Name: 走査型電子顕微鏡による力学の仮想シミュレーション実験:材料の変形と破壊 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-20T13:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: 学ぶ 走査型電子顕微鏡を用いた材料の変形と破壊の仮想シミュレーション実験。3次元バーチャル環境で高温クリープ試験機やナノインデンターの操作を安全に練習し、実験スキルと理論理解を向上させます。

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この作業は、助成金2042022kf1059に基づく中央大学の基礎研究基金によって部分的にサポートされました。助成金2022CFB757に基づく湖北省自然科学財団。助成金2022TQ0244の下の中国ポスドク科学財団;助成金WHU-2021-SYJS-11に基づく武漢大学実験技術プロジェクト資金。助成金の下で2021年に湖北省の大学と大学での州の教育および研究プロジェクト2021038。助成金HBSY2021-01の下で湖北省の大学における州の実験室研究プロジェクト。

本研究では、亀裂を伴うマイクロカンチレバービーム破壊実験の手順を以下のように説明し、http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd を介して無料でアクセスできます。すべてのステップは、仮想シミュレーションアプローチに基づいてオンラインシステムで実行されます。この研究には治験審査委員会の承認は必要ありませんでした。この研究に参加した学生ボランティアから同意を得た。
1.システムにアクセスしてインターフェースに入る
<ol><li>Web ブラウザーを開き、システムにアクセスするための URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd を入力します。 注:提供されたURLは、ユーザー名とパスワードなしで主流のWebブラウザからアクセスできます。</li>
	<li>垂直スクロールバーを使用して仮想シミュレーションインターフェイスを見つけます。 注: 仮想シーンは Web に埋め込まれています。</li>
	<li>右下隅にあるフルスクリーンアイコンをクリックして、 フルスクリーン インターフェイスを有効にします。</li>
	<li>[ 実験の開始] ボタンをクリックして開始します。</li>
	<li>Enterボタンをクリックして初心者向けのガイダンスに従うか、[スキップ]ボタンをクリックしてこの手順をスキップします。 注: ユーザーは、フォロー (Enter ボタン) またはスキップ ([スキップ] ボタン) を選択できます。初心者向けのガイダンスでは、システム全体の説明を提供します。インターフェースはまた、意図した操作または機器を実行するための操作指示を段階的に強調表示します。 図1 は、機械と材料分野の7種類の機器を含む、実験に使用した機器を示しています。初心者はこのガイダンスに従うことをお勧めします。</li>
</ol>2.材料の準備
<ol><li>初心者レベルのトレーニングを完了した後、実験を開始します。インターフェイスのプロンプトに従って、シリコンウェーハを含むラボテーブルの近くを「歩き」、通常タイプとクラックタイプのシリコンウェーハの違いを確認して、クラックテンプレートを選択します。 注意: 実験インターフェースに入り、強調表示された経路ガイダンスに従って実験を実施します。強調表示されたガイダンスは、実験のための明確なガイダンスを提供するためにプロセス全体で提供されます。</li>
	<li>表示された材料リストから材料を選択します。 注意: 提供されている材料リストには、金、銀、PtCuNiP、ZrTiCuNiBe、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、およびポリメチルメタクリレート(PMMA)が含まれています。</li>
	<li>ハイライトされた材料をクリックして、選択した材料をカッタークランプにロードします。強調表示された ON / OFF ボタン(右側)をクリックしてカッタークランプをオンにし、[ 速度 ]ボタン(左側)をクリックして、ポップアップインターフェイスで金属組織切断機の速度を設定します。 注意: ユーザーは必要に応じて適切な速度を設定できます。ユーザーが速度を設定すると、カッタークランプがアクティブになり、生のバーが薄いスライスにカットされます。</li>
	<li>金型、金属シート、カバーシートを順番に積み重ねるには、ハイライト表示されたオブジェクトをユーザーインターフェイスの指示に従ってクリックしてドラッグします。 注意: 材料を切断した後、この組み立てステップはナノモールド鋳造の前に必要です。</li>
</ol>3. 試料の成形
<ol><li>図2に示すガイダンスに従って、高温万能クリープ試験機まで仮想的に歩き、積み重ねた試験片を万能クリープ試験機のプレートクランプの間に仮想的に置きます。 注意: この手順の後、高温ユニバーサルクリープ試験機の左側にある仮想コンピューターが強調表示されます。</li>
	<li>仮想コンピューターをクリックし、ユニバーサルクリープ試験機の制御コンピューターでテストスキームを設定します。 注意: このステップの後、加熱および真空ポンプ用の高温ユニバーサルクリープ試験機の補助装置が強調表示され、ユーザーにガイダンスが提供されます。</li>
	<li>強調表示された 加熱および真空ポンプ装置をクリックし、電源をオンにします。強調表示されたボタンをクリックして、インターフェースの仮想機械式ポンプとバッキングバルブを開きます。 注意: この手順により、ユニバーサルクリープ試験機の真空制御システムのシステム真空制御設定が完了します。</li>
