Vi presentiamo un protocollo per l'esecuzione di prove di flessione di tre punti su fibre di scala sub-millimetrica utilizzando un dispositivo di prova meccanico su misura. Il dispositivo può misurare le forze che vanno da 20 µN fino a 10 N e può quindi ospitare una varietà di formati di fibra.
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Articolo metodologico
Un sistema di prova millimetro scala flessionale per misurare le proprietà meccaniche di spicole di spugna marina
In questo articolo
Sommario
Abstract
Molti portanti strutture biologiche (LBBSs) — ad esempio rachidi piuma e spicole — sono piccole (< 1 mm) ma non microscopiche. Il comportamento flessionale di questi LBBSs di misurazione è importante per comprendere le origini della loro notevole funzioni meccaniche.
Descriviamo un protocollo per eseguire prove di flessione del tre-punto utilizzando un dispositivo di test meccanico su misura che può misurare le forze che vanno da 10-5 101 N e cilindrate da 10-7 a 10-2 m. Il vantaggio principale di questo dispositivo di prova meccanico è che le capacità di forza e spostamento possono essere facilmente regolate per diversi LBBSs. Principio di funzionamento del dispositivo è simile a quella di un microscopio a forza atomica. Vale a dire, la forza è applicata per il LBBS da un punto di carico che è fissato all'estremità di una trave a mensola. Lo spostamento del punto di carico è misurato da un sensore di spostamento ottico di fibra e convertito in una forza utilizzando la rigidezza misurata a sbalzo. Gamma di forza del dispositivo può essere regolata utilizzando cantilever di differenti rigidezze.
Le funzionalità del dispositivo sono dimostrate eseguendo prove di flessione del tre-punto sugli elementi scheletrici di spugna marina Euplectella aspergillum. Gli elementi scheletrici — conosciuto come spicules — sono fibre di silice che sono circa 50 µm di diametro. Descriviamo le procedure per calibrare il dispositivo di prova meccanico, le spicole di montaggio su un dispositivo di piegatura di tre punti con una portata di mm ≈1.3 ed esecuzione di un bending test. La forza applicata alla sua deviazione nella posizione della forza applicata e la spicula sono misurati.
Introduzione
Studiando le architetture portanti strutture biologiche (LBBSs), come shell e dell'osso, gli ingegneri hanno sviluppato nuovi materiali compositi che sono sia forte e duro 1. È stato dimostrato che le notevoli proprietà meccaniche di LBBSs e le loro controparti di bio-ispirati sono legate alla loro intricati architetture interne 2. Tuttavia, le relazioni tra proprietà meccaniche e architetture LBBS completamente non sono capite. Misurando la risposta meccanica di un LBBS è il primo passo verso la comprensione di come la sua architettura migliora le proprietà meccaniche.
Tuttavia, è importante ....
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Protocollo
1. montaggio e allineamento
- Scegli un cantilever cui rigidità è appropriato per l'esperimento previsto. Allegare il LP per la trave a mensola utilizzando #4-40 viti a testa cilindrica (SHCSs) (Vedi Figura 3 A). Fare attenzione a non plasticamente i bracci a sbalzo mentre allegando il LP.
Figura 3: procedura per il montaggio il cantilever forza di sensore e misura la rigidità. Punto (A), il ....
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Risultati
Le uscite più elementari di qualsiasi prova meccanica sono la grandezza della forza applicata per il campione e lo spostamento nella posizione dove la forza è applicata. Nel caso di prova di flessione a tre punti, l'obiettivo è ottenere la grandezza della forza applicata da LPT, 
e lo spostamento della sezione trasversale del provino sotto il LPT nella 
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Discussione
Diversi passaggi del protocollo sono particolarmente importanti per garantire che le forze e gli spostamenti sono misurati con precisione. Mentre alcuni di questi passaggi critici sono universali per tutte le prove di flessione di tre punti, gli altri sono unici per questo dispositivo di prova meccanico.
Nel passaggio 1.2 del protocollo lo specchio LP viene pulito e ispezionato per graffi e nel passo 1.6 del protocollo è impostato il guadagno FODS. È important.......
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation [meccanica dei materiali e strutture di programma, grant numero 1562656]; e della American Society of Mechanical Engineers [Haythornthwaite Young Investigator Award].
