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La meccanica del continuo non lineare ha fornito una lente critica attraverso la quale comprendere la concentrazione di energia che porta al fallimento nei solidi morbidi1. Tuttavia, la previsione accurata di questo cedimento richiede anche la descrizione delle caratteristiche microstrutturali che contribuiscono alla creazione di nuove superfici sulla punta della fessura 2,3. Un metodo per avvicinarsi a tali descrizioni è attraverso la visualizzazione in situ della punta della fessura durante il guasto 4,5. Tuttavia, l'ottundimento delle fessure nei tipici test di frattura a campo lontano rende difficile l'acquisizione di dati in situ diffondendo il materiale altamente deformato, potenzialmente al di fuori del campo visivo del microscopio6. Il taglio a forma di Y offre un'alternativa unica per la visualizzazione microstrutturale perché concentra la regione di grande deformazione sulla punta di una lama7. Inoltre, il lavoro precedente del nostro gruppo dimostra che questo approccio sperimentale unico può fornire informazioni sulle differenze nella risposta ai guasti tra lo strappo in campo lontano e le condizioni di carico mediate dal contatto7.
Il metodo di taglio a forma di Y utilizzato nell'apparecchio qui presentato è stato descritto per la prima volta decenni fa come metodo di taglio per la gomma naturale8. Il metodo consiste in un taglio a lama fissa attraverso una provetta precaricata a forma di Y. All'intersezione della "Y" c'è la punta della fessura, che viene creata prima del test dividendo una porzione di un pezzo rettangolare in due "gambe" uguali (Figura 1B e Figura 2D). I principali vantaggi di questo metodo di taglio includono la riduzione dei contributi di attrito all'energia di taglio misurata, la geometria variabile della lama (cioè il vincolo della geometria della punta della fessura), il controllo del tasso di guasto (tramite la velocità di spostamento del campione) e la regolazione separata del taglio, C, e strappo, T, contributi energetici all'energia totale Gtagliato (cioè, alterazione dell'energia di guasto superiore a una soglia di taglio)8. Questi ultimi contributi sono espressi in una semplice espressione in forma chiusa per l'energia di taglio9
EQN (1)
che utilizza parametri selezionati sperimentalmente, tra cui lo spessore del campione, t, lo sforzo medio della gamba, , la forza di precarico, fpre e l'angolo tra le gambe e l'asse di taglio,
θ. La forza di taglio, fcut, viene misurata con l'apparecchio come dettagliato in Zhang et al.9. In particolare, l'apparato qui presentato include un meccanismo nuovo, semplice e preciso per regolare l'angolo della gamba, θ, e garantire che il campione sia centrato. Mentre entrambe le caratteristiche sono fondamentali per una configurazione montata su microscopio, il meccanismo può avvantaggiare anche le future implementazioni verticali del test di taglio a forma di Y aumentando la facilità d'uso.
I progressi nella determinazione dei criteri di rottura appropriati per i solidi morbidi sono stati in corso sin dal successo iniziale delle geometrie di frattura indipendenti dal campione introdotte da Rivlin e Thomas10. Sono stati utilizzati tassi di rilascio di energia critica10, leggi di zona coesiva 11 e varie forme di stress o approcci energetici a distanza12,13,14. Recentemente, Zhang e Hutchens hanno sfruttato quest'ultimo approccio, dimostrando che il taglio a forma di Y con lame di raggio sufficientemente piccolo potrebbe produrre condizioni di rottura soglia per la frattura morbida7: un'energia di rottura di soglia e una scala di lunghezza di soglia per il cedimento che varia da decine a centinaia di nanometri in polidimetilsilossano omogeneo e altamente elastico (PDMS). Questi risultati sono stati combinati con la modellazione continua e la teoria del ridimensionamento per sviluppare una relazione tra taglio e strappo in questi materiali, dimostrando così l'utilità del taglio a forma di Y per fornire approfondimenti su tutte le modalità di fallimento morbido. Tuttavia, il comportamento di molte classi di materiali, compresi i materiali dissipativi e compositi, rimane inesplorato. Si prevede che molti di questi mostreranno effetti governati dalla microstruttura su scale di lunghezza superiori alla lunghezza d'onda della luce visibile. Pertanto, in questo studio è stato progettato un apparato che consente per la prima volta la caratterizzazione visiva ravvicinata di questi effetti durante il taglio a forma di Y (ad esempio, in compositi, compresi i tessuti molli, o di processi dissipativi, anticipati sulla scala di lunghezza da micrometro a millimetro15).