Summary
Y-formad skärning mäter frakturrelevanta längdskalor och energier i mjuka material. Tidigare apparater konstruerades för bänkmätningar. Detta protokoll beskriver tillverkningen och användningen av en apparat som orienterar installationen horisontellt och ger de fina positioneringsmöjligheter som är nödvändiga för in situ-visning , plus felkvantifiering, via ett optiskt mikroskop.
Abstract
Y-formad skärning har nyligen visat sig vara en lovande metod för att förstå tröskellängdskalan och felenergin hos ett material, liksom dess felrespons i närvaro av överskott av deformationsenergi. Den experimentella apparaten som användes i dessa studier var vertikalt orienterad och krävde besvärliga steg för att justera vinkeln mellan de Y-formade benen. Den vertikala orienteringen förbjuder visualisering i vanliga optiska mikroskop. Detta protokoll presenterar en Y-formad skärapparat som monteras horisontellt över ett befintligt inverterat mikroskopsteg, kan justeras i tre dimensioner (X-Y-Z) för att falla inom objektivets synfält och möjliggör enkel modifiering av vinkeln mellan benen. De två senare funktionerna är nya för denna experimentella teknik. Den presenterade apparaten mäter skärkraften inom 1 mN noggrannhet. Vid testning av polydimetylsiloxan (PDMS), referensmaterialet för denna teknik, uppmättes en skärenergi på 132,96 J/m2 (32° benvinkel, 75 g förspänning) och befanns ligga inom felet i tidigare mätningar gjorda med en vertikal uppställning (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2). Tillvägagångssättet gäller mjuka syntetiska material, vävnader eller biomembran och kan ge nya insikter om deras beteende under fel. Listan över delar, CAD-filer och detaljerade instruktioner i detta arbete ger en färdplan för enkel implementering av denna kraftfulla teknik.
Introduction
Icke-linjär kontinuummekanik har tillhandahållit en kritisk lins genom vilken man kan förstå koncentrationen av energi som leder till misslyckande i mjuka fasta ämnen1. Den exakta förutsägelsen av detta fel kräver emellertid också beskrivningar av de mikrostrukturella egenskaper som bidrar till att nya ytor skapas vid sprickspetsen 2,3. En metod för att närma sig sådana beskrivningar är genom in situ-visualisering av sprickspetsen vid fel 4,5. Emellertid gör sprickavtrubbning i typiska frakturtester på långt håll insamlingen av in situ-data utmanande genom att sprida ut det mycket deformerade materialet, potentiellt utanför mikroskopets synfält6. Y-formad skärning erbjuder ett unikt alternativ för mikrostrukturell visualisering eftersom den koncentrerar området med stor deformation vid spetsen av ett blad7. Dessutom visar tidigare arbete från vår grupp att detta unika experimentella tillvägagångssätt kan ge insikt i skillnaderna i felrespons mellan fjärrfältsrivning och kontaktmedierade belastningsförhållanden7.
Den Y-formade skärmetoden som används i apparaten som presenteras här beskrevs först för årtionden sedan som en skärmetod för naturgummi8. Metoden består av ett fast blad som skjuter genom ett förladdat Y-format provstycke. Vid skärningspunkten mellan "Y" är sprickspetsen, som skapas före testning genom att dela en del av en rektangulär bit i två lika "ben" (figur 1B och figur 2D). De främsta fördelarna med denna skärmetod inkluderar minskningen av friktionsbidrag till den uppmätta skärenergin, den variabla bladgeometrin (dvs. begränsning av sprickspetsgeometrin), kontrollen av felhastigheten (via provförskjutningshastigheten) och den separata inställningen av skärningen, C och rivning, T, energibidrag till den totala energin G-skärning (dvs. ändra felenergin över en skärtröskel)8. De senare bidragen uttrycks i ett enkelt, slutet uttryck för skärenergin9
EQN (1)
som använder experimentellt utvalda parametrar, inklusive provtjocklek, t, genomsnittlig bentöjning, förspänningskraft, fpre och vinkeln mellan benen och skäraxeln, 
θ. Skärkraften, fcut, mäts med apparaten enligt beskrivningen i Zhang et al.9. I synnerhet innehåller apparaten som presenteras här en ny, enkel och exakt mekanism för att ställa in benvinkeln, θ, och säkerställa att provet är centrerat. Medan båda funktionerna är avgörande för en mikroskopmonterad installation, kan mekanismen också gynna framtida vertikala implementeringar av det Y-formade skärtestet genom att öka användarvänligheten.