	<li>ユニバーサルクリープ試験機のコントロールパネルにあるクリアボタンをクリックして、データをクリアします。万能クリープ試験機のコントロールパネルにある[実行]ボタンをクリックして実験を完了し、平行平板圧縮成形法を使用して金型のパターンを金属シートにコピーします。 注:金型鋳造が完了したら、試料を取り出し、必要に応じてボタンを順番にクリックして、加熱および真空ポンプ装置のバッキングバルブとメカニカルポンプなどを閉じます(実際の加熱および真空ポンプ装置では、逆の順序により分子ポンプが焼損する可能性があります)。</li>
	<li>仮想コンピュータを再度クリックし、ユニバーサルクリープ試験機の制御 コンピュータ で実験データを確認します。</li>
	<li>金属組織試料象嵌機のカバープレートを開き、試験片を配置します。<ol><li>強調表示されたPMMA粉末をクリックして準備した粉末を注ぎ、強調表示された型をクリックしてPMMA粉末の上に置きます。</li>
		<li>強調表示されたハンドホイールをクリックして金型の位置を調整すると、カバープレートが自動的に覆われます。 ON / OFF ボタンをクリックして、象眼細工の電源を入れます。冷却後、PMMA象眼細工の試験片を取り出します。 注意: 成形された試験片は、 図3に示すように、実験で熱可塑性材料PMMAが使用されている正しい方向に象眼細工機に取り付ける必要があります。PMMA粉末が溶けて試験片の表面に付着していることを確認してください。図 4 の左下隅は、ユーザーが 図 3 に示す選択を確認した後の正しい方向を示しています。</li>
	</ol></li>
	<li>図5に示すように、経路ガイダンスに従って研磨と腐食のために部屋に入ります。強調表示された研磨機を見つけ、研磨機のグリッパーをクリックして、象眼細工の試験片をグリッパーに取り付けます。成形材料基板を除去するために試験片を研削および研磨する速度を設定します。 注意: 金型のパターンが露出するまで、金型の片側で金型を研磨します。</li>
</ol>4. 試験片の特性評価
<ol><li>化学薬品を使用する前に電子ノートに登録してください。化学薬品保管キャビネットを開き、固体KOHとアセトン溶液を取り出します。強調表示されたビーカーをクリックして、アセトン溶液を使用して標本を洗浄します。腐食液調製用の別の強調表示されたビーカーと固体KOHをクリックして、10%KOH溶液を調製します。強調表示されたKOH溶液と試験片をクリックして、試験片を金属組織試験片に腐食させます。 注:この実験では、シリコンモールドを除去するために、通常、6 mol / L KOH溶液を調製し、試験片を調製溶液に入れ、腐食溶液と試験片を含むビーカーをホットプレートに置いて加熱し、腐食速度を加速します。</li>
	<li>シリコン基板を取り外した後、試験片を洗浄し、光学顕微鏡下で準備した試験片で特性試験を実行します。 注意: 研削および腐食後の試験片の完全性を判断することを忘れないでください。</li>
</ol>5. 試料の装填とナノインデンターの設置
<ol><li>試料をナノインデンターの試料ステージにロードします。コーン圧子を選択して、マイクロおよびナノメカニクス試験システムのドライバーに取り付けます。強調表示されたドライブをクリックして、ナノインデンターに接続します。 注意: 圧子を取り付けるときは、「ピン」をドライブシャフトに挿入する必要があり、ドライブシャフトは細いバーであるため、ねじ端のある圧子をドライブにねじ込むときにラッチがドライブシャフトを損傷するのを防ぎます。</li>
</ol>6. SEM のその場 実験
<ol><li>ナノインデンターの圧子を取り付け、5.1の説明に従って試料をロードした後、SEM制御ソフトウェアの ベント ボタンをクリックします。</li>
	<li>真空を破った後SEMチャンバーを開き、SEM試料台にナノインデンターを設置し、ワイヤーを接続します(図6 は、ワイヤーの1つを接続した例を示しています)。</li>
	<li>ナノインデンターの制御ソフトウェアを開き、 ロードされた圧子範囲を選択し>、実験プロトコルを選択して>初期化*(サンプルステージの初期化)>コントローラーを起動します。 注意: ナノインデンターサンプルステージの位置初期化プロセスは、ナノインデンターサンプルステージの初期化プロセスがSEM電子出口ポートの極に当たらないように、SEMキャビティが開いた状態で実行する必要があります。</li>
	<li>SEMチャンバーを閉じ、SEM制御ソフトウェアの ポンプ ボタンをクリックします。</li>
	<li>SEM制御ソフトウェアの[ 上 へ]または [下 ]ボタンをクリックして、測定するサンプルがSEM視野に入るようにサンプルステージの位置を調整します。[ OK ]ボタンをクリックして位置を修正します。強調表示されたEHTボタンをクリックして、電子銃をオンにします。 カメラ ボタンをクリックし、電子顕微鏡観察モードに切り替えます。 注意: ナノインデンターの圧子は、測定するサンプルに徐々に近づくように観察モードで制御する必要があります。</li>
	<li>ナノインデンターの制御ソフトウェアの[ 実行 ]ボタンをクリックします。 注:実験中は、試験片の装填プロセス中の変形特性と故障プロセスを観察および記録し、実験が完了した後、データをプロットおよびエクスポートするために、実験の元のデータをデータ分析ウィンドウで開く必要があります。</li>
	<li>ナノインデンターの制御ソフトウェアの 停止 ボタンをクリックして、実験を終了します。 注: 仮想シミュレーション実験はここで終了します。ユーザーは、実験後に仮想インターフェイスでオンライン試験演習を完了するように求められます。</li>
</ol>

