Method Article

Um milímetro escala Flexural sistema de testes para medir as propriedades mecânicas de espículas de esponja marinha

DOI:

10.3791/56571

⸱

October 11th, 2017

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Apresentamos um protocolo para a realização de testes de flexão de três pontos no sub milímetros fibras de escala usando um dispositivo de teste mecânico custom-built. O dispositivo pode medir forças que variam de 20 µN até 10 N e, portanto, pode acomodar uma variedade de tamanhos de fibra.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Muitos carga rolamento estruturas biológicas (LBBSs) — como rachises pena e espículas — são pequenas (< 1 mm) mas não microscópicas. Medindo o comportamento à flexão destes LBBSs é importante para compreender as origens de suas funções mecânicas notáveis.

Descreveremos um protocolo para realização de testes de flexão de três pontos usando um dispositivo de teste mecânico personalizado que pode medir forças que variam de 10-5 a 101 N e deslocamentos variando de 10-7 a 10-2 m. A principal vantagem deste dispositivo mecânico de testes é que as capacidades de força e o deslocamento podem ser facilmente ajustadas para LBBSs diferentes. Princípio de funcionamento do dispositivo é semelhante de um microscópio de força atômica. Ou seja, a força é aplicada para a LBBS por um ponto de carga que é anexado ao fim de um cantilever. O deslocamento do ponto de carga é medido por um sensor de deslocamento óptica de fibra e convertido em uma força usando a rigidez cantilever medido. Intervalo de força do dispositivo pode ser ajustado usando cantilevers de diferentes stiffnesses.

Os recursos do dispositivo são demonstrados através da realização de testes de flexão de três pontos sobre os elementos esqueléticos da esponja marinha Euplectella Aspersório. Os elementos esqueléticos — conhecido como espículas — são fibras de sílica que são aproximadamente 50 µm de diâmetro. Descrevemos os procedimentos para calibrar o aparelho de teste mecânico, as espículas de montagem em um dispositivo elétrico flexão de três pontos com uma extensão de mm ≈1.3, e realizando uma flexão de teste. Medem-se a força aplicada para o spicule e sua deflexão no local da força aplicada.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ao estudar as arquiteturas de estruturas biológicas (LBBSs), tais como shell e osso de rolamento da carga, os engenheiros desenvolveram novos materiais compósitos que são forte e duro 1. Ficou demonstrado que as propriedades mecânicas notáveis de LBBSs e os seus homólogos de bio-inspirado estão relacionadas com suas arquiteturas internas intricadas 2. No entanto, as relações entre arquiteturas LBBS e propriedades mecânicas não são totalmente compreendidas. Resposta mecânica de um LBBS de medição é o primeiro passo para entender como sua arquitetura melhora suas propriedades mecânicas.

No entanto, é importante que o tipo de teste usado para medir a resposta mecânica de um LBBS é consistente com a sua função mecânica. Por exemplo, uma vez que as penas devem suportar cargas aerodinâmicas, a principal função de um ráquis pena é fornecer a rigidez à flexão 3. Portanto, um teste de dobrando é preferido a um teste de tensão uniaxial para medir sua resposta mecânica. Na verdade, muitos LBBSs — tais como a pena rachises 3, grama caules 4e espículas 5,6,7,8— principalmente se deforma, dobrando. Isto é porque estes LBBSs são delgadas —ou seja, seu comprimento é muito maior que sua largura ou profundidade. No entanto, realizando testes de flexão nestas LBBSs é um desafio porque as forças e deslocamentos que eles podem suportar antes de falhar variam de 10-2 -102 N e 10-4 a 10-3 m, respectivamente 3 , 4 , 5 , 7 , 8. por conseguinte, o dispositivo usado para realizar esses ensaios mecânicos deve ter força e deslocamento resoluções de ≈10-5 N e ≈10-7 m (ou seja, 0,1% da força máxima mensurável e deslocamento do sensor), respectivamente.

Comercialmente disponível, em grande escala, sistemas de ensaios mecânicos normalmente não se pode medir forças e deslocamentos com esta resolução. Enquanto força atômica baseada em microscópio 9,10 ou Microeletromecânicos baseadas em sistemas 11 dispositivos de teste têm resolução adequada, a força máxima (deslocamento respectiva) podem medir é menor do que o força máxima (deslocamento respectivo) que pode suportar a LBBS. Portanto realizar testes de flexão esses LBBSs, engenheiros e cientistas deve contar com Custom-Built mecânico teste dispositivos 5,7,12,13. A principal vantagem destes dispositivos personalizados é que podem acomodar grandes gamas de forças e deslocamentos. No entanto, a construção e o funcionamento destes dispositivos não está bem documentada na literatura.

