Ein Millimeter Skala Biege-Prüfsystem zur Messung der mechanischen Eigenschaften von marinen Schwamm Knochensplitter

Summary

Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche auf Sub-Millimeter Skala Fasern mit einer speziell angefertigten mechanische Prüfeinrichtung. Das Gerät kann Kräfte von 20 µN bis zu 10 N bis hin zu messen und kann daher eine Vielzahl von Faser Größen unterbringen.

Abstract

Viele Laden mit biologischen Strukturen (LBBSs) — wie Feder Rachises und Knochensplitter — sind klein (< 1 mm) aber nicht mikroskopisch. Messung der Biegefestigkeit Verhaltens dieser LBBSs ist wichtig für das Verständnis der Ursprünge ihrer bemerkenswerten mechanischen Funktionen.

Wir beschreiben ein Protokoll für die Durchführung von drei-Punkt-Biegeversuche mit einer Custom-Built mechanische Prüfeinrichtung, die messen können Kräfte von 10^-5 bis 10¹ N und Verschiebungen von 10^-7 bis 10^-2 m. Der Hauptvorteil dieser mechanischen Prüfgerät ist, dass die Gewalt und Vertreibung Kapazitäten für unterschiedliche LBBSs leicht angepasst werden können. Das Gerät Funktionsprinzip ist ähnlich wie ein Rasterkraftmikroskop. Kraft ist nämlich auf die LBBS durch einen Lastpunkt angewendet, bis zum Ende des Freischwinger angefügt ist. Die Last Punkt Vertreibung ist ein Faser-optischen Wegsensor gemessen und umgewandelt in eine Kraft mit der gemessenen Cantilever-Steifigkeit. Das Gerät Kraftbereich einstellbar mit Kragarmen der verschiedenen Steifigkeiten.

Die Gerätefunktionen werden demonstriert, indem die drei-Punkt-Biegeversuche auf das Skelett Elemente des marinen Schwammes Euplectella Aspergillus. Die skelettartigen Elementen – bekannt als Knochensplitter — sind Kieselsäure-Fasern, die ca. 50 µm im Durchmesser sind. Wir beschreiben die Verfahren für die Kalibrierung der mechanischen Messgerät, Montage der Knochensplitter auf eine Dreipunkt-Biege Vorrichtung mit einer ≈1.3 mm Spannweite, und testen Sie ausführen, eine Biegung. Die Krafteinwirkung auf das Spicule und die Durchbiegung am Standort der angewandten Kraft gemessen werden.

Introduction

Durch das Studium der Architekturen von Tragkonstruktionen biologische (LBBSs), wie Shell und Knochen, haben Ingenieure neue composite-Materialien entwickelt, die stark und zäh ¹sind. Es hat sich gezeigt, dass die bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von LBBSs und ihre Kollegen bioinspirierte mit ihrer komplizierten internen Architekturen ²zusammenhängen. Die Beziehungen zwischen LBBS Architekturen und mechanischen Eigenschaften sind jedoch nicht vollständig geklärt. Ein LBBS mechanische Reaktion gemessen, ist der erste Schritt zum Verständnis, wie die Architektur seiner mechanischen Eigenschaften verbessert.

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Protocol

1. Montage und Ausrichtung

1. Wählen Sie ein Freischwinger, deren Steifigkeit eignet sich für das beabsichtigte Experiment. Legen Sie die LP auf der Cantilever Schrauben #4-40 Socket Head Cap (SHCSs) (siehe Abbildung 3). Achten Sie darauf, nicht plastisch verformen die Cantilever-Arme bei der Befestigung der LP.

Abbildung 3: Verfahren für die Montage der Cantilever force Sensor und Messung seine Steifigkeit. (....

Results

Die grundlegendsten Ausgänge des mechanischen Tests sind die Größe der Kraft auf die Probe und die Verschiebung an der Stelle, wo die Kraft angewendet wird. Im Falle einer drei-Punkt-Biegeversuch, Ziel ist es, das Ausmaß der Kraft durch die LPT, erhalten , und die Verschiebung der Querschnitt der Probe unter der LPT in der Richtung,

Discussion

Mehrere Schritte des Protokolls sind besonders wichtig, um sicherzustellen, dass Kräfte und Verschiebungen genau gemessen werden. Während einige dieser kritischen Schritte universell für alle drei-Punkt-Biegeversuche, sind andere einzigartig für diese mechanische Prüfeinrichtung.

