Summary
חיתוך בצורת Y מודד קשקשי אורך רלוונטיים לשבר ואנרגיות בחומרים רכים. מנגנונים קודמים תוכננו למדידות ספסל. פרוטוקול זה מתאר את הייצור והשימוש במנגנון המכוון את ההתקנה אופקית ומספק את יכולות המיקום העדינות הדרושות לצפייה באתר , בתוספת כימות כשלים, באמצעות מיקרוסקופ אופטי.
Abstract
חיתוך בצורת Y הוכח לאחרונה כשיטה מבטיחה שבאמצעותה ניתן להבין את סולם אורך הסף ואנרגיית הכשל של חומר, כמו גם את תגובת הכשל שלו בנוכחות אנרגיית עיוות עודפת. מנגנון הניסוי ששימש במחקרים אלה היה בכיוון אנכי ודרש צעדים מסורבלים כדי להתאים את הזווית בין הרגליים בצורת Y. הכיוון האנכי אוסר על ויזואליזציה במיקרוסקופים אופטיים סטנדרטיים. פרוטוקול זה מציג מנגנון חיתוך בצורת Y המורכב אופקית מעל שלב קיים במיקרוסקופ הפוך, ניתן לכוונן אותו בשלושה ממדים (X-Y-Z) כך שיתאים לשדה הראייה של המטרה, ומאפשר שינוי קל של הזווית בין הרגליים. שתי התכונות האחרונות חדשות עבור טכניקה ניסיונית זו. המנגנון המוצג מודד את כוח החיתוך בדיוק של 1 mN. בעת בדיקת פולידימתילסילוקסאן (PDMS), חומר הייחוס לטכניקה זו, נמדדה אנרגיית חיתוך של 132.96 J/m 2 (זווית רגל של 32°, טעינה מראש של 75 גרם) ונמצא כי היא נופלת בטעות של מדידות קודמות שנלקחו עם מערך אנכי (132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2). הגישה חלה על חומרים סינתטיים רכים, רקמות או ביו-ממברנות ועשויה לספק תובנות חדשות לגבי התנהגותם במהלך כישלון. רשימת החלקים, קבצי CAD וההוראות המפורטות בעבודה זו מספקים מפת דרכים ליישום קל של טכניקה רבת עוצמה זו.
Introduction
מכניקת הרצף הלא ליניארי סיפקה עדשה קריטית שדרכה ניתן להבין את ריכוז האנרגיה המוביל לכשל במוצקים רכים1. עם זאת, החיזוי המדויק של כשל זה דורש גם תיאורים של המאפיינים המיקרו-מבניים התורמים ליצירת פני שטח חדשים בקצה הסדק 2,3. שיטה אחת לגשת לתיאורים כאלה היא באמצעות הדמיה באתרו של קצה הסדק במהלך כישלון 4,5. עם זאת, קהות סדקים בבדיקות שבר טיפוסיות בשדה רחוק הופכת את רכישת הנתונים באתרם למאתגרת על ידי פיזור החומר המעוות מאוד, שעשוי להיות מחוץ לשדה הראייה של המיקרוסקופ6. חיתוך בצורת Y מציע חלופה ייחודית להדמיה מיקרו-מבנית מכיוון שהוא מרכז את האזור של עיוות גדול בקצה להב7. יתר על כן, עבודות קודמות של הקבוצה שלנו מראות כי גישה ניסיונית ייחודית זו יכולה לספק תובנה לגבי ההבדלים בתגובת הכשל בין קריעה בשדה רחוק לבין תנאי טעינה בתיווך מגע7.
שיטת החיתוך בצורת Y המשמשת במנגנון המוצג כאן תוארה לראשונה לפני עשרות שנים כשיטת חיתוך לגומי טבעי8. השיטה מורכבת מחיתוך דחיפה של להב קבוע דרך פיסת בדיקה טעונה מראש בצורת Y. בהצטלבות של האות "Y" נמצא קצה הסדק, שנוצר לפני הבדיקה על-ידי פיצול חלק מחתיכה מלבנית לשתי "רגליים" שוות (איור 1B ואיור 2D). היתרונות העיקריים של שיטת חיתוך זו כוללים הפחתת תרומות החיכוך לאנרגיית החיתוך הנמדדת, גיאומטריית הלהב המשתנה (כלומר, אילוץ של גיאומטריית קצה הסדק), בקרת קצב הכשל (באמצעות קצב התזוזה של הדגימה), וכוונון נפרד של החיתוך, C וקריעה, T, תרומות אנרגיה לסך האנרגיה G חתך (כלומר, שינוי אנרגיית הכשל מעבר לסף חיתוך)8. התרומות האחרונות באות לידי ביטוי פשוט וסגור לאנרגיית החיתוך9
Eqn (1)
המשתמש בפרמטרים שנבחרו בניסוי, כולל עובי דגימה, t, מאמץ רגל ממוצע, , כוח טעינה מראש, fpre, והזווית בין הרגליים לציר החיתוך, 
θ. כוח החיתוך, fcut, נמדד באמצעות המנגנון כמפורט ב- Zhang et al.9. יש לציין כי המנגנון המוצג כאן כולל מנגנון חדש, פשוט ומדויק לכוונון זווית הרגל, θ, ולהבטחת ריכוז הדגימה. בעוד ששתי התכונות קריטיות להתקנה המותקנת במיקרוסקופ, המנגנון עשוי להועיל גם ליישומים אנכיים עתידיים של מבחן החיתוך בצורת Y על ידי הגדלת קלות השימוש.