Framsteg med att bestämma lämpliga sviktkriterier för mjuka fasta ämnen har pågått sedan den tidiga framgången med provoberoende brottgeometrier som introducerades av Rivlin och Thomas10. Kritiska energifrigöringshastigheter 10, kohesiva zonlagar11 och olika former av stress- eller energi-på-avstånd-tillvägagångssätt12,13,14 har använts. Nyligen utnyttjade Zhang och Hutchens det senare tillvägagångssättet och visade att Y-formad skärning med blad med tillräckligt liten radie kan ge tröskelfelförhållanden för mjukfraktur 7: en tröskelfelenergi och en tröskellängdskala för fel som sträcker sig från tiotals till hundratals nanometer i homogen, högelastisk polydimetylsiloxan (PDMS). Dessa resultat kombinerades med kontinuummodellering och skalningsteori för att utveckla ett samband mellan skärning och rivning i dessa material, vilket visar användbarheten av Y-formad skärning för att ge insikter i alla lägen av mjukt fel. Beteendet hos många materialklasser, inklusive dissipativa och sammansatta material, är dock fortfarande outforskat. Det förväntas att många av dessa kommer att uppvisa mikrostrukturstyrda effekter på längdskalor över våglängden för synligt ljus. Därför designades en apparat i denna studie som möjliggör en nära visuell karakterisering av dessa effekter under Y-formad skärning för första gången (t.ex. i kompositer, inklusive mjuka vävnader, eller av dissipativa processer, som förväntas på mikrometer till millimeterlängdskalor15).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Justering och tillverkning av modifierbara delar och förbrukningsdelar
- Använd en laserskärare eller 3D-skrivare för att tillverka engångs ABS- eller akrylflikar som passar inom provbenens bredd, B1 och B2 (7,5 mm x 7,5 mm för ett prov på 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) (figur 1B och figur 2D). Två flikar behövs för varje test, en för varje ben.
- Klämma för rakblad
OBS: De exakta måtten på den önskade rakbladsklämman beror på djupet på rakbladet som används.- Ändra CAD-designfilen (se Materialförteckning) Bladklämma. SLDPRT (kompletterande kodningsfil 1) genom att ändra bredden på klämbasen så att avståndet från spetsen på det valda rakbladet till klämmans baksida är 30,35 mm (bild 1D). Denna justering håller bladets spets direkt under vridpunkten (figur 1E) på vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A och figur 2A) som används för att justera vinkeln mellan benen.
OBS: Apparaten kan hålla blad med ett djup av 8-20 mm. - Använd fininställningar och 3D-skriv ut rakbladsklämman (bild 1D). På grund av 3D-utskriftsfel kanske rakbladsklämmans svanssvans inte passar som utskriven. För att åtgärda detta, använd sandpapper eller en fin fil för att ta bort material från baksidan av rakbladsklämman tills det kan sättas in och tas bort från spåret på knivklämman för hand men fortfarande är tätt under skärningen.
- Ändra CAD-designfilen (se Materialförteckning) Bladklämma. SLDPRT (kompletterande kodningsfil 1) genom att ändra bredden på klämbasen så att avståndet från spetsen på det valda rakbladet till klämmans baksida är 30,35 mm (bild 1D). Denna justering håller bladets spets direkt under vridpunkten (figur 1E) på vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A och figur 2A) som används för att justera vinkeln mellan benen.
- Ändra provhållarens mått (figur 1C) med hjälp av CAD-konstruktionsfilen Provhållare. SLDPRT (kompletterande kodningsfil 2) för att passa öppningen av det specifika mikroskopsteget (figur 2B). För att säkerställa att apparaten kan använda hela sitt rörelseområde är det viktigt att hållarens inre hålighet förblir så stor som möjligt.