<ol><li>Chong, K. Nano mechanics/materials research. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChong%2C+K+%22Nanomechanics+of+Materials+and+Structures%22">Nanomechanics of Materials and Structures</a>. Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. 13-22 (2006).</li>
<li>Ratner, B. M., Ratner, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRatner%2C+BM+%22Nanotechnology%3A+A+Gentle+Introduction+to+the+Next+Big+Idea%22">Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea</a>. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).</li>
<li>Li, Y., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precipitation+behavior+in+boundaries+and+its+influence+on+impact+toughness+in+22Cr25Ni3W3CuCoNbN+steel+during+short-term+ageing%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering+A%22%5BJournal%5D)">Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing.</a> Materials Science and Engineering A. 809, 140924(2021).</li>
<li>Li, Y., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strengthening+mechanisms+and+creep+rupture+behavior+of+advanced+austenitic+heat+resistant+steel+SA-213+S31035+for+A-USC+power+plants%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering+A%22%5BJournal%5D)">Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants.</a> Materials Science and Engineering A. 775, 138991(2020).</li>
<li>Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precipitate+evolution+during+the+aging+of+Super304H+steel+and+its+influence+on+impact+toughness%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering+A%22%5BJournal%5D)">Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness.</a> Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).</li>
<li>Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+SEM+cyclic+nanoindentation+of+pre-sintered+and+sintered+zirconia+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068(2022).</li>
<li>Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNautiyal%2C+P+%22In-situ+Mechanics+of+Materials%22">In-situ Mechanics of Materials</a>. , Springer. Cham, Switzerland. 227-238 (2020).</li>
<li>Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-temperature+mechanics+of+boron+nitride+nanotube+%26%2334%3BBuckypaper%26%2334%3B+for+engineering+advanced+structural+materials%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Nano+Materials%22%5BJournal%5D)">High-temperature mechanics of boron nitride nanotube &#34;Buckypaper&#34; for engineering advanced structural materials.</a> ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).</li>
<li>Cao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlations+between+microstructure%2C+fracture+morphology%2C+and+fracture+toughness+of+nanocrystalline+Ni-W+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22Scripta+Materialia%22%5BJournal%5D)">Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys.</a> Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+a+web-based+digital+twin+thermal+power%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Industrial+Informatics%22%5BJournal%5D)">Toward a web-based digital twin thermal power.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+virtual+simulation+to+digital+twins+in+online+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%222021+40th+Chinese+Control+Conference%22%5BJournal%5D)">From virtual simulation to digital twins in online laboratories.</a> 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).</li>
<li>Dede, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Immersive+interfaces+for+engagement+and+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Immersive interfaces for engagement and learning.</a> Science. 323 (5910), 66-69 (2009).</li>
<li>Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Training+effectiveness+evaluation+of+helicopter+emergency+relief+based+on+virtual+simulation%5BTitle%5D)+AND+%22Chinese+Journal+of+Aeronautics%22%5BJournal%5D)">Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interactive+and+visualized+online+experimentation+system+for+engineering+education+and+research%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research.</a> Journal of Visualized Experiments. (177), e63342(2021).</li>
<li>Galán, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Safe+experimentation+in+optical+levitation+of+charged+droplets+using+remote+labs%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs.</a> Journal of Visualized Experiments. (143), e58699(2019).</li>
<li>Ouyang, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Unity3D-based+interactive+three-dimensional+virtual+practice+platform+for+chemical+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Applications+in+Engineering+Education%22%5BJournal%5D)">A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering.</a> Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).</li>
</ol>

