Summary
Y-formet skjæring måler bruddrelevante lengdeskalaer og energier i myke materialer. Tidligere apparater ble designet for stasjonære målinger. Denne protokollen beskriver fabrikasjon og bruk av et apparat som orienterer oppsettet horisontalt og gir de fine posisjoneringsmulighetene som er nødvendige for in situ-visning , pluss feilkvantifisering, via et optisk mikroskop.
Abstract
Y-formet skjæring har nylig vist seg å være en lovende metode for å forstå terskellengdeskalaen og sviktenergien til et materiale, samt dets feilrespons i nærvær av overflødig deformasjonsenergi. Det eksperimentelle apparatet som ble brukt i disse studiene var vertikalt orientert og krevde tungvinte trinn for å justere vinkelen mellom de Y-formede bena. Den vertikale orienteringen forbyr visualisering i standard optiske mikroskoper. Denne protokollen presenterer et Y-formet skjæreapparat som monteres horisontalt over et eksisterende invertert mikroskoptrinn, kan justeres i tre dimensjoner (X-Y-Z) for å falle innenfor objektivets synsfelt, og tillater enkel modifisering av vinkelen mellom bena. De to sistnevnte funksjonene er nye for denne eksperimentelle teknikken. Det presenterte apparatet måler skjærekraften innen 1 mN nøyaktighet. Ved testing av polydimetylsiloksan (PDMS), referansematerialet for denne teknikken, ble en skjæreenergi på 132,96 J / m 2 målt (32 ° benvinkel, 75 g forspenning) og funnet å falle innenfor feilen i tidligere målinger tatt med vertikalt oppsett (132,9 J / m 2 ± 3,4 J / m2). Tilnærmingen gjelder myke syntetiske materialer, vev eller biomembraner og kan gi ny innsikt i deres oppførsel under svikt. Listen over deler, CAD-filer og detaljerte instruksjoner i dette arbeidet gir et veikart for enkel implementering av denne kraftige teknikken.
Introduction
Ikke-lineær kontinuummekanikk har gitt en kritisk linse for å forstå konsentrasjonen av energi som fører til svikt i myke faste stoffer1. Den nøyaktige prediksjonen av denne feilen krever imidlertid også beskrivelser av de mikrostrukturelle egenskapene som bidrar til ny overflatedannelse ved sprekkspissen 2,3. En metode for å nærme seg slike beskrivelser er gjennom in situ visualisering av sprekkspissen under svikt 4,5. Crack blunting i typiske fjernfeltsbrudd tester gjør imidlertid innsamling av in situ data utfordrende ved å spre ut det svært deformerte materialet, potensielt utenfor mikroskopets synsfelt6. Y-formet skjæring tilbyr et unikt alternativ for mikrostrukturell visualisering fordi den konsentrerer området med stor deformasjon på spissen av et blad7. Videre viser tidligere arbeid fra vår gruppe at denne unike eksperimentelle tilnærmingen kan gi innsikt i forskjellene i feilrespons mellom fjernfeltriving og kontaktmedierte belastningsforhold7.
Den Y-formede skjæremetoden som brukes i apparatet som presenteres her, ble først beskrevet for flere tiår siden som en skjæremetode for naturgummi8. Metoden består av et fast blad som skyver gjennom et forhåndslastet Y-formet teststykke. Ved krysset mellom "Y" er sprekkspissen, som er opprettet før testing ved å dele en del av et rektangulært stykke i to like "ben" (figur 1B og figur 2D). De primære fordelene med denne skjæremetoden inkluderer reduksjon av friksjonsbidrag til den målte skjæreenergien, den variable bladgeometrien (dvs. begrensning av sprekkspissgeometrien), kontrollen av feilfrekvensen (via prøveforskyvningshastigheten) og separat innstilling av skjæringen, C og rive, T, energibidrag til den totale energien G kutt (dvs. endre feilenergien utover en skjæreterskel)8. De sistnevnte bidragene uttrykkes i et enkelt, lukket uttrykk for skjæreenergien9
EQN (1)
som bruker eksperimentelt valgte parametere, inkludert prøvetykkelse, t, gjennomsnittlig benbelastning, forspenningskraft, fpre, og vinkelen mellom bena og skjæreaksen, 
θ. Skjærekraften, fcut, måles med apparatet som beskrevet i Zhang et al.9. Spesielt inkluderer apparatet som presenteres her en ny, enkel og nøyaktig mekanisme for å justere benvinkelen, θ, og sikre at prøven er sentrert. Selv om begge funksjonene er kritiske for et mikroskopmontert oppsett, kan mekanismen også være til nytte for fremtidige vertikale implementeringer av den Y-formede skjæretesten ved å øke brukervennligheten.