- Ladda cellhållare
OBS: Böjningstyp lastceller finns i många geometrier. Platsen för montering av lastsensorn (den inre bilden, figur 1E) kräver justering beroende på vald lastcell.- Justera följande dimensioner på den inre bilden (figur 1E) för att rymma den specifika lastcellen: 1) placeringen av monteringshålen (för närvarande två M3-hål med ett avstånd från centrum till centrum på 6 mm); 2) avståndet mellan lastcellstrålen och det inre glidplanet, beroende på lastcellstrålens maximala avböjning (för närvarande vid 3 mm); och 3) höjden och bredden för att rymma lastcellsgeometri (för närvarande 35 mm respektive 12,1 mm).
OBS: Lastcellens längdområde som kan användas utan att störa det vertikala justeringssystemet (figur 1E och figur 2A) är 10-63 mm. Om lastcellstorleken ligger utanför detta område är ett alternativ att ta bort höjdjusteringssystemet eller omforma / förlänga remskivarmarna (figur 1A).
- Justera följande dimensioner på den inre bilden (figur 1E) för att rymma den specifika lastcellen: 1) placeringen av monteringshålen (för närvarande två M3-hål med ett avstånd från centrum till centrum på 6 mm); 2) avståndet mellan lastcellstrålen och det inre glidplanet, beroende på lastcellstrålens maximala avböjning (för närvarande vid 3 mm); och 3) höjden och bredden för att rymma lastcellsgeometri (för närvarande 35 mm respektive 12,1 mm).
- Omdesigna, med hjälp av lämpliga CAD-filer, monteringsplattformen och ramarmarna (figur 1A) för att passa det specifika mikroskop / mikroskopsteget som används. Specifikt ramarmarna (ramarm. SLDPRT, kompletterande kodningsfil 3) kan behöva ändras för att underlätta bifogandet. Höjden på remskivearmarna (figur 1A) (remskivans arm. SLDPRT, kompletterande kodningsfil 4 och remskiva arm_Mirror.SLDPRT, kompletterande kodningsfil 5) kan också behöva modifieras beroende på höjden på planet för mikroskopmonteringshålen och toppplanet för mikroskopets XY-steg.
2. Mekanisk montering
- När alla mikroskop, lastceller, rakblad och provkomponenter har modifierats på lämpligt sätt, tillverka alla komponenter och konstruera apparaten (figur 2A). Komponenterna inkluderar 3D-printade, laserskurna och kommersiella hylldelar. En detaljerad lista över delar finns i materialförteckningen. Datormonteringsritningar av alla delar och apparatmontering finns i kompletterande kodningsfiler 1-17.
- För att montera lastcellen, fäst först knivklämfästet på lastcellen (figur 1E). Fäst denna enhet på den inre bilden i det vertikala justeringssystemet (figur 1E och figur 2A). Fäst det kombinerade systemet för bladklämmandet, lastcellen och den inre gliden i det vertikala justeringssystemets yttre glid i det vertikala justeringssystemets yttre glid (figur 1E) som är monterad på botten av vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A och figur 2A).
OBS: Mikrobelastningsceller är ömtåliga. Var försiktig när du hanterar lastcellen för att minimera eventuella krafter som appliceras på den utanför testningen, särskilt krafter i lastmätningsriktningen.
3. Elektrisk montering
- Ställ in lastcellen och datainsamlingssystemet. Bygg en förstärkningskrets enligt schemat (figur 1F, Förstärkningskretsschema. SchDoc [kompletterande kodningsfil 18] och förstärkningskretskort. PcbDoc [kompletterande kodningsfil 19]). Anslut utsignalen direkt till ett datainsamlingssystem med ett 0-5 V ingångsområde. Anslut kretsens element enligt figur 1G.
- Kalibrera belastningscellen genom att placera en vikt av känd kvantitet på avböjningsstrålen och registrera spänningsutgången i kalibreringskoden (calibrate_ni_daq.mlapp, kompletterande kodningsfil 20). Upprepa denna process minst 5x för olika vikter av känd kvantitet.
- Beräkna kalibreringskonstanten för lastcellen genom att anpassa den kända vikten kontra spänningsdata till en linje. Ange detta kalibreringsvärde i datainsamlingskoden (collect_data.mlapp, kompletterande kodningsfil 21).