著者は開示するものは何もありません。

仮想シミュレーション実験の利点の1つは、ユーザーが物理システムの損傷や自分自身への危害を心配することなく実験を実行できることです11。したがって、ユーザーは、正しい操作または間違った操作を含む任意の操作を実行できます。ただし、システムは、インタラクティブな実験に統合された警告メッセージをユーザーに提供し、間違った操作が行われたときに実験を正しく実施するようにガイドします。このようにして、ユーザーは正しい操作を学ぶことができます。例えば、 図9のようにSEMの操作を行うと、SEM検出器をレベルアップしすぎて、誤って破損してしまうことがあります。
物理実験室での実践的な実験と同様に、仮想実験を行うユーザーも正しい手順に従う必要があり、実験と安全意識を高める可能性があります。たとえば、 図10に示すように、金属組織試験片に試験片の腐食プロセス用のKOH溶液を調製する場合、ユーザーは化学薬品を使用する前にノートに登録する必要...

力学は工学の基礎学問の一つであり、数理力学と理論知識の基礎に重点が置かれ、学生の実践力の育成に注意が払われています。現代の科学技術の急速な進歩に伴い、ナノ科学技術は人間の生活と経済に大きな影響を与えてきました。米国国立科学財団(NSF)の元所長であるリタ・コルウェルは、2002年にナノスケール技術が産業革命1に匹敵する影響を与えると宣言し、ナノテクノロジーは本当に新しい世界へのポータルであると述べました2。ナノスケールでの材料の機械的特性は、ナノデバイス3,4,5などのハイテクアプリケーションの開発にとって最も基本的で必要な要素の1つです。ナノスケールでの材料の力学的挙動と応力下での構造進化は、現在のナノメカニカル研究において重要な課題となっています。
近年、ナノインデンテーション技術、電子顕微鏡技術、走査プローブ顕微鏡などの開発と改善により、「in situ力学」実験はナノメカニクス研究において重要な高度な試験技術となっています6,7。明らかに、教育と科学研究の観点から、機械実験に関する伝統的な教育内容に最先端の実験技術を導入する必要があります。
しかし、微視的力学の実験は、巨視的な基礎力学の実験とは大きく異なります。一方では、関連する機器や機器はほとんどすべての大学で普及していますが、価格とメンテナンスコストが高いため、その数は限られています。短期的には、オフライン教育に十分な機器を購入することは不可能です。財源があっても、このタイプの機器は高精度の特性を備えているため、オフライン実験の管理および保守コストが高すぎます。
一方、走査型電子顕微鏡(SEM)などのin situ力学実験は非常に包括的であり、高い運用要件と非常に長い実験期間があります8,9。オフライン実験では、学生は長時間集中する必要があり、誤操作は機器を損傷する可能性があります。非常に熟練した個人であっても、実験を成功させるには、適格な標本の準備から、その場力学実験のための標本のロードまで、完了するまでに数日かかります。したがって、オフライン実験教育の効率は非常に低いです。
上記の問題に対処するために、仮想シミュレーションを利用することができます。仮想シミュレーション実験教育の開発は、 in situ 力学実験機器のコストと量のボトルネックに対処できるため、学生はハイテク機器に損傷を与えることなく、さまざまな高度な機器を簡単に使用できます。また、シミュレーション実験実習では、いつでもどこでもインターネット を介して 仮想シミュレーション実験プラットフォームにアクセスすることができます。一部の低コストの楽器でも、学生は事前に仮想楽器を使用してトレーニングや練習を行うことができるため、教育効率が向上する可能性があります。
本研究では、Webベースのシステム10のアクセシビリティと可用性を考慮して、in situ 力学実験を中心に、力学と材料の基本操作に関連する一連の実験を提供できるWebベースの仮想シミュレーション実験システムを提示します。