In Schritt 1.2 des Protokolls der LP-Spiegel ist gereinigt und überprüft auf Kratzer und im Schritt 1.6 des Protokolls ist die FODS Verstärkung eingestellt. Es ist wichtig für die Ver.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
TMC 36" x 48" Isolationstisch mit 4" CleanTop Steckplatine	TMC	63-563	Isolationstisch
Diffeential Screw Adjuster	Thorlabs	DAS110	Für Tisch-Nivellierplatte
1" Fahr-Mikrometerkopf mit 0,001" Graduierung	Thorlabs	150-801ME	Für Tisch-Nivellierplatte
Rechtwinklige Halterung für PT-Serie Verschiebetische, 1/4"- 20 Befestigungslöcher	Thorlabs	PT102	Für Mikroskophalterung
1" Schwalbenschwanz-Translationstisch, 1/4"-20 Gewindebohrer	Thorlabs	DT25	Für Mikroskophalterung
1" Translationstisch mit 1/4"-170 Einstellschraube, 1/4"-20 Gewindebohrer	Thorlabs	PT1B	Für Mikroskophalterung
12" Länge, Schwalbenschwanz Optische Schiene	Edmund Optics	54-401	Für Mikroskophalterung
2,5" Breite, Schwalbenschwanzträger	Edmund Optics	54-404	Für Mikroskophalterung
0,5" Breite, Schwalbenschwanzträger	Edmund Optics	54-403	Für Mikroskophalterung
InfiniTube Halterung C-Klemme mit ¼-20	Edmund Optics	57-788	Mikroskopkomponente
Standard (ohne In-Line Attachment), InfiniTube	Edmund Optics	56-125	Mikroskopkomponente
Standard-Inline-Aufsatz (optimiert bei 2X-10X), InfiniTube	Edmund Optics	56-126	Mikroskopkomponente
Mitutoyo/Achrovid Objektivadapter (M26 auf M27)	Edmund Optics	53-787	Mikroskopkomponente
5X Infinity Achrovid Mikroskop Objektiv	Edmund Optics	55-790	Mikroskopkomponente
0,316" ID, Faseroptik-Adapter SX-6	Edmund Optics	38-944	Mikroskop-Komponente
¼ " x 36", flexibler faseroptischer Lichtleiter	Edmund Optics	42-347	Mikroskopkomponente
115V, MI-150 faseroptische Beleuchtung mit IR-Filter und Halterung	Edmund Optics	55-718	Mikroskopkomponente
Allied Vision Manta G-223 2/3" Farb-CMOS-Kamera	Edmund Optics	88-452	Mikroskopkomponente
Netzteil für Manta / Guppy Pro / Stingray / Pike	Edmund Optik	68-586	Mikroskopkomponente
1/4" Verfahrweg Einachsiger Translationstisch	Thorlabs	MS1S	FODS-Mikrometer
Analog reflexionsabhängig Faseroptischer Wegmesssensor	Philtec	D20	FODS
30V, 3A DC Netzteil	Agilent	U8001A	Netzteil für Datenerfassung und FODS
14-Bit, 48 kS/s Kostengünstiges Multifunktions-Datenmessgerät	National Instruments	USB-6009	Datenerfassung für FODS
Dreiachsiger motorisierter Translationstisch	Thorlabs	Thorlabs T25 XYZ-E/M	Translationstisch
T-Cube DC Servomotor Controller	Thorlabs	TDC001	Motorcontroller für Tisch
T-Cube Netzteil	Thorlabs	TPS001	Netzteil für Motorcontroller
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)	National Instruments	Zum Ausführen von Software
			Zum Ausführen von Software
Nikon Eclipse Ci-POL Main Body	MVI	MDA96000	Polarisationslichtmikroskop
Nikon Pi Zwischenrohr mit Analyzer Slider	MVI	MDB45305	Polarisationslichtmikroskop
Nikon Dia-Polarizer	MVI	MDN11920	Polarisationsmikroskop
Netzkabel - 7'6"	MVI	79035	Polarisationsmikroskop
Nikon P-Amh Mechanischer Tisch	MVI	MDC45000	Polarisationslichtmikroskop
Nikon Lwd Achromat Kondensor	MVI	MBL16100	Polarisationsmikroskop
Nikon LV-NBD5BD-CH Manueller Quint Objektivrevolver ESD	MVI	MBP60125	Polarisationslichtmikroskop
Nikon C-TF Trinokulartubus F	MVI	MBB93100	Polarisationslichtmikroskop
Nikon CFI 10X Okular FN 22mm NC	MVI	MAK10110	Polarisationslichtmikroskop
Nikon TU Plan Flour BD 10x Objektiv	MVI	MUE42100	Polarisationslichtmikroskop
Venus Flower Basket Sponge	Denis Marke	N/A	Schwamm Skelett
3,5X Stirnband Klapplupe	McMaster Carr	1490T5	Verwendet für Spikulenschnitte
& Oslash; 1" Siliziumwafer, Typ P / < 100>	Ted Pella	16011	Wird für Lastpunktspiegel verwendet
Fuss Tapered Tip Wattestäbchen	McMaster Carr	71035T31	Wird zum Reinigen von LP-Spiegeln verwendet
Präzisionsmesser mit Gummigriff	McMaster Carr	35575A68	Wird zum Schneiden von Nadeln
Mikroskop-Objektträger, mattiertes Ende, 75 x 25 x 1 mm	Ted Pella	260409	Wird zum Schneiden von Nadeln
verwendetZobelbürsten, #00000, 0,08 mm B x 4,0 mm L	Ted Pella	11806	Wird für die Handhabung von Spikulen
verwendet PELCO Pro Hochpräzise Pinzette, extra feine Spitzen, hervorragendes Finish	Ted Pella	5367-5NM	Wird für die Handhabung von Spikulen verwendet Dual-Axis
Linear Scale Mikrometer	Edmund Optics	58-608	Wird für die Kalibrierung der Mikroskope
verwendet FLEX-A-TOP FT-38 CAS	ESD-Kunststoffbehälter	FT-38-CAS	Wird zur Aufbewahrung von Spikulen verwendet
Kunststofffläschchen Bullseye Level	McMaster Carr	2147A11	Wird zum Nivellieren des Tisches
verwendet Analysenwaage	Mettler Toledo	MS105DU	Wird zur Massenkalibrierung von Gewichten