Um protocolo é descrito, realizando testes de flexão de três pontos usando um dispositivo de teste mecânico personalizado que pode medir as forças que variam de 10-5 a 101 N e deslocamentos variando de 10-7 a 10-2 m. Desenhos técnicos, incluindo todas as dimensões, os componentes do dispositivo de teste mecânico são fornecidos no Material complementar. A principal vantagem deste dispositivo de testes mecânicos é que os intervalos de força e o deslocamento podem ser facilmente ajustados para se adequar a diferentes LBBSs. Princípio de funcionamento do dispositivo é semelhante de um microscópio de força atômica 9. Neste dispositivo, um espécime é colocado através de uma trincheira cortar em uma placa de aço inoxidável (veja a Figura 1A-C). A extensão da trincheira é medida de micrografias ópticas para ser 1278 ± 3 µm (média ± desvio-padrão; n = 10). As bordas de trincheira apoiar a amostra durante um teste de flexão (ver Figura 1e D). Nesta fase de amostra é anexada a um estágio de tradução de três eixos e posicionada debaixo de uma cunha de alumínio para que a cunha está localizada no meio do caminho em toda a extensão da trincheira (ver Figura 1C). Movendo o palco figure-introduction-1 direção (ver figura 1Ae C), a amostra é empurrada para a cunha causando o espécime para dobrar.

Nos referimos a cunha como a ponta do ponto de carga (LPT) e o componente do dispositivo que contém a cunha como o ponto de carga (LP). O LP é anexado ao fim de um cantilever cujo deslocamento é medido por um sensor de deslocamento óptica de fibra (FODS). O FODS emite luz infravermelha, que é refletida em um espelho localizado na superfície superior do LP (ver Figura 1B) e recebido por uma fibra óptica no FODS. Uma peça quadrada de uma bolacha de silicone polido ≈5 mm é usada como o espelho de LP e aposição do LP usando epóxi. O FODS mede deslocamentos, comparando a intensidade da luz emitida e refletida. A rigidez do cantilever e deslocamento são usados para calcular a força, figure-introduction-2 , vividas por Cunha devido à sua interação com a amostra. O deslocamento do cantilever também é usado para calcular o deslocamento de seção transversal do espécime sob a cunha, figure-introduction-3 . Sensores de força baseados em cantilever têm sido usados em um número de micro e macroescala mecânica teste estudos 10,11,12,13,14. O design específico apresentado aqui é uma adaptação de um dispositivo mecânico de teste utilizado para a realização de experiências de contato adesivo 14. Um projeto similar também tem sido usado em um micro disponível comercialmente-tribometer 15,16.

figure-introduction-4
Figura 1: visão geral do dispositivo mecânico Custom-Built teste. (A), A renderização de desenho assistido por computador do dispositivo. Os componentes de fase são destacados em verde. A força de sensoriamento subconjunto (cantilever, ponto de carga (LP)) é destacada em vermelho. (B) uma ampliada vista do (A). O espelho de LP é mostrado em azul na superfície superior do LP sob o FODS e é rotulado LPM. (C) o sistema de coordenadas usado para descrever o movimento da fase de tradução. Por nivelamento thestágio e na etapa 1.9 do protocolo, o figure-introduction-5 direção feita para coincidir com o vetor normal à superfície do espelho LP. (D), um esquema da configuração de flexão de três pontos mostrando a deformação do spicule e os deslocamentos medidos figure-introduction-6 , e figure-introduction-7 . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os recursos do dispositivo são demonstrados através da realização de testes de flexão de três pontos sobre os elementos esqueléticos da esponja marinha Euplectella Aspersório6,7. Esqueleto desta esponja é um conjunto de filamentos, chamados espículas (ver Figura 2). As espículas são ≈50 µm de espessura e são compostas principalmente de silicone 6. Espículas baseada em Biosilica são encontradas em esponjas, pertencentes às classes de Demospongiae, Homosclerophorida e Hexactinellida. Esponjas, tais como E. Aspersório, que pertencem à classe Hexactinellida também são conhecidas como "esponjas de vidro". Enquanto as espículas de esponjas de vidro são compostas principalmente de sílica, tem sido demonstrado que a sílica geralmente contém uma matriz orgânica composta ou colágeno 17,18 ou quitina 19,20 , 21. esta matriz orgânica desempenha um papel importante em sílica biomineralização 18,20. Além disso, em algumas espículas a matriz orgânica também serve como um modelo para a biomineralização de cálcio 22. Além de ser distribuída dentro da sílica, a matriz orgânica também pode formar camadas distintas que particionem sílica do spicule em lamelas concêntricas, cilíndricas 6,23. Tem sido demonstrado que essa arquitetura concêntrica, lamelar pode afetar deformação comportamento 6,7,8,24,25,26 das espículas . Por conseguinte, propriedades mecânicas das espículas são determinadas por uma combinação de sua química (i. e., a estrutura química do composto a sílica-proteína) e sua arquitetura 27. A estrutura química e a arquitetura de espículas de esponja de vidro ainda estão sob investigação de28, 24,29.