OBS: Tillvägagångssättet för datainsamling beror på vilken typ av lastcell som valts. I denna studie användes en avböjningsbelastningscell med en maximal nominell kapacitet på 0,5 N, 0,05% nominell effekt (R.O.) maximal repeterbarhet och 0,03% R.O. hysteres. Den ~ 10 mV utsignalen förstärks för att möjliggöra användning av ett kommersiellt datainsamlingssystem (DAQ) (−5 till 5 V ingångsområde, 16-bitars upplösning). Som ett resultat erhölls en kraftupplösning finare än 1 mN vid insamling av data med en hastighet av 20 Hz efter applicering av ett rullande medianfilter.
4. Montering av apparater
- Efter att apparaten har konstruerats och lastcellen och datainsamlingssystemet har installerats, byt ut den ursprungliga, stegmonterade glidhållaren med den anpassade provhållaren.
- Fäst enheten i mikroskopet. Använd monteringshål på mikroskopets övre yta om tillgängligt.
- Ställ in skärvinkeln genom att lossa vinkeljusteringstumskruven och sedan flytta den linjära bilden (figur 1A). Ställ in vinkeln efter att ha mätt den med en gradskiva (figur 2A) och dra åt vinkeljusteringstumskruven. Vinkeln mellan ett ben och provets mittplan, θ, kan justeras från 8°-45° (figur 1B).
- Ställ in två vertikala remskivor bakom apparaten.
5. Beredning av prov
- Provmått: Förbered ett tunt rektangulärt prov (t.ex. 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) PDMS (se materialtabell) genom att antingen klippa det från ett större ark eller använda en form med rätt dimensioner. Måtten kan variera, men en bredd på 1,5 cm eller mindre för ett prov med en tjocklek av 3 mm eller mindre rekommenderas att börja.
- Klipp benen: Skär provet 3 cm på längden längs mittlinjen med ett rakblad för att skapa det Y-formade provet (figur 1B). Denna längd kan variera, men benen ska vara tillräckligt långa för att rymma flikarna men ändå tillräckligt korta för att lämna oklippt prov för mätning.
- Markering för töjningsmätning: Använd en markör eller bläck och placera två märken, centrerade och åtskilda med cirka 1 cm, på vart och ett av de tunna benen (figur 2D) och provkroppen (totalt sex) för att möjliggöra mätning av den applicerade sträckningen i vart och ett av de tre provbenen under belastning.
- Fästa flikarna: Använd självhäftande cyanoakrylatlim för att fästa en 3D-tryckt eller laserskuren flik (steg 1.1) i slutet av varje ben (figur 1B och figur 2D).
- Förbered spänningslinjen: Mät och skär två längder tunn fiskelinje. Cirka 30 cm linje behövs för intern dirigering genom mekanismen; Lägg till mer efter behov för att dirigera linjen till den externa uppsättningen remskivor (steg 4.4). Fäst 5 g vägplattor i slutet av linjerna som passerar genom de yttre remskivorna och binda den andra änden till fliken på varje ben.
6. Montering av prov
OBS: Var försiktig under detta steg för att säkerställa att provet inte vidrör mikroskopmålet för att undvika att skada det. Det kan hjälpa till att justera objektivet och mikroskopsteget för att skapa så mycket utrymme som möjligt för provmontering.
- Kläm fast provexemplarets bas med hjälp av tumskruven för provhållaren (figur 1C).
- Dra linjen för varje etapp genom varje sida av remskivesystemet (figur 1A och figur 2A). Ta en bild av provet uppifrån medan provet är under försumbar vikt genom att hålla en kamera mot undersidan av vinkeljusteringsmekanismen. Se till att kameran är parallell med provplanet för att minimera perspektiveffekterna.
- Lägg till önskad förspänningsvikt på 75 g i båda ändarna av fiskelinjen nära de yttre remskivorna. Öka denna mängd till 150 g eller minska den till 50 g för att ändra rivningsbidraget om så önskas för detta exempel material och geometri. Ta en andra bild av provet efter att vikten har lagts till, se igen till att kameran är parallell med provplanet.