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Tavolo isolante TMC 36" x 48" con breadboard CleanTop da 4" | TMC | 63-563 | Tavolo isolante |
| Regolatore vite differenziale | Thorlabs | DAS110 | Per piastra di livellamento del palco |
| Testa del micrometro da viaggio da 1" con graduazioni da 0,001" | Thorlabs | 150-801ME | Per piastra di livellamento del palco |
| Staffa ad angolo retto per stadi di traslazione della serie PT, 1/4"- 20 fori di montaggio | Thorlabs | PT102 | Per montaggio per microscopio |
| Tavolino di traslazione a coda di rondine da 1", 1/4"-20 Rubinetti | Thorlabs | DT25 | Per montaggio per microscopio |
| Tavolino di traslazione da 1" con vite di regolazione da 1/4"-170, 1/4"-20 Maschi | Thorlabs | PT1B | Per montatura da |
| microscopio Lunghezza 12", guida ottica a coda di rondine | Edmund Optics | 54-401 | Per supporto per microscopio |
| 2,5" di larghezza, supporto a coda di rondine | Edmund Optics | 54-404 | Per montaggio per microscopio |
| 0,5" di larghezza, supporto a coda di rondine | Edmund Optics | 54-403 | Per montaggio per microscopio |
| InfiniTube Montaggio a C con ¼-20 | Edmund Optics | 57-788 | Componente per microscopio |
| standard (senza attacco in linea), InfiniTube | Edmund Optics | 56-125 | Componente del microscopio |
| Attacco in linea standard (ottimizzato a 2X-10X), InfiniTube | Edmund Optics | 56-126 | Componente del microscopio |
| Adattatore per obiettivo Mitutoyo/Achrovid (da M26 a M27) | Edmund Optics | 53-787 | Componente del microscopio |
| 5X Infinity Achrovid Obiettivo per microscopio | Edmund Optics | 55-790 | Componente |
| del microscopio0,316" ID, adattatore in fibra ottica SX-6 | Edmund Optics | 38-944 | Componente per microscopio |
| ¼ " x 36", Guida di luce flessibile in fibra ottica | Edmund Optics | 42-347 | Componente del microscopio |
| 115V, illuminatore a fibra ottica MI-150 con filtro IR e supporto | Edmund Optics | 55-718 | Componente del microscopio |
| Allied Vision Manta G-223 2/3" Fotocamera CMOS a colori | Edmund Optics | 88-452 | |
| Alimentatore per Manta / Guppy Pro / Stingray / Pike | Edmund Optics | 68-586 | Componente del microscopio |
| /4" Corsa Asse singolo Stadio di traslazione | Thorlabs | MS1S | FODS Micrometro |
| Sensore di spostamento in fibra ottica dipendente dalla riflettanza analogica Philtec | D20 | FODS | |
| 30V, 3A Alimentatore CC | Agilent | U8001A | Alimentatore per DAQ e FODS |
| DAQ multifunzione a basso costo a 14 bit, 48 kS/s | Nazionale Strumenti | USB-6009 | DAQ per FODS Stadio di |
| traslazione motorizzato a tre assi | Thorlabs Thorlabs | T25 XYZ-E/M | Stadio di traslazione |
| T-Cube DC Servomotore | Controller Thorlabs | TDC001 | Controller motore per stadio |
| T-Cube Alimentatore | Thorlabs | TPS001 | Alimentatore per controller motore |
| National Instruments LabVIEW (2013 SP1) | National Instruments | Utilizzato per l'esecuzione del software | |
| LabVIEW Vision Acquisition Software (2016) | National Instruments | Utilizzato per l'esecuzione del software | |
| Nikon Eclipse Ci-POL Main Body | MVI | MDA96000 | Microscopio a luce polarizzata |
| Nikon Pi Intermediate Tube with Analyzer Slider | MVI | MDB45305 | Microscopio |
| a luce polarizzataNikon Dia-Polarizer | MVI | MDN11920 | Microscopio a luce polarizzata |
| Cavo di alimentazione - 7'6" | MVI | 79035 | Microscopio a luce polarizzata |
| Nikon P-AMH Tavolino meccanico | MVI | MDC45000 | Microscopio a luce polarizzata |
| Nikon Lwd Achromat Condenser | MVI | MBL16100 | Microscopio a luce polarizzata |
| Nikon LV-NBD5BD-CH Revolver manuale Quint ESD | MVI | MBP60125 | Microscopio a luce polarizzata |
| Nikon C-TF Tubo trinoculare F | MVI | MBB93100 | Microscopio a luce polarizzata |
| Nikon CFI 10X Oculare FN 22mm NC | MVI | MAK10110 | Microscopio a luce polarizzata |
| Nikon TU Plan Flour BD 10x Obiettivo | MVI | MUE42100 | Microscopio a luce polarizzata |
| Venus Flower Basket Sponge | Denis Brand | N/A | Scheletro in spugna |
| 3.5X Fascia Flip-Up Lente d'ingrandimento | McMaster Carr | 1490T5 | Utilizzato per il sezionamento delle spicole |
| Ø Wafer di silicio da 1", tipo P / < 100> | Ted Pella | 16011 | Utilizzato per lo specchio del punto di carico |
| Pelucchi bassi Punta affusolata Cotton Swab | McMaster Carr | 71035T31 | Utilizzato per la pulizia dello specchio LP |
| Coltello di precisione con impugnatura in gomma | McMaster Carr | 35575A68 | Utilizzato per il sezionamento di spicole |
| Vetrini per microscopio, estremità smerigliata, 75 x 25 x 1 mm | Ted Pella | 260409 | Utilizzato per il sezionamento di spicole |
| Spazzole di zibellino, #00000, 0,08 mm L x 4,0 mm L | Ted Pella | 11806 | Utilizzato per maneggiare le spicole |
| Pinzette ad alta precisione PELCO Pro, punte extra fini, finitura superiore | Ted Pella | 5367-5NM | Utilizzato per maneggiare le spicole |
| Micrometro a scala lineare a doppio asse | Edmund Optics | 58-608 | Utilizzato per calibrare i microscopi |
| FLEX-A-TOP FT-38 CAS | Contenitori in plastica ESD | FT-38-CAS | Utilizzato per la conservazione delle spicole |
| Fiala di plastica Bullseye Level | McMaster Carr | 2147A11 | Utilizzato per livellare il tavolino |
| Bilancia analitica | Mettler Toledo | MS105DU | Utilizzato per la calibrazione dei pesi di massa |
Riferimenti
- 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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Ristampe e permessi