A maioria das espículas em Aspersório E. é cimentada juntos para formar uma gaiola esquelética rígida. No entanto, na base do esqueleto... há um tufo de muito tempo nas espículas (≈10 cm) conhecido como as espículas de âncora (ver Figura 2). Descrevemos o protocolo para a realização de testes de flexão de três pontos em pequenas secções de espículas a âncora.

Na etapa 1 do protocolo, é descrito o procedimento para montagem e alinhando os componentes do dispositivo de teste mecânico custom-built. As etapas 2 e 4 do protocolo fornecem instruções para gerar dados de calibração, usados para calcular as forças e deslocamentos no teste de flexão. As medidas tomadas para preparar uma seção de um spicule e montá-lo para o dispositivo de teste são descritas na etapa 3. O procedimento para a realização dos ensaios de flexão na seção spicule é descrito na etapa 5. Finalmente, na seção de Resultados de representante dos dados de calibração obtidos nos passos 2 e 4 são utilizados juntamente com os dados de teste flexão obtidos na etapa 5 para calcular figure-introduction-8 e figure-introduction-9 .

figure-introduction-10
Figura 2: Procedimento para corte e inspecionando espículas E. Aspersório. (A) o esqueleto de E. Aspersório. O tufo de espículas de âncora autônoma é mostrado na base do esqueleto. Barra de escala é ~ 25 mm. (B) uma spicule única âncora é mantido no lugar em uma corrediça do microscópio usando um pincel de de Marta #00000 vermelho e seccionado usando uma lâmina de barbear. Barra de escala é ~ 12 mm. (C) uma seção de um Aspersório E. spicule colocada do outro lado da trincheira, na fase de amostra. A bordas de trincheira e a trincheira ridge são destacadas em verde-azulado e laranja, respectivamente. O spicule é empurrado contra o cume de trincheira para garantir que seu eixo é perpendicular às bordas da trincheira. (D) A Micrografia de uma spicule que passa o procedimento de inspeção descrito no passo 3.4 do protocolo, que descreve como determinar se uma seção de spicule está danificada e deve ser descartada. (E) A lâmina histológica de um spicule contendo muitas rachaduras e falta de grandes seções de camadas de sílica que falhariam o procedimento de inspeção descrito no passo 3.4 do protocolo. Escala de barras = 250 µm (C), (D) de 100 µm e 100 µm (E). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. montagem e alinhamento

  1. escolher um cantilever cuja rigidez é apropriado para a experiência pretendida. Anexe o LP para o cantilever usando #4-40 cabeça parafusos sextavados de cabeça (SHCSs) (ver Figura 3). Tome cuidado para não plasticamente deformar os braços cantilever enquanto anexar o LP.

