Method Article

执行显微镜安装的Y形切割测试

DOI:

10.3791/64546

⸱

January 20th, 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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Y形切割测量软材料中与断裂相关的长度尺度和能量。以前的设备是为台式测量而设计的。该协议描述了一种设备的制造和使用，该设备水平定向设置，并通过光学显微镜提供原位观察以及故障量化所需的精细定位能力。

Abstract

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Y形切割最近被证明是一种很有前途的方法，通过该方法可以了解材料的阈值长度尺度和失效能量，以及存在过量变形能量时的失效响应。这些研究中使用的实验装置是垂直定向的，需要繁琐的步骤来调整Y形腿之间的角度。垂直方向禁止在标准光学显微镜中进行可视化。该协议提出了一个Y形切割装置，该设备水平安装在现有的倒置显微镜载物台上，可以在三维（X-Y-Z）中进行调整以落在物镜的视野内，并允许轻松修改腿之间的角度。后两个功能是这种实验技术的新功能。所提出的设备测量切削力的精度在1 mN以内。在测试该技术的参考材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）时，测量的切削能量为132.96 J/m 2（32°腿角，75 g预紧力），发现其误差在先前垂直设置下的测量误差范围内（132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2）。该方法适用于软合成材料、组织或生物膜，并可能为它们在失效期间的行为提供新的见解。这项工作中的零件列表、CAD 文件和详细说明为轻松实施这一强大技术提供了路线图。

Introduction

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非线性连续介质力学提供了一个关键的镜头，通过它来理解导致软固体失效的能量集中1。然而，准确预测这种破坏还需要描述有助于在裂纹尖端2，3处产生新表面的微观结构特征。处理此类描述的一种方法是在失效4，5期间对裂纹尖端进行原位可视化。然而，在典型的远场断裂测试中，裂纹钝化使得通过展开高度变形的材料（可能超出显微镜的视场6）来获取原位数据具有挑战性。Y形切割为微观结构可视化提供了一种独特的替代方案，因为它将大变形区域集中在刀片7的尖端。此外，我们小组以前的工作表明，这种独特的实验方法可以深入了解远场撕裂和接触介导的加载条件之间的失效响应差异7。

这里介绍的设备中使用的Y形切割方法在几十年前首次被描述为天然橡胶的切割方法8。该方法包括通过预加载的Y形试件推切固定刀片。在"Y"的交点处是裂纹尖端，它是在测试之前通过将矩形的一部分分成两个相等的"腿"来创建的（图

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Protocol

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1. 可改装和易损件的调整和制造

  1. 使用激光切割机或 3D 打印机制造适合样品腿 B1 和 B2 宽度的一次性 ABS 或亚克力片（1.5 cm x 7 cm x 3 mm 样品为 7.5 mm x 7.5 mm）（图 1B 和 图 2D）。每个测试需要两个选项卡，每个腿一个。
  2. 剃须刀片夹
    注意:所需剃须刀片夹的确切尺寸取决于所用剃须刀片的深度。
    1. 修改 CAD 设计（参见材料表）文件刀片剪辑。SLDPRT（补充编码文件 1），通过改变夹子底座的宽度，使从所选剃须刀片的尖端到夹子背面的距离为 30.35 毫米（图 1D）。这种调整使刀片的尖端直接位于用于调整腿之间角度的角度调整机构（图1A和图2A）的枢轴点（图1E）下方。
      注意: 该设备可以容纳深度为 8-20 毫米的刀片。
    2. 使用精细设置，3D打印剃须刀片夹（图1D）。由于 3D 打印....

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Results

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步骤 4 和步骤 6 中使用的参数与步骤 6 和步骤 9 中收集的数据相结合，产生样品的切削能量。根据公式1，切削能量的测定需要以下参数:样品厚度t、预紧力、fpre以及支腿与切削轴之间的角度θ。还需要以下数据:切削力、f切口和平均腿部应变。 figure-results-1前者来自通过计算机代码收集的强制时间数据。来自典型测试的力-时间数据（图3A）显示了高初始力，这是切割起始通常需要的，然后是恒定的力，表明稳态切割。切削力f切割是该稳态状态9内力的最大值。腿部的平均应变 由

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Discussion

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

这里报道的水平Y形切割设备可实现 原位 成像功能，并提高了这种故障技术的易用性。该设备包括模块化/便携式设计，用于从显微镜上快速安装/拆卸，并连续、预先对齐的支腿角度调整。所有CAD文件，所需材料和程序都包括在内，以促进此方法的实施。在许多情况下（刀片支架、样品支架、称重传感器支架、安装框架），3D打印部件可以很容易地针对给定的材料/刀片或特定的称重传感器/显微镜进行修改。但是，以下提示适用于该设备的所有参数和用法。

用于保持每条腿张力的重量对于成功测量至关重要。足够低的重量可确保测试不会立即失败（缓慢和增量地施加重量可能会有所帮助）。然而，用力过小加载支腿会导致样品屈曲，导致样品折叠在刀片下方或前面，而不是在切割时折叠。在这些条件下可以测量"表观"切削力，但它不会是材料的切削力。

样品支腿的长度必须适合样品架和所需的行程。太长的腿会在足够长的切割之前进入滑轮系统。支腿必须足够长以容纳标签。对于此处报告的样品架几何形状，总样品长度为 7 cm 且支腿为 3 cm 提供了一个很好的起点。称重传感器应在每次使用.......