Fremgang i å bestemme passende feilkriterier for myke faste stoffer har pågått siden den tidlige suksessen med prøveuavhengige bruddgeometrier introdusert av Rivlin og Thomas10. Kritiske energiutslippshastigheter10, kohesive sonelover 11 og ulike former for stress- eller energi-at-a-distance tilnærminger12,13,14 har blitt brukt. Nylig utnyttet Zhang og Hutchens sistnevnte tilnærming, og demonstrerte at Y-formet skjæring med tilstrekkelig små radiusblader kunne gi terskelsviktbetingelser for myk brudd7: en terskelfeilenergi og en terskellengdeskala for svikt som varierer fra titalls til hundrevis av nanometer i homogen, høyelastisk polydimetylsiloksan (PDMS). Disse resultatene ble kombinert med kontinuumsmodellering og skaleringsteori for å utvikle et forhold mellom skjæring og riving i disse materialene, og demonstrerte dermed nytten av Y-formet skjæring for å gi innsikt i alle moduser for myk svikt. Imidlertid forblir oppførselen til mange materielle klasser, inkludert dissipative og komposittmaterialer, uutforsket. Det forventes at mange av disse vil vise mikrostrukturstyrte effekter på lengdeskalaer over bølgelengden til synlig lys. Derfor ble det i denne studien designet et apparat som muliggjør nær visuell karakterisering av disse effektene under Y-formet skjæring for første gang (f.eks. i kompositter, inkludert bløtvev, eller av dissipative prosesser, forventet på mikrometer til millimeter lengdeskalaer15).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Justering og produksjon av modifiserbare og forbruksdeler
- Bruk en laserkutter eller 3D-skriver til å produsere ABS- eller akrylfliker til engangsbruk som passer innenfor bredden på prøvebena, B1 og B2 (7,5 mm x 7,5 mm for en prøve på 1,5 cm x 7 x 3 mm) (figur 1B og figur 2D). To faner er nødvendig for hver test, en for hvert ben.
- Barberbladklips
MERK: De nøyaktige dimensjonene til den nødvendige barberbladklemmen avhenger av dybden på barberbladet som brukes.- Endre CAD-utformingsfilen (se Materialfortegnelse) Bladutklipp. SLDPRT (tilleggskodingsfil 1) ved å endre bredden på klipsbasen slik at avstanden fra spissen av det valgte barberbladet til baksiden av klipsen er 30,35 mm (figur 1D). Denne justeringen holder spissen av bladet rett under dreiepunktet (figur 1E) på vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A og figur 2A) som brukes til å justere vinkelen mellom bena.
MERK: Apparatet kan holde kniver med en dybde på 8-20 mm. - Bruk fine innstillinger til å 3D-printe barberbladklipsen (figur 1D). På grunn av 3D-utskriftsfeil kan det hende at barberbladklipsen ikke passer som trykt. For å fikse dette, bruk sandpapir eller en fin fil for å fjerne materiale fra baksiden av barberbladklipsen til den kan settes inn og fjernes fra sporet på bladklipsfestet for hånd, men fortsatt er tett under skjæringen.
- Endre CAD-utformingsfilen (se Materialfortegnelse) Bladutklipp. SLDPRT (tilleggskodingsfil 1) ved å endre bredden på klipsbasen slik at avstanden fra spissen av det valgte barberbladet til baksiden av klipsen er 30,35 mm (figur 1D). Denne justeringen holder spissen av bladet rett under dreiepunktet (figur 1E) på vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A og figur 2A) som brukes til å justere vinkelen mellom bena.