figure-protocol-1
Figura 3: procedimento para montagem cantilever força sensor e medição sua rigidez. Ponto (A) a carga (LP) é anexado para o cantilever (C), com a ponta do ponto de carga (LPT) apontada para cima. (B) cantilever e submontagem LP é anexada à placa do cantilever, denotado como CP. O bolso embutido da placa do cantilever é mostrado sob os braços do cantilever. (C) a placa do cantilever é anexado à parte inferior do quadro para que o lado da placa mostrada em (B) é voltado para o figure-protocol-2 direção. O micrômetro FODS é denotado como FM (D), o gancho de arame e pesos de calibração usados na etapa 2 do protocolo são mostrados pendurado o buraco o LPT. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. aplicar algumas gotas de 2-propanol a um cotonete de algodão livre de fiapos e limpe a superfície do espelho LP. Inspecionar o espelho para arranhões e substituir o espelho se está danificada.
  2. Vagamente anexar cantilever para a placa do cantilever usando #6-32 SHCSs no lado da placa que contém o bolso embutido com o LPT apontando para longe da placa (ver Figura 3 B). Coloque a 1/8 " pinos de alinhamento através do cantilever e placa, aperte os parafusos e remova os pinos de alinhamento.
  3. Retrair o FODS tanto quanto possível, girando o FODS micrômetro anti-horário (ver Figura 3 C). Instale sem apertar a placa do cantilever de quadro usando SHCSs #6-32 com o LPT apontando no figure-protocol-3 direção (ver Figura 1 A). Coloque a 1/8 " pinos de alinhamento através da placa do frame e do cantilever, aperte os parafusos e remova os pinos de alinhamento (veja Figura 3 C).
  4. Ativar o poder fornece e definir a tensão de 12,00 V em modo de tensão constante com o botão de ajuste. Em seguida, ligue a saída de tensão e confirmar que a tração atual exibido na fonte de alimentação ' s LCD tela é aproximadamente 60-70 mA. Espere pelo menos uma hora para o sorteio atual atingir o estado estacionário, para reduzir a incerteza de medição de tensão.
  5. , Abra e execute o programa Basic_Data (consulte os arquivos de código complementar). Rode o micrômetro FODS (ver C Figura 3 e Figura 4) para a direita para mover os FODS em direção a LP do espelho até a tensão de saída exibida no gráfico interface usuário atinge um valor máximo.
    1. Ajustar o ganho do FODS, girando o conjunto de parafusos do lado da carcaça FODS para que a tensão de saída é 5.0 V. vez o micrômetro FODS anti-horário para retrair o FODS.
  6. Ativar o iluminador microscópio e ajustar a posição do microscópio e concentrar-se usando as duas fases de tradução manual, de modo que o LPT é centrado no campo de visão. Parar o programa de Basic_Data clicando o ' parar ' botão.
  7. Abre o software de interface de usuário do controlador do motor. Use o controle deslizante de potenciômetro sobre o figure-protocol-4 -controlador do motor para mover o estágio para o curso máximo admissível no eixo a < img alt = "Equação 6" src = "/ arquivos/ftp_ upload/56571/56571eq6.jpg"/ > direção e conjunto a posição inicial clicando o ' Home ' botão na interface do usuário.
    1. Uso o potenciômetro deslizante sobre o figure-protocol-5-controlador do motor para mover o estágio para o curso máximo admissível no eixo o figure-protocol-6 direção e conjunto a posição inicial. Feche o software de interface de usuário.
  8. Assento o estágio na placa base do palco (ver A Figura 4) para que as dicas das cabeças de micrômetro o nivelamento de placa restante nos divots placa base do palco. Coloque um nível de bolha na mesa de isolamento e ajustar a pressão em cada um da mesa ' pernas s girando a válvula braço parafusos para que a superfície é nível.
    1. Mover o nível de bolha para o início da fase de nivelamento placa e ajustar os micrômetros, de modo que também é nível. Observe as posições do micrômetro e retire o palco da placa base de palco. Nota: O protocolo pode ser pausado aqui.

figure-protocol-7
Figura 4: O dispositivo de teste mecânico, montada em passos 1.9 e 3.7 do protocolo. (A) fase de amostra (SS), está ligado à fase de tradução (TS) e é nivelado usando os micrômetros no palco nivelamento placa (SLP), que estão assentados sobre a placa de base do palco (SBP). A placa de base do palco é anexada ao painel de experimentação ótico da tabela de isolamento. O cantilever (C); placa do cantilever (CP); e sensor de fibra óptica de deslocamento (FODS) compor a força de sistema de detecção. Ponto (B) a carga (LP) é anexado para o cantilever e a ponta do ponto de carga (LPT) é posicionada sobre o spicule em fase de amostra. Durante um teste de flexão, o deslocamento do LP é medido usando o FODS. A distância inicial entre o FODS e o espelho de LP é controlada pelo micrômetro FODS (FM), mostrado em (A). (C) A micrografia do spicule deitado do outro lado da trincheira, na fase de amostra, posicionado abaixo do LPT. Barra de escala = 250 µm (C). clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. medição de rigidez cantilever

  1. executar o programa Basic_Data e rode o micrômetro FODS no sentido horário até que a tensão de saída é aproximadamente 4 V. parar o programa clicando o ' parar ' botão.
  2. Medir a massa dos pesos de gancho e calibração fio usando uma balança analítica.
  3. Abrir o programa Cantilever_Calibration (consulte os arquivos de código complementar) e digite o nome do arquivo desejado para a força de caliarquivo de saída Bration na caixa de texto na interface do usuário.
  4. , Execute o programa Cantilever_Calibration e clique em ' Okey ' quando solicitado a inserir a massa do primeiro peso de calibração. Esperar que a tensão de saída exibida no gráfico de interface de usuário para parar a oscilação e clique o verde ' tensão estabilizada ' botão para tirar uma medição de tensão.
  5. Pinças de utilização para pendurar o fio gancho do buraco no LPT para que o gancho esteja voltado para o objetivo do microscópio (ver Figura 3 D). Use a pinça para abafar a vibração do cantilever causado pela adição do gancho.
    1. Entre a massa do gancho em gramas na caixa de diálogo e clique ' Okey '. Como na etapa anterior, esperar que a tensão de saída parar a oscilação antes de clicar o ' tensão estabilizada ' botão.
  6. Uso pinças para pendurar o primeiro peso no fio gancho e repita o processo de medir a tensão conforme descrito na etapa anterior. Repita este passo até que todos os pesos de calibração foram enforcados ou a tensão de saída é menos de 1.8 V. Neste ponto, clique ' cancelar ' na caixa de diálogo para sair do programa de Cantilever_Calibration.
  7. Gire o micrômetro FODS anti-horário para retrair o FODS. Cuidadosamente Retire o gancho e os pesos o LPT.
    Nota: O arquivo de saída de calibração de força é uma lista delimitado por tabulação da força aplicada pelas massas de calibração, a média de 100 FODS leituras de tensão de saída e o desvio padrão de leituras. A seção de Resultados de representante descreve como este arquivo de dados é processado para medir a rigidez cantilever.