ההתקדמות בקביעת קריטריוני הכשל המתאימים למוצקים רכים נמשכת מאז ההצלחה המוקדמת של גיאומטריות שבר בלתי תלויות מדגם שהוצגו על ידי ריבלין ותומס10. נעשה שימוש בקצבי שחרור אנרגיה קריטיים10, חוקי אזור מלוכדים 11, וצורות שונות של גישות מתח או אנרגיה מרחוק12,13,14. לאחרונה, ג'אנג והאצ'נס מינפו את הגישה השנייה, והראו כי חיתוך בצורת Y עם להבי רדיוס קטנים מספיק יכול להניב תנאי כשל סףלשבר רך 7: אנרגיית כשל סף וסולם אורך סף לכשל שנע בין עשרות למאות ננומטרים בפולידימתילסילוקסאן הומוגני ואלסטי מאוד (PDMS). תוצאות אלה שולבו עם מידול רצף ותורת קנה מידה כדי לפתח קשר בין חיתוך וקריעה בחומרים אלה, ובכך הדגימו את התועלת של חיתוך בצורת Y למתן תובנות לגבי כל המצבים של כשל רך. עם זאת, התנהגותם של סוגים חומריים רבים, כולל חומרים מפזרים ומרוכבים, עדיין לא נחקרה. צפוי כי רבים מהם יציגו השפעות הנשלטות על ידי מיקרו-מבנים בסקאלות אורך מעל אורך הגל של האור הנראה. לכן, במחקר זה תוכנן לראשונה מנגנון המאפשר אפיון חזותי צמוד של השפעות אלה במהלך חיתוך בצורת Y (למשל, בחומרים מרוכבים, כולל רקמות רכות, או בתהליכי פיזור, הצפויים בסקאלות אורך מיקרומטר עד מילימטר15).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. התאמה וייצור של חלקים הניתנים לשינוי ומתכלים
- השתמשו בחותך לייזר או במדפסת תלת-ממד כדי לייצר לשוניות ABS או אקריליק חד-פעמיות שמתאימות לרוחב רגלי הדגימה, B1 ו-B2 (7.5 מ"מ x 7.5 מ"מ עבור דגימה של 1.5 ס"מ x 7 ס"מ x 3 מ"מ) (איור 1B ואיור 2D). יש צורך בשתי כרטיסיות לכל מבחן, אחת לכל רגל.
- תפס סכין גילוח
הערה: המידות המדויקות של תפס סכין הגילוח הנדרש תלויות בעומק סכין הגילוח שבו נעשה שימוש.- שנה את עיצוב ה- CAD (ראה רשימת חומרים) תפס להב. SLDPRT (קובץ קידוד משלים 1) על-ידי שינוי רוחב בסיס התפס כך שהמרחק מקצה סכין הגילוח שנבחר לחלק האחורי של התפס הוא 30.35 מ"מ (איור 1D). התאמה זו שומרת את קצה הלהב ישירות מתחת לנקודת הציר (איור 1E) של מנגנון כוונון הזווית (איור 1A ואיור 2A) המשמש לכוונון הזווית בין הרגליים.
הערה: המכשיר יכול להחזיק להבים בעומק של 8-20 מ"מ. - באמצעות הגדרות עדינות, הדפס בתלת-ממד את תפס סכין הגילוח (איור 1D). עקב שגיאות הדפסה בתלת-ממד, ייתכן שתפס סכין הגילוח לא יתאים להדפסה. כדי לתקן זאת, השתמש בנייר זכוכית או בקובץ דק כדי להסיר חומר מגבו של תפס סכין הגילוח עד שניתן יהיה להכניס אותו ולהסיר אותו מהחריץ שלו בתושבת תפס הלהב ביד, אך הוא עדיין הדוק במהלך החיתוך.