<table><tbody><tr><td>仮想インターフェイス</td><td>なし</td><td></td><td>なし http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd</td></tr></tbody></table>

走査型電子顕微鏡による力学の仮想シミュレーション実験:材料の変形と破壊

A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy

この作業では、材料の変形と破壊を検出するための一連の包括的な仮想実験を提示します。金属組織切断機や高温ユニバーサルクリープ試験機など、力学および材料分野で最も一般的に使用される機器は、Webベースのシステムに統合され、没入型のインタラクティブな学習環境でユーザーにさまざまな実験サービスを提供します。この作業のプロトコルは、材料の準備、標本の成形、標本の特性評価、標本のローディング、ナノインデンターの設置、およびSEM のin situ 実験の5つのサブセクションに分かれており、このプロトコルは、さまざまな機器の認識と対応する操作、および実験室の意識の向上に関する機会をユーザーに提供することを目的としています。 など、仮想シミュレーションアプローチを使用します。実験の明確なガイダンスを提供するために、システムは次のステップで使用する機器/標本を強調表示し、機器につながる経路を目立つ矢印でマークします。実践的な実験を可能な限り模倣するために、3次元の実験室、機器、操作、および実験手順を設計および開発しました。さらに、仮想システムは、実験中に化学物質を使用する前に、インタラクティブな演習と登録も考慮します。誤った操作も許可され、ユーザーに通知する警告メッセージが表示されます。システムは、さまざまなレベルのユーザーにインタラクティブで視覚化された実験を提供できます。

システムは、ユーザーの操作に関する明確なガイダンスを提供します。まず、ユーザーがシステムに入ると、初心者レベルのトレーニングが統合されます。次に、次のステップの操作に使用する機器と実験室が強調表示されます。
このシステムは、さまざまなレベルの学生に対して、いくつかの異なる教育目的に使用できます。たとえば、図1には、機械および材料の分野で最も一般的に使用される7つのタイプの機器、すなわち、金属組織切断機、高温万能クリープ試験機、金属組織試料象眼細工機、研磨機、光学顕微鏡、SEM、およびマイクロおよびナノメカニクス試験システムが含まれています。初心者向けのガイダンスでは、実験で使用したすべての機器の説明について学ぶことができます。次に、すべての機器を1つずつ使用して実験を完了します。学生は、操作スキルを習得するまで、繰り返し実験するための機器を選択できます。
図3と<strong...

本研究では、材料の変形・破壊に関する3次元仮想シミュレーション実験を行い、可視化された実験プロセスを提供します。一連の実験を通じて、ユーザーは機器に精通し、没入型のインタラクティブな学習環境で操作を学ぶことができます。

This work presents a set of comprehensive virtual experiments to detect material deformation and failure. The most commonly used pieces of equipment in ...