3. Preparação das amostras

  1. desgaste nitrilo luvas quando estiver manipulando o Aspersório E. esqueletos de esponja e armazenar os esqueletos em recipientes selados, quando eles não estão sendo manipulados.
    Atenção: Desde que as espículas são compostas principalmente de sílica, spicule quebrado fragmentos são nítidos e podem tornar-se incorporado na pele, levando à irritação.
  2. Usar um par de pinças para agarrar um spicule âncora por sua extremidade distal e puxe-o para removê-lo do esqueleto (ver Figura 2). Coloque o spicule em uma corrediça do microscópio limpo.
  3. Segure o spicule contra o slide perto do ponto médio ao longo de seu comprimento, usando um pincel de de Marta #00000 vermelho. Cortar um ≈ seção de 4 mm do spicule empurrando uma lâmina de barbear contra o spicule em ambos os lados do pincel perpendicular ao slide de superfície (ver Figura 2 B). Descartar as seções grandes spicule distal e proximal e manter o ≈ seção de 4 mm.
  4. Inspecionar a seção 4 mm spicule usando um microscópio de luz polarizado na ampliação de 10x (consulte a Figura 2 C-E). Descartar a seção de spicule e retornar para a etapa 3.2, se está faltando grandes regiões de camadas de sílica (ver Figura 2). Lidar com seções de spicule inspecionado utilizando exclusivamente o pincel sable #00000 vermelho para evitar a introdução de novos danos em suas camadas de sílica.
  5. Limpar os fragmentos de spicule ou outras partículas da superfície da fase de amostra com um pincel ou ar comprimido. Em seguida, aplicar algumas gotas de 2-propanol a um cotonete de algodão livre de fiapos e limpar o palco de amostra. Evite o contato com as áreas do palco revestido com pintura anti-reflexo. Nota: A tinta é usada para reduzir o número de reflexões especulares nas imagens tiradas durante o teste de dobra
  6. Transferir a seção spicule para a fase de amostra. Posicione a seção de spicule do outro lado da trincheira com o intervalo desejado para o ensaio de flexão e empurre-o suavemente o figure-protocol-8 direção contra o cume de trincheira. Certifique-se de que o spicule é perpendicular às bordas da trincheira (ver Figura 2 C).
  7. Assento o palco sobre a placa de base do palco para que as pontas dos eixos do micrômetro descansem nos divots placa base do palco. Se necessário, ajuste os micrômetros no palco nivelamento placa para os valores anotados na etapa 1.9 do protocolo.