- שנה את עיצוב ה- CAD (ראה רשימת חומרים) תפס להב. SLDPRT (קובץ קידוד משלים 1) על-ידי שינוי רוחב בסיס התפס כך שהמרחק מקצה סכין הגילוח שנבחר לחלק האחורי של התפס הוא 30.35 מ"מ (איור 1D). התאמה זו שומרת את קצה הלהב ישירות מתחת לנקודת הציר (איור 1E) של מנגנון כוונון הזווית (איור 1A ואיור 2A) המשמש לכוונון הזווית בין הרגליים.
- שנה את מידות מחזיק הדגימה (איור 1C) באמצעות מחזיק הדגימה של קובץ העיצוב CAD. SLDPRT (קובץ קידוד משלים 2) כדי להתאים לפתיחת שלב המיקרוסקופ הספציפי (איור 2B). כדי להבטיח שהמנגנון יוכל להשתמש בטווח התנועה המלא שלו, חשוב שהחלל הפנימי של המחזיק יישאר גדול ככל האפשר.
- מחזיק תא טעינה
הערה: תאי עומס מסוג כיפוף מגיעים בגיאומטריות רבות. המיקום שבו יש להרכיב את חיישן העומס (השקופית הפנימית, איור 1E) ידרוש התאמה בהתאם לתא העומס שנבחר.- התאם את הממדים הבאים בשקופית הפנימית (איור 1E) כדי להתאים לתא העומס הספציפי: 1) מיקום חורי ההרכבה (כרגע שני חורי M3 עם מרחק של 6 מ"מ ממרכז למרכז); 2) המרחק בין קרן תא העומס לבין מישור ההחלקה הפנימי, בהתאם לסטייה המרבית של קרן תא העומס (כיום ב -3 מ"מ); ו-3) הגובה והרוחב כדי להתאים לגיאומטריית תא עומס (כיום 35 מ"מ ו-12.1 מ"מ, בהתאמה).
הערה: טווח אורך תאי העומס שניתן להשתמש בו מבלי להפריע למערכת הכוונון האנכי (איור 1E ואיור 2A) הוא 10-63 מ"מ. אם גודל תא העומס נמצא מחוץ לטווח הזה, חלופה היא להסיר את מערכת כוונון הגובה או לעצב מחדש/להאריך את זרועות הגלגלת (איור 1A).
- התאם את הממדים הבאים בשקופית הפנימית (איור 1E) כדי להתאים לתא העומס הספציפי: 1) מיקום חורי ההרכבה (כרגע שני חורי M3 עם מרחק של 6 מ"מ ממרכז למרכז); 2) המרחק בין קרן תא העומס לבין מישור ההחלקה הפנימי, בהתאם לסטייה המרבית של קרן תא העומס (כיום ב -3 מ"מ); ו-3) הגובה והרוחב כדי להתאים לגיאומטריית תא עומס (כיום 35 מ"מ ו-12.1 מ"מ, בהתאמה).
- עצבו מחדש, תוך שימוש בקובצי CAD המתאימים, את פלטפורמת ההרכבה וזרועות המסגרת (איור 1A) כך שיתאימו לשלב המיקרוסקופ/מיקרוסקופ הספציפי שבו נעשה שימוש. באופן ספציפי, זרועות המסגרת (זרוע מסגרת. SLDPRT, קובץ קידוד משלים 3) ייתכן שיהיה צורך לשנות כדי להקל על ההתקשרות. גובה זרועות הגלגלת (איור 1A) (זרוע הגלגלת. SLDPRT, קובץ קידוד משלים 4 וגלגלת arm_Mirror.SLDPRT, קובץ קידוד משלים 5) עשויים גם הם להיות נחוצים לשינוי בהתאם לגבהים של מישור חורי ההרכבה של המיקרוסקופ והמישור העליון של שלב XY של המיקרוסקופ.
2. הרכבה מכנית
- לאחר שכל רכיבי המיקרוסקופ, תא העומס, סכין הגילוח והדגימה שונו כראוי, ייצרו את כל הרכיבים ובנו את המנגנון (איור 2A). הרכיבים כוללים חלקי מדף מודפסים בתלת-ממד, בחיתוך לייזר ובמסחריות. רשימה מפורטת של חלקים ניתנת בטבלת החומרים. שרטוטי הרכבה ממוחשבים של כל החלקים והרכבת המכשירים זמינים בקבצי קידוד משלימים 1-17.