OBS: Exempelvikterna som anges här gäller specifikt för PDMS-provet som används i denna studie. - Rikta in fiskelinan från den lägsta remskivan mot Z-planet på provbenen med hjälp av Z-komponenten i trevägs mikrojusteringssteget (figur 1A). Placera den förväntade bladspetsen ungefär nära objektivets synfält (figur 2B).
7. Bladmontering
- Placera rakbladet i motsvarande knivklämma (steg 1.2) och säkra bladet på plats med en skruv. Sätt kniven stadigt i knivklämman (bild 1D och figur 2C) för att säkerställa att den är fyrkantig. Skjut in det klippta rakbladet i knivklämfästet som är fäst vid lastcellen (figur 1E).
OBS: Bladet ska alltid placeras efter att provet har monterats. Om bladet är på plats före provet utgör det en säkerhetsrisk för användaren.
8. Apparatens inriktning
- Välj målet 2,5x mikroskop, eller så högt som 20x om närmare bilder önskas.
- Använd den överförda ljusinställningen, förstärk ljuset bakom provet om det behövs.
- Med bladet på plats, fokusera mikroskopet på botten av det, använd bladets vertikala justeringssystem om det behövs för att föra spetsen till lämpligt arbetsavstånd för målet (figur 1E och figur 2A). Rikta försiktigt in rakbladet inom mikroskopets synfält med endast X- och Y-riktningarna för trevägs mikrojusteringssteget (figur 1A).
- Fokusera sedan mikroskopet på provet. Rikta in sprickspetsen mot rakbladet (figur 2B) genom att översätta XY-mikroskopsteget (figur 1A) för att säkerställa att provets mittplan ligger i linje med vinkeljusteringsmekanismens mittplan.
9. Testning
- Öppna koden som används för insamling av lastcellsdata (collect_data.mlapp, kompletterande kodningsfil 21).
- Börja spela in lastcelldata genom att klicka på Starta inspelning knapp.
- Översätt provet genom rakbladet i 1 cm eller mer med konstant hastighet med hjälp av mikroskopstegskontroll. Samla samtidigt bilder med mikroskopets bildgränssnitt.
- När XY-mikroskopsteget stannar (bild 1A) klickar du på knappen Stoppa inspelning för att stoppa inspelningen av data och automatiskt spara en *.txt fil med laddnings- och tidssvaret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De parametrar som användes under steg 4 och steg 6 och de data som samlades in under steg 6 och steg 9 ger tillsammans provets skärenergi. Enligt Eqn. 1 kräver bestämningen av skärenergin följande parametrar: provtjocklek, t, förspänningskraft, fpre och vinkeln mellan benen och skäraxeln, θ. Följande data krävs också: skärkraften, f-skärningen och den genomsnittliga benbelastningen, . Den förstnämnda kommer från krafttidsdata som samlats in via datorkoden. Kraft-tidsdata från ett typiskt test (figur 3A) illustrerar en hög initial kraft, vilket vanligtvis krävs för skärinitiering, följt av en konstant kraft, vilket indikerar skärning i stationärt tillstånd. Skärkraften, fcut, är det maximala värdet av kraften inom denna steady state-regim9. Den genomsnittliga belastningen i benen, , ges av
EQN (2)
där bilder av det för- och efterladdade provet före skärning (steg 6.2 och steg 6.3) används som optisk töjningsmätare för att mäta λ B 1, λB 2 och λA. Slutligen kombineras dessa värden för att beräkna skärenergin med Eqn. 1.
För de representativa resultaten som rapporteras här: ett ultraskarpt blad (129 nm radie), en 32 ° benvinkel och en 75 g förspänning ( = 1,04) mätte vi en skärenergi på 132,96 J / m2 för PDMS. Detta värde stämmer väl överens med den tidigare erhållna skärenergin under dessa förhållanden på 132,9 J / m 2 ± 3,4 J / m2, vilket validerar den mekaniska delen av testinställningen som visas här9. Om så önskas kan krafttidsdata konverteras ungefär till kraftförskjutningsdata med hjälp av mikroskopstegets rörelseprotokoll (t.ex. konstant hastighet).