- Endre prøveholderdimensjonene (figur 1C) ved hjelp av CAD-designfilens eksempelholder. SLDPRT (Supplemental Coding File 2) for å passe til åpningen av det spesifikke mikroskopstadiet (figur 2B). For å sikre at apparatet kan bruke hele bevegelsesområdet, er det viktig at holderens indre hulrom forblir så stort som mulig.
- Laster celle holder
MERK: Lastceller av bøyetype kommer i mange geometrier. Plasseringen av lastsensoren skal monteres på (det indre lysbildet, figur 1E) må justeres avhengig av den valgte lastcellen.- Juster følgende dimensjoner på det indre lysbildet (figur 1E) for å imøtekomme den spesifikke lastcellen: 1) plasseringen av monteringshullene (for tiden to M3-hull med en 6 mm senter-til-senter-avstand); 2) avstanden mellom lastcellestrålen og det indre glideplanet, avhengig av maksimal avbøyning av lastcellestrålen (for tiden på 3 mm); og 3) høyden og bredden for å imøtekomme lastcellegeometri (for tiden henholdsvis 35 mm og 12,1 mm).
MERK: Lengdeområdet for veieceller som kan brukes uten å forstyrre det vertikale justeringssystemet (figur 1E og figur 2A), er 10–63 mm. Hvis lastcellestørrelsen er utenfor dette området, er et alternativ å fjerne høydejusteringssystemet eller redesigne/forlenge remskivearmene (figur 1A).
- Juster følgende dimensjoner på det indre lysbildet (figur 1E) for å imøtekomme den spesifikke lastcellen: 1) plasseringen av monteringshullene (for tiden to M3-hull med en 6 mm senter-til-senter-avstand); 2) avstanden mellom lastcellestrålen og det indre glideplanet, avhengig av maksimal avbøyning av lastcellestrålen (for tiden på 3 mm); og 3) høyden og bredden for å imøtekomme lastcellegeometri (for tiden henholdsvis 35 mm og 12,1 mm).
- Redesign, ved hjelp av de riktige CAD-filene, monteringsplattformen og rammearmene (figur 1A) for å passe til det spesifikke mikroskop-/mikroskoptrinnet som brukes. Nærmere bestemt rammearmene (rammearm. SLDPRT, Supplemental Coding File 3) må kanskje endres for å lette vedlegget. Høyden på trinsearmene (figur 1A) (trinsearm. SLDPRT, Supplemental Coding File 4 og trinse arm_Mirror.SLDPRT, Supplemental Coding File 5) må kanskje også endres avhengig av høyden på mikroskopets monteringshull og toppplanet til mikroskopets XY-trinn.
2. Mekanisk montering
- Når alt mikroskop, lastcelle, barberblad og prøvekomponenter er riktig modifisert, produserer du alle komponentene og konstruerer apparatet (figur 2A). Komponentene inkluderer 3D-printede, laserkuttede og kommersielle hylledeler. En detaljert liste over deler er gitt i materialfortegnelsen. Datamonteringstegninger av alle delene og apparatmonteringen er tilgjengelige i tilleggskodefiler 1-17.
- For å montere lastcellen må du først feste bladklipsfestet til lastcellen (figur 1E). Fest denne enheten til det indre lysbildet på det vertikale justeringssystemet (figur 1E og figur 2A). Fest det kombinerte systemet til bladklipsmonteringen, lastcellen og det indre lysbildet i det vertikale justeringssystemet til det ytre lysbildet på det vertikale justeringssystemet (figur 1E) som er montert nederst på vinkeljusteringsmekanismen (figur 1A og figur 2A).
MERK: Mikrolastceller er skjøre. Vær forsiktig når du håndterer lastcellen for å minimere krefter som påføres den utenfor testing, spesielt krefter i retning av belastningsmåling.
3. Elektrisk montering
- Sett opp lastcellen og datainnsamlingssystemet. Bygg en forsterkningskrets etter skjematisk (figur 1F, skjematisk forsterkningskrets. SchDoc [Supplemental Coding File 18], og Forsterkningskrets-PCB. PcbDoc [tilleggskodingsfil 19]). Koble utgangssignalet direkte til et datainnsamlingssystem med et 0-5 V inngangsområde. Koble elementene i kretsen i henhold til figur 1G.