- כדי להרכיב את תא הטעינה, חברו תחילה את תושבת תפס הלהב לתא הטעינה (איור 1E). חברו את המכלול הזה לשקופית הפנימית של מערכת הכוונון האנכי (איור 1E ואיור 2A). חברו את המערכת המשולבת של תושבת תפס הלהב, תא הטעינה וההחלקה הפנימית של מערכת הכוונון האנכי לתוך ההחלקה החיצונית של מערכת הכוונון האנכי (איור 1E) המותקנת בתחתית מנגנון כוונון הזווית (איור 1A ואיור 2A).
הערה: תאי עומס מיקרו הם שבירים. יש לנקוט משנה זהירות בעת הטיפול בתא העומס כדי למזער את הכוחות המופעלים עליו מחוץ לבדיקה, במיוחד כוחות בכיוון מדידת העומס.
3. הרכבה חשמלית
- הגדר את תא הטעינה ואת מערכת רכישת הנתונים. בנו מעגל הגברה לפי הסכמה (איור 1F, סכמת מעגל הגברה. SchDoc [קובץ קידוד משלים 18], ומעגל הגברה PCB. PcbDoc [קובץ קידוד משלים 19]). חבר את אות הפלט ישירות למערכת איסוף נתונים עם טווח קלט של 0-5 וולט. חברו את רכיבי המעגל לפי איור 1G.
- כיול תא העומס על ידי הצבת משקל של כמות ידועה על קרן הסטייה ורישום פלט המתח בקוד הכיול (calibrate_ni_daq.mlapp, קובץ קידוד משלים 20). חזור על תהליך זה לפחות פי 5 עבור משקלים שונים של כמות ידועה.
- חשב את קבוע כיול תא העומס על-ידי התאמת נתוני המשקל לעומת המתח הידועים לקו. הזן ערך כיול זה בקוד איסוף הנתונים (collect_data.mlapp, קובץ קידוד משלים 21).
הערה: הגישה לרכישת נתונים תלויה בסוג תא הטעינה שנבחר. במחקר זה, נעשה שימוש בתא עומס סטייה עם קיבולת מדורגת מקסימלית של 0.5 N, 0.05% תפוקה מדורגת (R.O.) חזרה מקסימלית, ו 0.03% R.O. היסטרזיס. אות הפלט ~10 mV מוגבר כדי לאפשר שימוש במערכת מסחרית לרכישת נתונים (DAQ) (טווח קלט של -5 עד 5 וולט, רזולוציה של 16 סיביות). כתוצאה מכך, התקבלה רזולוציית כוח עדינה מ -1 mN בעת איסוף נתונים בקצב של 20 הרץ לאחר החלת מסנן חציון מתגלגל.
4. הרכבה של מכשיר
- לאחר בניית המכשיר והגדרת תא העומס ומערכת איסוף הנתונים, החלף את מחזיק השקופיות המקורי המותקן על הבמה במחזיק הדגימה המותאם אישית.
- חברו את המכלול למיקרוסקופ. השתמש בחורי הרכבה על פני השטח העליונים של המיקרוסקופ אם זמינים.
- קבעו את זווית החיתוך על-ידי שחרור הזווית, התאמת בורג האגודל ולאחר מכן הזזת השקופית הליניארית (איור 1A). קבעו את הזווית לאחר מדידתה באמצעות מדיד (איור 2A) והדקו את בורג האגודל של התאמת הזווית. ניתן לכוונן את הזווית בין רגל לבין מישור האמצע של הדגימה, θ, בין 8°-45° (איור 1B).
- הציבו שתי גלגלות אנכיות מאחורי המנגנון.
5. הכנת מדגם
- מידות לדוגמה: הכן מדגם מלבני דק (לדוגמה, 1.5 ס"מ x 7 ס"מ x 3 מ"מ) של PDMS (ראה טבלת חומרים) על ידי חיתוכו מיריעה גדולה יותר או באמצעות תבנית במידות הנכונות. הממדים עשויים להשתנות, אך מומלץ להתחיל ברוחב של 1.5 ס"מ או פחות עבור מדגם בעובי של 3 מ"מ ומטה.
- חיתוך הרגליים: בעזרת סכין גילוח, חתכו את הדגימה 3 ס"מ לאורך קו האמצע כדי ליצור דגימה בצורת Y (איור 1B). אורך זה עשוי להשתנות, אך הרגליים צריכות להיות ארוכות מספיק כדי להכיל את הכרטיסיות אך קצרות מספיק כדי להשאיר דגימה לא חתוכה למדידה.