Genomförbarheten av installationen för samtidig insamling av mikroskopbilder illustreras i figur 3B. Dessa bilder samlas in med ett 2,5x mål 1) från början av testet, 2) efter skärinitieringen och 3) genom hela steady state i ett fläckmönstrat PDMS-prov blandat med tillverkarens förhållande 10: 1. Vi behöll fokus under hela testet och demonstrerade en-till-en-korrespondens mellan mekaniska och optiska data. Vi noterar att kvaliteten och förstoringen av de erhållna mikroskopbilderna beror på kombinationen av system / mål / steg / program som används.
Figur 1: CAD-bilder av den mikroskopmonterade Y-formade skäranordningen . a) Hela skärapparaten monterad ovanför ett inverterat mikroskop med ett automatiserat XY-steg. Inte visas är de vertikala remskivorna bakom systemet från vilka dödvikter hängs för att skapa förspänningskrafter, fpre, på provet. B) Provet består av ett enda ben, "A", från vilket två lika stora ben skärs, "B1" och "B2", för att skapa en "Y"-form med benvinkeln θ. (C) Provhållaren håller provet på plats i en slits i mikroskopsteget. (D) Den övre vyn av de anpassningsbara bladklämmorna visar hur deras omdesign rymmer blad i olika höjder samtidigt som avståndet på 30,35 mm bibehålls som justerar toppen med vinkeljusteringsmekanismens svängpunkt. (E) En närbild av det vertikala justeringssystemet, lastcellen och monteringsdelarna för bladklämmor. (F) Signalen från lastcellen förmedlas av en förstärkningskrets som används för att omvandla lastcellutgången (0-10 mV) till 0-5 V-området för datainsamlingssystemet. (G) Denna krets implementeras genom att ansluta den till strömförsörjningen, lastcellen, och datainsamlingssystemet med hjälp av ett kretskort. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Fotografier av den mikroskopmonterade Y-formade skäranordningen. (A) Ett fotografi av den operativa Y-formade skäranordningen med falskt färgade områden tillagda för att ange de viktigaste konstruktionsegenskaperna. (B) En framåtblick av anordningen som illustrerar den ungefärliga inriktningen av lastcellen och provets mittplan och anger det område som ska skäras som faller inom mikroskopmålets synfält. (Kniv- och bladklämma är inte monterade.) (C) Exempel på monterade blad och klämmor med en lika stor totalhöjd på 30,35 mm. (D) Ett PDMS Y-format provexemplar före montering, med flikar och fiskelina fästa. Fiduciella markörer har lagts till benen "B1" och "B2" för att mäta den genomsnittliga sträckningen vid förspänningsapplikation. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Representativa styckningsresultat in situ . (A) En kraft-tidskurva för PDMS (10:1) med ett ultraskarpt blad (129 nm radie), 32° benvinkel och 75 g förspänning ( = 1,04). Kurvans elastiska belastnings-, skärinitierings-, steady state-skärnings- och lossningsregioner är märkta. (B) Röda cirklar som motsvarar de bilder som erhållits av mikroskopet visas. En gul cirkel har lagts till för att underlätta observation av fläckmönstrets rörelse. Skalstång = 1 mm. Tidsstämplar, i sekunder, ingår i det övre vänstra hörnet av varje bild. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Kompletterande kodningsfil 1. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 2. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 3. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 4. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 5. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 6. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 7. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 8. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 9. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 10. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 11. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 12. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 13. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 14. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 15. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 16. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 17. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 18. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 19. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 20. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 21. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den horisontella, Y-formade skärapparaten som rapporteras här möjliggör avbildningsfunktioner på plats tillsammans med förbättrad användarvänlighet för denna felteknik. Apparaten har en modulär / bärbar design för snabb montering / avmontering från ett mikroskop och kontinuerlig, förinriktad benvinkeljustering. Alla CAD-filer, nödvändiga material och procedurer har inkluderats för att underlätta implementeringen av denna metod. I många fall (bladhållare, provhållare, lastcellsfäste, monteringsram) kan de 3D-tryckta delarna enkelt modifieras för ett givet material / blad eller specifikt lastcell / mikroskop. Följande tips gäller dock för alla parametrar och användningar av denna apparat.