4. Tensão-deslocamento interpolação arquivo

  1. abre o programa Bending_Test (consulte os arquivos de código complementar). Definir o ' passo tamanho ' de 2 µm, ' deslocamento máximo ' a 0,5 mm, ' paragem de baixa tensão ' de 1,5 V, e ' paragem de alta tensão ' a 4.6 V usando as caixas de texto mostradas na interface do usuário. Nome de
    1. , selecione os diretórios de dados e imagem desejados e o arquivo de saída usando o texto caixas na interface do usuário. Definir o ' salvar imagens ' alternar na interface do usuário para baixo e clique no botão retangular verde abaixo as palavras ' diferença de tensão ' para que ele se torna iluminado.
  2. Executar o programa de Bending_Test e aguarde o motor controlador e câmera interfaces inicializar.
  3. Ativar o iluminador e ajustar o brilho para que o LPT é visível. Gire o micrômetro FODS no sentido horário até que a tensão de saída exibida no gráfico de interface de usuário é ~1.7 V.
    1. Uso o potenciômetro deslizante sobre o figure-protocol-9-controlador de motor de eixo para invadir o palco a figure-protocol-10 direção até é ~ 1 cm abaixo do LPT e defina o figure-protocol-11-posição inicial do eixo clicando o " Home " botão.
  4. Usar os controles deslizantes de potenciômetro sobre o figure-protocol-12- e figure-protocol-13-controladores de motor de eixo para posicionar o LPT sobre o centro da faixa de aço fino localizado no palco na amostra a figure-protocol-14 direção da trincheira. Use o controle deslizante potenciômetro no figure-protocol-15-controlador de motor de eixo para invadir o palco a figure-protocol-16 direção até o estágio encontra-se o microscópio ' campo de visão de s.
  5. Use o controle deslizante de potenciômetro sobre o figure-protocol-17-controlador de motor de eixo para invadir o palco a figure-protocol-18 direção enquanto observando o gráfico de tensão de saída na interface de usuário. Determinar a posição aproximada em que o LPT entra em contato com a fase ' superfície s procurando por uma mudança na tensão com ainda mais o movimento do palco. Retrair o palco aproximadamente 10 µm.
  6. Clique no botão rotulado " começar o teste ". Quando solicitado, insira valores de 0,003 V e 0,001 mm para ' tocar a sensibilidade ' e ' toque fora no tamanho de passo ', respectivamente. Esperar que o teste seja concluído.
    Nota: Após este ponto, não remova o palco da placa base do palco até que o teste de flexão completo para assegurar medições precisas de deslocamento. Arquivo de saída de tensão-deslocamento interpolação é uma lista delimitado por tabulação da média de 100 FODS leituras de tensão de saída e o desvio padrão de leituras junto com o figure-protocol-19- posição de palco de eixo a cada incremento de deslocamento de fase. A seção de Resultados de representante descreve como este arquivo de dados é usado para converter tensões de saída medidas FODS para deslocamentos LP.

5. Ensaio de flexão

  1. abrir e executar o Basic_Data programa e rode o micrômetro FODS ponteiros até que a tensão de saída exibida no gráfico de interface de usuário é de aproximadamente 3 V. Use o controle deslizante de potenciômetro no < img Alt = "Equação 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -controlador de motor de eixo para posicionar o LPT entre as bordas de trincheira acima o spicule (ver Figura 4 C).
    1. Uso o potenciômetro deslizante sobre o figure-protocol-20-controlador de motor de eixo para invadir o palco a figure-protocol-21 direção até o LPT é abaixo da superfície superior da crista trincheira (consulte a Figura 5 A). Finalmente, use o deslizador de potenciômetro sobre o figure-protocol-22-controlador de motor de eixo para focar a superfície frontal da crista trincheira para que toda a largura do LP é entre as bordas do cume de trincheira. Parar o programa de Basic_Data clicando o ' parar ' botão.
  2. Aberto e execute o programa Center_LoadPoint (consulte o arquivo de código complementar). Uso o figure-protocol-23-controlador de motor de eixo para mover o palco até o LPT é quase em contato com a borda Direito da trincheira. Clique o " encontrar Edge " botão.
  3. , Quando solicitado, use o figure-protocol-24-controlador de motor de eixo para mover o palco até o LPT é quase em contato com a borda esquerda da trincheira. Clique o " encontrar Edge " botão. Esperar que o programa para a posição o meio caminho LPT em toda a extensão da trincheira (consulte a Figura 5 B).
    Nota: Após este ponto é importante para não ajustar o figure-protocol-25-controlador de motor de eixo como isto irá resultar em um desalinhamento do LPT.
  4. Abre o programa Bending_Test. Definir o tamanho de passo de 2 µm, deslocamento máximo de 0,5 mm, paragem de baixa tensão de 1.5 V e paragem de alta tensão de 4.5 V, usando as caixas de texto na interface do usuário. Nome de
    1. , selecione os diretórios de dados e imagem desejados e o arquivo de saída usando o texto caixas na interface do usuário. Definir o ' salvar imagens ' alternar na interface do usuário para a posição correcta e clique no botão retangular verde abaixo palavras ' diferença de tensão ' para que ele não está iluminado.
  5. Executar o programa de Bending_Test e aguarde o motor controlador e câmera interfaces inicializar.
  6. Invadir o palco do figure-protocol-26 direção usando o controle deslizante de potenciômetro sobre o controlador do motor até o spicule encontra-se o microscópio ' s campo de visão. Use o controle deslizante de potenciômetro sobre o figure-protocol-27 -controlador de motor de eixo para mover o palco até o spicule sob o LPT.
    1. Ajustar os botões de foco do microscópio de modo que o spicule está em foco no usuário interface (consulte a Figura 4 C). Gire o micrômetro FODS anti-horário até que a tensão de saída é aproximadamente 1.8 V.
  7. Use o deslizador de potenciômetro sobre o controlador do motor do eixo z para mover o palco figure-protocol-28 direção enquanto observa o gráfico de tensão de saída na interface de usuário. Determine a posição aproximada em que o LPT entra em contato com o spicule procurando por uma mudança na tensão com mais movimento do palco. Retrair o palco aproximadamente 50 µm.
  8. Clique " começar a testar " e aguarde até que o teste de dobrando é concluído e o palco retorna para o figure-protocol-29-posição inicial do eixo.
    Nota: A fase avançarão em incrementos de 2 µm (que está prescrito no passo 5.4 do protocolo) a figure-protocol-30 direção, dobrando-se o spicule (ver Figura 5 C) até que uma das várias condições de parada é atendida. As condições de parada são: um) é alcançado o deslocamento de fase máxima de 0,5 mm; b) as quebras de spicule e o programa detecta uma grande queda na tensão da saída FODS; ou c) é atingido o limite de alta tensão de 4.5 V. Para parar a condição (a), o usuário será solicitado se eles gostariam de terminar o teste ou substituir o valor anterior. Quando ' substituir ' é selecionada, o usuário terá a oportunidade de incrementar o limite de deslocamento de fase ou inverter o sentido da etapa de deslocamento de fase para continuar a coleta de dados como o spicule é descarregado. A direção de incremento de deslocamento de fase também pode ser alterada clicando o " Reverse carregar " botão em qualquer ponto durante o teste. O arquivo de saída do teste de flexão tem a mesma estrutura do arquivo de saída de interpolação de tensão-deslocamento gerado na etapa 4.6 do protocolo. Ou seja, é uma lista delimitado por tabulação da média de 100 FODS leituras de tensão de saída e o desvio padrão de leituras junto com o figure-protocol-31-posição de fase do eixo em todas as fases incremento de deslocamento. A seção de Resultados de representante descreve como este arquivo de dados é usado junto com o arquivo de interpolação de tensão-deslocamento para calcular os deslocamentos do cantilever e deslocamentos de fase durante o ensaio de flexão. Posteriormente, a rigidez do cantilever é usada para calcular a força aplicada pelo LPT sobre o spicule.
  9. Após o teste completo, rode o micrômetro FODS anti-horário até o FODS é pelo menos 5 mm do espelho LPT. Em seguida, Retire cuidadosamente o palco de placa base fase.

