.5" 宽，燕尾榫支架Edmund Optics54-404用于显微镜安装
0.5" 宽，燕尾榫支架Edmund Optics54-403用于显微镜安装
InfiniTube 安装C型夹，带¼-20Edmund Optics57-788显微镜组件
标准（无在线附件），InfiniTubeEdmund Optics56-125显微镜组件
标准在线附件（优化为 2X-10X），InfiniTubeEdmund Optics56-126显微镜组件
Mitutoyo/Achrovid 物镜适配器（M26 至 M27）Edmund Optics53-787显微镜组件
5X Infinity Achrovid 显微镜物镜Edmund Optics55-790显微镜组件
0.316" 内径，光纤适配器 SX-6Edmund Optics38-944显微镜组件
¼" x 36"，柔性光纤光导Edmund Optics42-347显微镜组件
115V，MI-150 光纤照明器，带红外滤光片和支架Edmund Optics55-718显微镜组件
Allied Vision Manta G-223 2/3" 彩色 CMOS 相机Edmund Optics88-452显微镜组件
Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics 的电源68-586显微镜组件
1/4" 行程 单轴平移台ThorlabsMS1SFODS 千分尺
模拟反射依赖性光纤位移传感器PhiltecD20FODS
30V， 3A 直流电源AgilentU8001ADAQ 和 FODS
的电源 14 位， 48 kS/s 低成本 多功能 DAQ国家仪器FODSUSB-6009
三轴电动平移平台Thorlabs ThorlabsT25 XYZ-E/M平移平台
T-Cube 直流伺服电机控制器ThorlabsTDC001用于平台的电机控制器
T-Cube 电源ThorlabsTPS001电机控制器电源
National Instruments LabVIEW （2013 SP1）国家仪器用于 运行 软件
国家仪器 LabVIEW 视觉 采集 软件 （2016）NationalInstrumentsUsed for running software
Nikon Eclipse Ci-POL Main BodyMVIMDA96000Polarized light microscope
Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer SliderMVIMDB45305Polarized light microscope
尼康 导散偏光镜MVIMDN11920偏光显微镜
电源线 - 7'6"MVI79035偏光显微镜
尼康 P-AMH 机械载物台MVIMDC45000偏光显微镜
尼康 Lwd 消色差聚光镜MVIMBL16100偏光显微镜
尼康 LV-NBD5BD-CH 手动 Quint 物镜转盘 ESDMVIMBP60125偏光显微镜
尼康 C-TF 三目镜筒 FMVIMBB93100偏光显微镜
尼康 CFI 10X 目镜 FN 22mm NCMVIMAK10110偏光显微镜
尼康 TU Plan Flour BD 10x 物镜MVIMUE42100偏光显微镜
维纳斯花篮海绵Denis BrandN/A海绵骨架
3.5X 头带翻转式放大镜McMaster Carr1490T5用于针状切片
Ø1" 硅片，P / < 型100>Ted Pella16011用于装载点镜子
低绒毛锥形尖端棉签McMaster Carr71035T31用于清洁LP镜
橡胶握把精密刀McMaster Carr35575A68用于切片针
显微镜载玻片，磨砂端，75 x 25 x 1mmTed Pella260409用于切片针状物
貂皮刷，#00000,0.08毫米宽 x 4.0毫米长Ted Pella11806用于处理针状
PELCO Pro 高精度镊子，超细尖端，卓越的光洁度Ted Pella5367-5NM用于处理针
双轴线性刻度千分尺Edmund Optics58-608用于校准显微镜
FLEX-A-TOP FT-38 CASESD 塑料容器FT-38-CAS用于储存针状
塑料样品瓶 靶心水平仪McMaster Carr2147A11用于调平载物台
分析天平梅特勒-托利多MS105DU用于质量校准砝码
座 用于 仪表 用于的 DAQ状物 物 状物 物

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., Ritchie, R. O. Bioinspired structural materials. Nat. Mater. 14 (1), 23-36 (2015).
  2. 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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