Vikten som används för att hålla varje ben i spänning är avgörande för en lyckad mätning. En tillräckligt låg vikt säkerställer att testet inte misslyckas omedelbart (det kan vara till hjälp att applicera vikt långsamt och stegvis). Att ladda benen med för lite kraft kommer dock att resultera i provknäckning, vilket leder till att provet viks under eller framför bladet istället för eller medan det skärs. En "skenbar" skärkraft kan mätas under dessa förhållanden, men det kommer inte att vara materialets skärkraft.
Provbenen skall ha en lämplig längd för provhållaren och önskad rörelse. Ben som är för långa kommer att springa in i remskivan innan ett tillräckligt långt snitt har gjorts. Benen måste vara tillräckligt långa för att rymma flikarna. För den geometri för provhållare som redovisas här är en total provlängd på 7 cm med 3 cm ben en bra utgångspunkt. Lastcellen ska kalibreras före varje användning. Plötslig rörelse av apparaten kan orsaka att lastcellen blir okalibrerad eller till och med skadad.
De viktigaste ändringarna kan delas in i två kategorier: anpassning av tillgänglig utrustning/komponenter och krav på material/bildbehandling. När det gäller den första kategorin kan apparatens monteringsram justeras för implementering på olika mikroskop. Lastcellsfästet, den vertikala justeringen eller armarna som stöder den första uppsättningen remskivor kan alla modifieras för att rymma lastceller av olika längder. Bladklämmorna kan behöva justeras beroende på bladdjupet, enligt beskrivningen i steg 2.2 i protokollet. När det gäller den andra kategorin kan provhållaren modifieras för att anpassas till de objektiva begränsningarna för arbetsavstånd eller provmiljö. Till exempel, vid testning av hydratiserade material, kan en petriskål eller glidglas införlivas under provet för att skydda mikroskopet och bibehålla hydreringen.
Liksom vid vertikal Y-formad skärning gäller detta tillvägagångssätt främst mjuka, rimligt robusta fasta ämnen. Styva material föredrar att vrida snarare än att böja utåt och bibehålla ett plant prov när en Y-inducerande belastning appliceras16. När proverna är extremt spröda krävs låga benvinklar för att uppnå ett tillräckligt lågt rivningsbidrag (Eqn. 1), vid vilken tidpunkt friktion kan bli ett problem. Hydratiserade prover, som vanligtvis har mycket låg friktion, kan vara undantaget för tester vid så låga benvinklar. Av erfarenhet undviker benvinklar >35° i allmänhet friktionseffekter i relativt "klibbigt" silikon 7,9. Förändringar i provgeometri, miljö eller bladvinkel kan övervinna många av dessa hinder med tiden. Begränsningar i skärhastighet och kontroll varierar med det automatiserade XY-mikroskopsteget som används. Specifikt ger vissa scen-/programvarukombinationer endast ett fåtal standardalternativ för konstant hastighet. Vid högre skärhastigheter kan bildinsamlingen vara otillräcklig för att undvika oskärpa. Alla sådana begränsningar är beroende av mikroskop- och scentillverkarna men kan övervinnas genom att tillämpa denna apparat på ett anpassat mikroskop.
Y-formad skärning underlättar bestämningen av tröskelfelegenskaperna hos mjuka fasta ämnen och ger insikt i de grundläggande felreaktionerna hos dessa material under mycket kontrollerade förhållanden. Med modifieringen som tillhandahålls av apparaten som beskrivs här kan dessa mekaniska mätningar nu kombineras med befintliga optiska karakteriseringstekniker såsom, men inte begränsat till, följande: mekanoforaktivering5, andra harmoniska generationen (SHG)17 och digital bildkorrelation18. Denna kombination förväntas ge nya, kvantifierbara observationer av det intima förhållandet mellan mikrostruktur och spänningskoncentration vid mjuk fel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi vill tacka Dr. James Phillips, Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer och Amir Ostadi för deras råd om detta arbete. Finansieringen kom från startbidraget från Institutionen för maskinvetenskap och teknik vid University of Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid och C. Walsh fick alla senior designkredit för sitt arbete med detta 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).