- סימון מדידת מאמץ: בעזרת סמן או דיו, הניחו שני סימנים, ממורכזים ומופרדים בכ-1 ס"מ, על כל אחת מהרגליים הדקות (איור 2D) ועל גוף הדגימה (שש בסך הכל) כדי לאפשר מדידה של המתיחה המיושמת בכל אחת משלוש רגלי הדגימה תחת עומס.
- חיבור הלשוניות: השתמשו בדבק ציאנואקרילט דמוי דבק כדי לחבר לשונית מודפסת בתלת-ממד או חתוכה בלייזר (שלב 1.1) לסוף כל רגל (איור 1B ואיור 2D).
- הכינו את קו המתח: מדדו וחתכו שני אורכים של חוט דיג דק. יש צורך בכ-30 ס"מ של קו לניתוב פנימי דרך המנגנון; הוסף עוד לפי הצורך כדי לנתב את הקו לקבוצה החיצונית של הגלגלות (שלב 4.4). מחברים פלטות שקילה של 5 גרם לקצה הקווים העוברים דרך הגלגלות החיצוניות וקושרים את הקצה השני ללשונית בכל רגל.
6. הרכבה לדוגמה
הערה: יש לנקוט משנה זהירות במהלך שלב זה כדי להבטיח שהדגימה לא תיגע במטרה של המיקרוסקופ כדי למנוע פגיעה בו. זה עשוי לעזור להתאים את המטרה ואת שלב המיקרוסקופ כדי ליצור מקום רב ככל האפשר עבור הרכבה דגימה.
- הדקו את בסיס הדגימה באמצעות בורג האגודל של מחזיק הדגימה (איור 1C).
- נתב את הקו של כל רגל דרך כל צד של מערכת הגלגלות (איור 1A ואיור 2A). צלם תמונה של הדגימה מלמעלה כאשר הדגימה נמצאת תחת משקל זניח על ידי החזקת מצלמה כנגד החלק התחתון של מנגנון התאמת הזווית. ודא שהמצלמה מקבילה למישור הדגימה כדי למזער את אפקטי הפרספקטיבה.
- הוסף את משקל ההעמסה הרצוי של 75 גרם לשני קצוות קו הדיג ליד הגלגלות החיצוניות. הגדל כמות זו ל- 150 גרם או הקטן אותה ל- 50 גרם כדי לשנות את תרומת הקריעה במידת הצורך עבור חומר וגיאומטריה לדוגמה זו. צלם תמונה שנייה של הדגימה לאחר הוספת המשקל, וודא שוב שהמצלמה מקבילה למישור הדגימה.
הערה: המשקולות לדוגמה המובאות כאן חלות באופן ספציפי על מדגם PDMS ששימש במחקר זה. - יישרו את קו הדיג מהגלגלת התחתונה ביותר עם מישור Z של רגלי הדגימה באמצעות רכיב Z של שלב המיקרו-התאמה התלת-כיווני (איור 1A). מקם בקירוב את קצה הלהב הצפוי קרוב לשדה הראייה של המטרה (איור 2B).
7. הרכבה על להב
- הכנס את סכין הגילוח לתפס הלהב המתאים לו (שלב 1.2) וחבר את הלהב למקומו באמצעות בורג מוגדר. הושיבו את הלהב בחוזקה לתוך תפס הלהב (איור 1D ואיור 2C) כדי לוודא שהוא מרובע. החלק את סכין הגילוח החתוך הזה לתוך תושבת תפס הלהב המחוברת לתא הטעינה (איור 1E).
הערה: יש למקם את הלהב תמיד לאחר התקנת הדגימה. אם הלהב נמצא במקום לפני הדגימה, הוא מהווה סיכון בטיחותי למשתמש.
8. יישור המנגנון
- בחר את מטרת המיקרוסקופ 2.5x, או גבוה עד 20x אם רוצים תמונות קרובות יותר.
- השתמש בהגדרת האור המשודרת, והגדל את האור מאחורי הדגימה במידת הצורך.
- כשהלהב במקומו, מקדו את המיקרוסקופ בתחתיתו, באמצעות מערכת הכוונון האנכית של הלהב במידת הצורך כדי להביא את הקצה למרחק העבודה המתאים למטרה (איור 1E ואיור 2A). יישרו בזהירות את סכין הגילוח בתוך שדה הראייה של המיקרוסקופ באמצעות כיווני X ו-Y בלבד של שלב המיקרו-התאמה התלת-כיווני (איור 1A).