実験プロトコール、機器の使い方、理論的検証の指導に活用し、操作や実験技術の向上を繰り返し得ることができます。3次元仮想シミュレーション実験の側面は、物理システムに損傷を与えたり、怪我をしたりすることを恐れることなく、材料の変形や故障を検出するために行うことができます。インターフェースにアクセスして入力した後、写真のガイダンスに従って、高温ユニバーサルクリープ試験機に仮想的に到達し、スタック試験片を機械のプレートクランプの間に配置します。テストマシンの左側にある仮想コンピューターが強調表示されたら、仮想コンピューターをクリックして、マシンの制御コンピューターにテストスキームを設定します。次に、強調表示された加熱および真空ポンプ装置をクリックして、電源をオンにします。強調表示されたそれぞれのボタンをクリックして、インターフェースで仮想機械式ポンプとバッキングバルブを開き、システムの真空制御設定を完了します。ユニバーサルクリープ試験機のコントロールパネルで、クリアボタンをクリックしてデータをクリアし、実行ボタンをクリックして、平行平板圧縮成形法を使用して金型のパターンを金属シートにコピーする実験を完了します。金型鋳造が完了したら、仮想コンピューターをもう一度クリックし、ユニバーサルクリープ試験機の制御コンピューターで実験データを確認します。金属組織試料象嵌機のカバープレートを開き、試験片を配置します。準備した粉末を注ぐには、強調表示されたポリメチルメタクリレートまたはPMMA粉末をクリックします。次に、強調表示された金型をクリックして、PMMAパウダーの上に置きます。次に、強調表示されたハンドホイールをクリックし、金型の位置を調整してカバープレートを自動的に覆います。オン、オフボタンをクリックして、象眼細工の電源を入れます。冷却後、象眼細工のPMMA試験片を取り出します。写真に示されている経路ガイダンスに従って、研磨と腐食のために部屋に入ります。強調表示された研磨機を見つけ、機械のグリッパーをクリックして、象眼細工された試料をグリッパーに取り付けます。成形材料基板を除去して試験片を研削・研磨する速度を設定します。金型のパターンが露出するまで、金型の片側を研磨します。試料の特性評価を実行するには、化学薬品保管キャビネットを仮想的に開き、固体水酸化カリウムを取り出します。強調表示されたビーカーと腐食液調製用の固体水酸化カリウムをクリックして、10%水酸化カリウム溶液を作ります。強調表示された水酸化カリウム溶液と試験片を選択して、はしごを金属組織標本に腐食させます。次に、シリコン基板を取り外した後の試験片を洗浄し、光学顕微鏡下で準備した試験片を用いて特性試験を実行する。試料をナノインデンターの試料ステージにロードし、コーンと圧子を選択して、マイクロおよびナノメカニクス試験システムのドライバーに取り付けます。強調表示されたドライブをクリックして、ナノインデンターに接続します。ナノインデンターを取り付け、SEM制御ソフトウェアに試料をロードした後、ベントボタンをクリックします。真空を破った後、SEMチャンバーを開き、SEMサンプルステージにナノインデンターを設置し、写真のようにワイヤーを接続します。次に、ナノインデンターの制御ソフトウェアを開き、ロードされた圧子範囲を順次選択します。実験プロトコルを選択します。コントローラーと init を起動して、サンプル ステージの初期化を開始します。初期化後、SEMチャンバーを閉じて、SEM制御ソフトウェアのポンプボタンをクリックします。次に、SEM制御ソフトウェアの上ボタンまたは下ボタンをクリックして、SEM視野に沿ったサンプルステージの位置を調整します。[OK]ボタンをクリックして位置を修正します。強調表示されたEHTボタンを選択して、電子銃をオンにします。カメラボタンを選択して電子顕微鏡観察モードに切り替えます。最後に、ナノインデンター制御ソフトウェアで[実行]をクリックします。実験を終了するには、ナノインデンターの制御ソフトウェアの停止ボタンをクリックします。このシステムは、実験スキームの設計を操作と組み合わせることで強化し、即座に検証を提供しました。例えば、ユーザが試験片の配置方向を選択すると、金属組織試料象嵌機を使用するためのインターフェースが結果を示した。同様に、亀裂が存在するマイクロカンチレバービームの内部整備士の実験から得られた変位時間と応力ひずみ曲線を分析することにより、ユーザーは結果がどのように得られたかを判断できます。シミュレーションシナリオでは、レオロジー実験を行う前に、作製する試料の長さと直径の比に応じて荷重サイズと荷重時間を評価する必要があり、試行錯誤のアプローチが多かった。さらに、実験後の統合演習により、実験プロセス全体を体系的にレビューし、理論を実験に結び付けることができます。Webベースの仮想シミュレーションを使用して、学生は平均して約73分で実験を完了し、アプローチの効率を検証しました。エンジニアリングメカニックの学生の2つのグループのオンライン試験の結果は、仮想インターフェイスの経験がある人はそうでない学生よりも優れたパフォーマンスを示し、アプローチの効率をさらに示しました。これにより、高度なマイクロおよびナノスキルの機械実験のテスト技術、方法、および原理を習得するように学生を訓練することにより、学生に研究への関心と革新の感覚を教えています。