figure-protocol-32
Figura 5: procedimento para alinhar o LPT com trincheira ' s meados intervalo e realizando um teste de dobra (A) o LPT é posicionado abaixo da superfície superior da crista trincheira no final da etapa 5.1 do protocolo, mas ele ainda não está posicionado no meio vão. (B) a posição do LPT após a centralização procedimento descrito nos passos 5.2 e 5.3 do protocolo são concluídas. (C) A Micrografia de um spicule tomada durante o ensaio de flexão. O deslocamento de secção transversal de spicule sob o LPT, figure-protocol-33, está marcado de forma esquemática. Escala de barras = 250 µm (A-C). clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

As saídas mais básicas de qualquer teste mecânico são a magnitude da força aplicada para a amostra e o deslocamento no local onde a força é aplicada. No caso de um teste de flexão de três pontos, o objetivo é obter a magnitude da força aplicada pelo LPT, figure-results-1 e o deslocamento de seção transversal do espécime sob o LPT no figure-results-2 direção,

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Discussion

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Diversas etapas do protocolo são particularmente importantes para garantir que as forças e deslocamentos são medidos com precisão. Enquanto alguns destes passos críticos são universais para todos os testes de flexão de três pontos, outras são exclusivas para este dispositivo de teste mecânico.

Na etapa 1.2 do protocolo o espelho LP é limpo e inspecionado por arranhões e passo 1.6 do protocolo encontra-se o ganho FODS. É importante para o ganho e a refletância ...

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Disclosures

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Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgements

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Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation [mecânica de materiais e estruturas programa, atribuir número de 1562656]; e a sociedade americana de engenheiros mecânicos [Haythornthwaite Young Investigator Award].