- לאחר מכן, מקדו את המיקרוסקופ על הדגימה. יישרו את קצה הסדק עם סכין הגילוח (איור 2B) על-ידי תרגום שלב XY במיקרוסקופ (איור 1A) כדי להבטיח שמישור האמצע של הדגימה מתיישר עם מישור האמצע של מנגנון התאמת הזווית.
9. בדיקות
- פתח את הקוד המשמש לאיסוף נתוני תא הטעינה (collect_data.mlapp, קובץ קידוד משלים 21).
- התחל להקליט את טען נתוני תא על ידי לחיצה על התחל להקליט לחצן.
- תרגם את הדגימה דרך סכין הגילוח במשך 1 ס"מ או יותר במהירות קבועה באמצעות בקרת שלב במיקרוסקופ. אספו תמונות בו זמנית באמצעות ממשק ההדמיה של המיקרוסקופ.
- כאשר שלב XY במיקרוסקופ נעצר (איור 1A), לחץ על הלחצן הפסק הקלטה כדי להפסיק להקליט נתונים ולשמור באופן אוטומטי קובץ *.txt של תגובת העומס והזמן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הפרמטרים המשמשים במהלך שלב 4 ושלב 6 והנתונים שנאספו במהלך שלב 6 ושלב 9 משתלבים כדי להניב את אנרגיית החיתוך של הדגימה. על פי Eqn. 1, קביעת אנרגיית החיתוך דורשת את הפרמטרים הבאים: עובי הדגימה, t, כוח העמסה מראש, fpre, והזווית בין הרגליים לציר החיתוך, θ. נדרשים גם הנתונים הבאים: כוח החיתוך, fחתך ומאמץ הרגל הממוצע, . הראשון מגיע מנתוני זמן כוח שנאספו באמצעות קוד המחשב. נתוני זמן הכוח ממבחן טיפוסי (איור 3A) מדגימים כוח התחלתי גבוה, כפי שנדרש בדרך כלל להתחלת חיתוך, ואחריו כוח קבוע, המצביע על חיתוך מצב יציב. כוח החיתוך, f cut, הוא הערך המרבי של הכוח בתוך משטר מצב יציב זה9. המאמץ הממוצע ברגליים, , ניתן על ידי
Eqn (2)
כאשר תמונות של הדגימה שנטענה לפני ואחרי החיתוך (שלב 6.2 ושלב 6.3) משמשות כגאז' מאמץ אופטי למדידת λ B 1, λB2 ו- λA. לבסוף, ערכים אלה משולבים כדי לחשב את אנרגיית החיתוך באמצעות Eqn. 1.
עבור התוצאות המייצגות שדווחו כאן: להב חד במיוחד (רדיוס 129 ננומטר), זווית רגל של 32° ועומס מקדים של 75 גרם ( = 1.04), מדדנו אנרגיית חיתוך של 132.96 J/m2 עבור PDMS. ערך זה מתיישב היטב עם אנרגיית החיתוך שהושגה בעבר בתנאים אלה של 132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2, ובכך מאמת את החלק המכני של מערך הבדיקה שהודגם כאן9. אם תרצה, ניתן להמיר את נתוני זמן הכוח בקירוב לנתוני תזוזה בכוח באמצעות פרוטוקול תנועת שלב המיקרוסקופ (למשל, מהירות קבועה).
הכדאיות של ההתקנה לאיסוף סימולטני של תמונות מיקרוסקופ מודגמת באיור 3B. תמונות אלה נאספות באמצעות מטרה של פי 2.5 1) מתחילת הבדיקה, 2) מעבר להתחלת החיתוך, ו-3) לאורך כל המצב היציב בדגימת PDMS בדוגמת כתמים מעורבבת ביחס של היצרן של 10:1. שמרנו על מיקוד לאורך כל הבדיקה והדגמנו התאמה אחד לאחד בין הנתונים המכניים והאופטיים. נציין כי האיכות וההגדלה של תמונות המיקרוסקופ המתקבלות יהיו תלויות בשילוב המערכת/המטרה/שלב/התוכנית בה נעשה שימוש.