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ソフトバイオマテリアルの高ひずみ速度機械的応答を評価するための結合実験、有限要素モデリング手法

私たちは、MEMSデバイスの検査および特徴付けのためにコンパクトな反射デジタルホログラフィックシステム（CDHM）を提示します。自然の幾何学的な倍率を提供発散入力波を用いたレンズレス設計が実証されています。静的および動的の両方の研究が提示されています。...

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

半導体材料の転位および粒界の光学的、電気的、構造的特性は、走査型電子顕微鏡で行われる実験によって決定することができます。電子顕微鏡は、陰極発光、電子ビーム誘起電流、および反射電子の回折を調べるために使用されてきました。...

走査型電子顕微鏡による半導体材料における拡張欠陥の総合的な特性評価

巨視的サンプルを使用すると電気的および熱的効果を電気的に補助された変形（EAD）に分離することは非常に困難である。ジュール加熱なしでの形成に及ぼす印加電流の影響およびこれらの試料上の転位の進化を評価するために、カスタム試験手順とともに金属サンプルのマイクロおよびナノ構造が開発されている。...

のための新しい方法<em&gt;現場で</em&gt;ナノスケール試料の電気機械的特性

亜粒レベルで累積的な変形場を明らかにするき裂成長速度測定場とひずみ場解析を組み合わせた新しい方法論的アプローチを用いた微視組織的微小疲労き裂の成長挙動を調べた。...

全視野ひずみ測定における微視組織的微小疲労き裂の伝ぱデジタル画像相関法を用いた

このプロトコルは、三軸圧縮時に粒状土壌の高空間分解能コンピュータ断層撮影(CT)画像を取得し、これらのCT画像に画像処理技術を適用して、粒状の機械的挙動を探索する手順を説明する。積み込み中の土壌。...

シンクロトロンX線マイクロ断層撮影によるせん断下の粒状土壌の故障の可視化と関連する粒状土壌の機械的挙動

このプロトコルは、大容量のマイクロCTスキャン、カスタムメイドの圧縮ステージ、および高度な画像処理ツールを組み合わせることにより、近位ヒト大腿骨全体の骨微細構造の変形とその靭性の測定を可能にします。...

ヒト股関節の微細構造破壊機構のイメージング

積層造形ポリマーは、弾性メタマテリアルの製造に広く使用されています。しかし、超音波周波数でのこれらのポリマーの粘弾性挙動は、まだ十分に研究されていません。この研究では、3Dプリントされたポリマーの粘弾性特性を推定し、それらを使用してメタマテリアルのダイナミクスを分析する方法を示すプロトコルを報告しています。...

アディティブマニュファクチャリングによって生成される散逸性弾性メタマテリアルの特性評価 

走査プローブ単電子容量分光法は、ローカライズされた地下の地域での単一電子の運動の研究を促進する。敏感な電荷検出回路は、半導体試料の表面の下にドーパント原子の小規模システムを調査するために極低温走査型プローブ顕微鏡に組み込まれる。...

走査プローブ単電子容量分光

学ぶ 走査型電子顕微鏡を用いた材料の変形と破壊の仮想シミュレーション実験。3次元バーチャル環境で高温クリープ試験機やナノインデンターの操作を安全に練習し、実験スキルと理論理解を向上させます。

走査型電子顕微鏡による力学の仮想シミュレーション実験:材料の変形と破壊

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