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Disclosures

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

作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

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

我们要感谢James Phillips博士，Amy Wagoner-Johnson博士，Alexandra Spitzer和Amir Ostadi对这项工作的建议。资金来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程系提供的启动补助金。M. Guerena，J. C. Peng，M. Schmid和C. Walsh都因其在该项目上的工作而获得了高级设计荣誉。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
购买零件
1" OD 滑轮McMaster Carr3434T75钢丝绳滑轮（较大）
100 g 微型称重传感器RobotShopRB-Phi-203
1K 电阻器Digi-KeyCMF1.00KFGCT-ND1 kOhms &1% 1 W 通孔电阻器 轴向阻燃涂层，防潮，安全金属膜
1M 电阻器Digi-KeyRNF14FAD1M001 MOhms &1% 0.25 W，1/4 W 通孔电阻器 轴向阻燃涂层，安全金属膜
3/8" 外径滑轮McMaster Carr3434T31钢丝绳滑轮
4" 透明量角器，带易读标记S&S WorldwideLR3023
面包板ECEBN/A
IC 运算放大器 零漂移 2 CIRC 8DIPDigi-KeyLTC1051CN8#PBF-ND
M2 x 0.4 mm 螺母McMaster Carr90592A075钢制六角螺母
M2 x 0.4 mm x 25 mmMcMaster Carr91292A03218-8 不锈钢内六角螺钉
M2 x 0.4 mm x 8 mmMcMaster Carr91292A83218-8 不锈钢内六角头螺钉
M3 x 0.5 mm x 15 mmMcMaster Carr91290A572黑色氧化物合金钢内六
M3 x 0.5 mm x 16 mmMcMaster Carr91294A134黑色氧化物合金钢六角驱动平头螺钉
M3 x 0.5 mm，4 mm 高McMaster Carr90576A102中等强度钢尼龙插入锁紧螺母
M4 x 0.7 mm 螺母McMaster Carr90592A090钢六角螺母
M4 x 0.7 mm x 15 mmMcMaster Carr91290A306黑色氧化物合金钢内六角头螺钉
M4 x 0.7 mm x 16 mmMcMaster Carr91294A194黑色氧化物合金钢六角驱动平头螺钉
M4 x 0.7 mm x 18 mmMcMaster Carr91290A164黑色氧化物合金钢内六角头螺钉
M4 x 0.7 mm x 20 mmMcMaster Carr91290A168黑色氧化物合金钢内六角螺钉
M4 x 0.7 毫米 x 20 毫米麦克马斯特卡尔92581A270斯特尔凸起滚花头拇指螺钉
M4 x 0.7 毫米 x 30 毫米麦克马斯特卡尔91290A172黑色氧化物合金钢内六角螺钉
M4 x 0.7 毫米 x 50 毫米麦克马斯特卡尔91290A193黑色氧化物合金钢内六头螺钉
M4 x 0.7 毫米， 5 mm 高McMaster Carr94645A101高强度钢尼龙嵌片锁紧螺母
M5 x 0.8 mm 螺母McMaster Carr90592A095钢六角螺母
M5 x 0.8 mm x 16 mmMcMaster Carr91310A123高强度 10.9 级钢六角头螺钉
M5 x 0.8 mm x 35 mmMcMaster Carr91290A195黑色氧化物合金钢内六角螺钉
M5 x 0.8 mm，13 mm 头直径McMaster Carr96445A360法兰滚花头拇指螺母
M5 x 0.8 mm，5 mm 高McMaster Carr90576A104中等强度钢 尼龙嵌件锁紧螺母
SolidworksDassault SystemesCAD 软件
接线套件ECEBN/A
XYZ 轴手动精密线性平台 60 毫米 x 60 毫米 修边 轴承调整平台 滑台光学焦点N/A
制作零件
角度调整系统- 手臂3D 打印solidworks：arms_arm_single。SLDPRT
数量：2
设置：快速/0.2 mm层高
角度调整系统 - 手臂固定3D打印solidworks：arms_stationary。SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
角度调整系统 - 链接3D 打印solidworks：arms_arm_link。SLDPRT
数量：2
设置：快速/0.2 毫米层高
角度调整系统 - 滑块3D 打印实体：arms_slider。SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
角度调整系统 - 垫片3D 打印固体：arms_front_spacer。SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
夹子- 刀片夹3D 打印固体：刀片夹。SLDPRT
数量：1
设置：精细/0.1 毫米层高
夹子- 刀片夹安装3D 打印实体：刀片夹安装。SLDPRT
数量：1
设置：精细/0.1 毫米层高
框架臂3D 打印实体：框架臂。SLDPRT
数量：2
设置：快速/0.2 mm 层高
安装平台激光切割亚克力solidworks：安装平台。SLDPRT
数量：1
个滑轮臂（左）3D 打印实体：滑轮 arm_Mirror.SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
滑轮臂（右）3D 打印实体：滑轮臂。SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
样品架和标签 - 夹具3D 打印实体：Clamp.SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
样品架和标签 - 样品架3D 打印实体：样品架。SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
样品架和标签 - Tab3D 打印实体：Tab.SLDPRT
数量：每次测试 2 个
设置：精细/0.1 毫米层高，无边缘
垂直调节系统 - 内滑轨3D 打印solidworks：内滑轨。SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 毫米层高
垂直调整系统 - 外滑轨3D 打印立体：外滑轨。SLDPRT
数量：1
设置：快速/0.2 mm 层高
角螺钉

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Slootman, J., et al. Quantifying rate-and temperatu....

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