איור 1: תמונות CAD של התקן חיתוך בצורת Y המותקן במיקרוסקופ . (A) מנגנון החיתוך המלא המותקן מעל מיקרוסקופ הפוך עם שלב XY אוטומטי. לא מוצגות הגלגלות האנכיות מאחורי המערכת שמהן תולים משקולות מתות כדי ליצור כוחות העמסה מראש, fpre, על הדגימה. (B) הדגימה מורכבת מרגל אחת, "A", שממנה נחתכות שתי רגליים שוות, "B1" ו-"B2", ליצירת צורת "Y" עם זווית רגל θ. (C) מחזיק הדגימה מחזיק את הדגימה במקומה בתוך חריץ בשלב המיקרוסקופ. (D) התצוגה העליונה של תפסי הלהבים הניתנים להתאמה אישית מראה כיצד העיצוב מחדש שלהם מתאים ללהבים בגבהים שונים תוך שמירה על מרווח של 30.35 מ"מ המיישר את החלק העליון עם נקודת הציר של מנגנון התאמת הזווית. (E) מבט צדדי מקרוב על מערכת הכוונון האנכית, תא הטעינה וחלקי ההרכבה של תפס הלהב. (F) האות מתא העומס מתווך על ידי מעגל הגברה המשמש להמרת פלט תא העומס (0-10 mV) לטווח 0-5 V של מערכת איסוף הנתונים. (ז) מעגל זה מיושם על ידי חיבורו לספק הכוח, לתא העומס ולמערכת איסוף הנתונים באמצעות מעגל מודפס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תצלומים של מכשיר חיתוך בצורת Y המותקן במיקרוסקופ. (A) תצלום של מתקן החיתוך התפעולי בצורת Y עם אזורים בצבע כוזב שנוספו כדי לציין את תכונות העיצוב העיקריות. (B) מבט קדימה על המכשיר הממחיש את היישור המשוער של תא העומס ומישור האמצע של הדגימה ומציין את האזור שיש לחתוך שנמצא בתוך שדה הראייה של מטרת המיקרוסקופ. (להב ותפס להב אינם מותקנים.) (C) דוגמאות של להבים וקליפסים מותקנים בגובה כולל שווה של 30.35 מ"מ. (D) דגימה בצורת PDMS בצורת Y לפני ההרכבה, עם הלשוניות וקו הדיג מחוברים. סמנים Fiducial נוספו לרגליים "B1" ו "B2" כדי למדוד את המתיחה הממוצעת עם יישום preload. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: תוצאות חיתוך מייצגות באתרן . (A) עקומת זמן-כוח עבור PDMS (10:1) באמצעות להב אולטרה-חד (רדיוס של 129 ננומטר), זווית רגל של 32° וטעינה מראש של 75 גרם ( = 1.04). אזורי ההעמסה האלסטית, ייזום החיתוך, חיתוך המצב היציב והפריקה של העקומה מסומנים. (B) מוצגים עיגולים אדומים המתאימים לתמונות המתקבלות במיקרוסקופ. עיגול צהוב נוסף כדי להקל על התבוננות בתנועת תבנית הכתמים. סרגל קנה מידה = 1 מ"מ. חותמות זמן, תוך שניות, כלולות בפינה השמאלית העליונה של כל תמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
קובץ קידוד משלים 1. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 2. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 3. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 4. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 5. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 6. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 7. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 8. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 9. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 10. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 11. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 12. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 13. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 14. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 15. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 16. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 17. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 18. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 19. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 20. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ קידוד משלים 21. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מנגנון החיתוך האופקי בצורת Y שדווח כאן מאפשר יכולות הדמיה באתרו יחד עם קלות שימוש משופרת בטכניקת כשל זו. המנגנון כולל עיצוב מודולרי/נייד להרכבה/פירוק מהירים ממיקרוסקופ וכוונון רציף ומראש של זווית הרגל. כל קבצי ה- CAD, החומרים והנהלים הנדרשים נכללו כדי להקל על יישום שיטה זו. במקרים רבים (מחזיקי להבים, מחזיק דגימה, הרכבה על תא עומס, מסגרת הרכבה), ניתן לשנות בקלות את החלקים המודפסים בתלת-ממד עבור חומר/להב נתון או תא עומס / מיקרוסקופ ספציפי. עם זאת, הטיפים הבאים חלים על כל הפרמטרים והשימושים של מנגנון זה.
המשקל המשמש להחזקת כל רגל במתח הוא קריטי למדידה מוצלחת. משקל נמוך מספיק מבטיח כי הבדיקה לא נכשל מיד (זה יכול להיות מועיל להחיל משקל לאט בהדרגה). עם זאת, העמסת הרגליים בכוח קטן מדי תגרום לחבישת דגימה, שתוביל את הדגימה להתקפל מתחת או לפני הלהב במקום או תוך כדי חיתוך. כוח חיתוך "נראה" יכול להימדד בתנאים אלה, אך הוא לא יהיה כוח החיתוך של החומר.