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Mesa de isolamento TMC 36" x 48" com placa de ensaio CleanTop de 4"Ajustadorda mesa de isolamento TMC63-563
ThorlabsDAS110Para placa de nivelamento de palco
Cabeça de micrômetro de viagem de 1" com graduações de 0,001"Thorlabs150-801MEPara placa de nivelamento de palco
Suporte de ângulo reto para estágios de translação da série PT, 1/4"- 20 Furos de MontagemThorlabsPT102Para montagem em microscópio
Estágio de Tradução em Cauda de Andorinha de 1", Torneiras de 1/4"-20 ThorlabsDT25Para montagem em microscópio
Estágio de Tradução de 1" com Parafuso de Ajuste de 1/4"-170, Torneiras de 1/4"-20 ThorlabsPT1BPara montagem em microscópio
Comprimento de 12", Trilho Óptico de Cauda de AndorinhaEdmund Optics54-401Para montagem de microscópio
2,5" de largura, suporte de cauda de andorinhaEdmund Optics54-404Para montagem de microscópio
de 0,5" de largura, suporte de cauda de andorinhaEdmund Optics54-403Para montagem de microscópio
InfiniTube Montagem C-Clamp com ¼-20Edmund Optics57-788Componente de microscópio
Padrão (sem acessório em linha), InfiniTubeEdmund Optics56-125Componente do microscópio
Acessório em linha padrão (otimizado em 2X-10X), InfiniTubeEdmund Optics56-126Componente do microscópio
Adaptador de objetiva Mitutoyo/Achrovid (M26 a M27)Edmund Optics53-787Objetiva
microscópio 5X Infinity Achrovid Componentemicroscópio
Edmund Optics 55-7900.316" ID, Adaptador de Fibra Óptica SX-6Edmund Optics38-944Componente de microscópio
¼ " x 36", Guia de Luz de Fibra Óptica FlexívelComponente de MicroscópioEdmund Optics42-347
115V, Iluminador de Fibra Óptica MI-150 com Filtro IR e SuporteMicroscópioEdmund Optics55-718
Allied Vision Manta G-223 Câmera CMOS Colorida de 2/3"Componente de MicroscópioEdmund Optics88-452
Fonte de Alimentação para Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics68-586Componente do microscópio
1/4" Estágio de tradução de eixo único de viagemThorlabsMS1SFODS micrômetro
Sensor de deslocamento de fibra óptica dependente de refletância analógicaPhiltecD20FODS
30V, 3A Fonte de alimentação DCAgilentU8001AFonte de alimentação para DAQ e FODS
14 bits, 48 kS/s DAQ multifuncional de baixo custonacional InstrumentosUSB-6009DAQ para FODS
Estágio de Tradução Motorizado de Três EixosThorlabsThorlabs T25 XYZ-E / MEstágio de Tradução
T-Cube DC Servo Motor ControllerThorlabsTDC001Controlador de motor para estágio
T-Cube Fonte de alimentaçãoThorlabsTPS001Fonte de alimentação para controlador de motor
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)National InstrumentsUsado para executar software
Software de aquisição de visão LabVIEW da National Instruments (2016)National InstrumentsUsado para executar software
Nikon Eclipse Ci-POL Corpo principalMVIMDA96000microscópio de luz polarizada
Tubo intermediário Nikon Pi com controle deslizante analisadorMVIMDB45305microscópio
de luz polarizadaMicroscópio de luz polarizada Nikon Dia-PolarizerMVIMDN11920
Cabo de alimentação - 7'6"MVI79035Microscópio de luz polarizada
Nikon P-Amh Mechanical StageMVIMDC45000Microscópio de luz polarizada
Nikon Lwd Achromat CondensserMVIMBL16100Microscópio de luz polarizada
Nikon LV-NBD5BD-CH Manual Quint Nosepiece ESDMVIMBP60125Microscópio de luz polarizada
Nikon C-TF Trinocular Tube FMVIMBB93100Microscópio de luz polarizada
Nikon CFI 10X Ocular FN 22mm NCMVIMAK10110Microscópio de luz polarizada
Nikon TU Plan Flour BD 10x ObjectiveMVIMUE42100Microscópio de luz polarizada
Venus Flower Basket SpongeDenis BrandN/AEsqueleto de esponja
3.5X Headband Flip-Up MagnifierMcMaster Carr1490T5Usado para seccionamento de espículas
Ø Wafer de silício de 1", tipo P / < 100>Ted Pella16011Usado para espelho de ponto de carga
Cotonete de Ponta Cônica de Baixa LintMcMaster Carr71035T31Usado para limpar espelho LP
Faca de precisão de borrachaMcMaster Carr35575A68Usado para seccionar espículas Lâminas de
microscópio, extremidade fosca, 75 x 25 x 1mmTed Pella260409Usado para seccionar espículas
Escovas de zibelina, #00000, 0,08 mm L x 4,0 mm CTed Pella11806Usado para manusear espículas Pinças
de alta precisão PELCO Pro, pontas extra finas, acabamento superiorTed Pella5367-5NMUsado para manusear espículas
Micrômetro de escala linear de eixo duploEdmund Optics58-608Usado para calibrar os microscópios
FLEX-A-TOP FT-38 CASRecipientes de plástico ESDFT-38-CASUsado para armazenar espículas
Frasco de plástico Bullseye LevelMcMaster Carr2147A11Usado para nivelar o estágio
Balança AnalíticaMettler ToledoMS105DUUsado para massa de pesos de calibração
de parafuso diferencial Componente do microscópio de do Componente de

References

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