רגלי הדגימה חייבות להיות באורך המתאים למחזיק הדגימה ולנסיעה הרצויה. רגליים ארוכות מדי ייתקלו במערכת הגלגלות לפני ביצוע חתך ארוך מספיק. הרגליים חייבות להיות ארוכות מספיק כדי להכיל את הכרטיסיות. עבור גיאומטריית מחזיק המדגם המדווחת כאן, אורך מדגם כולל של 7 ס"מ עם רגליים של 3 ס"מ מספק נקודת התחלה טובה. יש לכייל את תא העומס לפני כל שימוש. תנועה פתאומית של המנגנון עלולה לגרום לתא העומס להיות לא מכויל או אפילו פגום.
השינויים העיקריים מתחלקים לשתי קטגוריות: התאמת ציוד/רכיבים זמינים ודרישות חומר/הדמיה. במונחים של הקטגוריה הראשונה, מסגרת הרכבה מכשיר עשוי להיות מותאם ליישום על מיקרוסקופים שונים. ניתן לשנות את תושבת תא העומס, הכוונון האנכי או הזרועות התומכות בקבוצה הראשונה של הגלגלות כדי להתאים לתאי עומס באורכים שונים. תפסי הלהב עשויים לדרוש התאמה בהתאם לעומק הלהב, כמפורט בשלב 2.2 של הפרוטוקול. מבחינת הקטגוריה השנייה, ניתן לשנות את מחזיק המדגם כך שיתאים למגבלות מרחק העבודה או סביבת המדגם. לדוגמה, במקרה של בדיקת חומרים רוויי לחות, ניתן לשלב צלחת פטרי או מגלשה מתחת לדגימה כדי להגן על המיקרוסקופ ולשמור על הידרציה.
בדומה לחיתוך אנכי בצורת Y, גישה זו חלה בעיקר על מוצקים רכים וחזקים למדי. חומרים קשיחים מעדיפים להתפתל במקום להתכופף כלפי חוץ ולשמור על דגימה מישורית כאשר מופעל עומס המשרה Y16. כאשר הדגימות שבירות במיוחד, נדרשות זוויות רגליים נמוכות כדי להשיג תרומת קריעה נמוכה מספיק (Eqn. 1), ואז החיכוך יכול להפוך לבעיה. דגימות לחות, בדרך כלל בעלות חיכוך נמוך מאוד, עשויות להיות היוצא מן הכלל לבדיקות בזוויות רגליים נמוכות כל כך. מניסיון, זוויות רגליים >35° בדרך כלל נמנעות מהשפעות חיכוך בסיליקון 7,9 "דביק" יחסית. שינויים בגיאומטריית הדגימה, בסביבה או בזווית הלהב עשויים להתגבר על רבים מהמחסומים הללו, עם הזמן. מגבלות מהירות החיתוך והבקרה ישתנו עם שלב המיקרוסקופ XY האוטומטי בו נעשה שימוש. באופן ספציפי, שילובי שלבים/תוכנה מסוימים מספקים רק כמה אפשרויות סטנדרטיות למהירות קבועה. במהירויות חיתוך גבוהות יותר, רכישת תמונה עשויה שלא להספיק כדי למנוע טשטוש. כל המגבלות הללו תלויות במיקרוסקופ וביצרני השלבים, אך ניתן להתגבר עליהן על ידי יישום מכשיר זה במיקרוסקופ מותאם אישית.
חיתוך בצורת Y מאפשר לקבוע את תכונות כשל הסף של מוצקים רכים ומספק תובנה לגבי תגובות הכשל הבסיסיות של חומרים אלה בתנאים מבוקרים מאוד. עם השינוי המסופק על ידי המנגנון המפורט כאן, מדידות מכניות אלה יכולות כעת להיות משולבות עם טכניקות אפיון אופטיות קיימות כגון, אך לא רק, את הדברים הבאים: הפעלת מכנופור5, דור הרמוני שני (SHG)17, ומתאם תמונה דיגיטלית18. שילוב זה צפוי להניב תצפיות חדשות וניתנות לכימות על הקשר האינטימי בין מיקרו-מבנה וריכוז מתח בכשל רך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
ברצוננו להודות לד"ר ג'יימס פיליפס, ד"ר איימי ווגונר-ג'ונסון, אלכסנדרה שפיצר ואמיר אוסטדי על עצתם בעבודה זו. המימון הגיע ממענק סטארט-אפ שניתן על ידי המחלקה למדעי מכונות והנדסה באוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid ו- C. Walsh קיבלו כולם קרדיט עיצוב בכיר על עבודתם בפרויקט זה.
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).