- Kalibrer lastcellen ved å plassere en vekt av kjent mengde på avbøyningsstrålen og registrere spenningsutgangen i kalibreringskoden (calibrate_ni_daq.mlapp, tilleggskodefil 20). Gjenta denne prosessen minst 5x for forskjellige vekter av kjent mengde.
- Beregn kalibreringskonstanten for lastceller ved å tilpasse de kjente vekt- kontra spenningsdataene til en linje. Skriv inn denne kalibreringsverdien i datainnsamlingskoden (collect_data.mlapp, tilleggskodefil 21).
MERK: Tilnærmingen til datainnsamling vil avhenge av hvilken type lastcelle som er valgt. I denne studien ble det brukt en avbøyningslastcelle med en maksimal nominell kapasitet på 0,5 N, 0,05 % nominell effekt (R.O.) maksimal repeterbarhet og 0,03 % R.O.-hysterese. ~10 mV utgangssignalet forsterkes for å muliggjøre bruk av et kommersielt datainnsamlingssystem (DAQ) (-5 til 5 V inngangsområde, 16-biters oppløsning). Som et resultat ble en kraftoppløsning finere enn 1 mN oppnådd mens man samlet inn data med en hastighet på 20 Hz etter påføring av et rullende medianfilter.
4. Montering av apparater
- Etter at apparatet er konstruert og lastcellen og datainnsamlingssystemet er satt opp, bytter du ut den originale, trinnmonterte glideholderen med den tilpassede prøveholderen.
- Fest forsamlingen til mikroskopet. Bruk monteringshull på den øverste overflaten av mikroskopet hvis tilgjengelig.
- Still inn vinkelen på kuttet ved å løsne vinkelen, justere tommelskruen og deretter flytte det lineære lysbildet (figur 1A). Still vinkelen etter å ha målt den med en gradskive (figur 2A) og stram vinkelen, juster tommelskruen. Vinkelen mellom et ben og prøvens midtplan, θ, kan justeres fra 8°-45° (figur 1B).
- Sett opp to vertikale remskiver bak apparatet.
5. Forberedelse av prøver
- Prøvedimensjoner: Forbered en tynn rektangulær prøve (f.eks. 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) av PDMS (se materialfortegnelse) ved enten å kutte den fra et større ark eller bruke en form med riktige dimensjoner. Dimensjonene kan variere, men en bredde på 1,5 cm eller mindre for en prøve med en tykkelse på 3 mm eller mindre anbefales å starte.
- Skjære bena: Bruk et barberblad til å klippe prøven 3 cm på langs langs midtlinjen for å lage den Y-formede prøven (figur 1B). Denne lengden kan variere, men beina skal være lange nok til å imøtekomme tappene, men likevel korte nok til å la uklippet prøve være for måling.
- Markering av belastningsmåling: Bruk en markør eller blekk til å plassere to merker, sentrert og atskilt med ca. 1 cm, på hvert av de tynne bena (figur 2D) og prøvekroppen (seks totalt) for å muliggjøre måling av den påførte strekningen i hvert av de tre prøvebenene under belastning.
- Feste tappene: Bruk klebende cyanoakrylat lim for å feste en 3D-trykt eller laserskåret flik (trinn 1.1) til enden av hvert ben (figur 1B og figur 2D).
- Forbered spenningen Line: Mål og skjær to lengder med tynt fiskesnøre. Omtrent 30 cm linje er nødvendig for intern ruting gjennom mekanismen; Legg til mer etter behov for å rute linjen til det eksterne settet med trinser (trinn 4.4). Fest 5 g veieplater til enden av linjene som går gjennom de ytre remskivene og bind den andre enden til tappen på hvert ben.
6. Montering av prøve
MERK: Vær forsiktig under dette trinnet for å sikre at prøven ikke berører mikroskopmålet for å unngå å skade det. Det kan bidra til å justere objektiv- og mikroskoptrinnet for å skape så mye plass som mulig for prøvemontering.
- Klem fast bunnen av prøven med tommelskruen i prøveholderen (figur 1C).
- Før linjen for hvert ben gjennom hver side av remskivesystemet (figur 1A og figur 2A). Ta et bilde av prøven fra toppen mens prøven er under ubetydelig vekt ved å holde et kamera mot undersiden av vinkeljusteringsmekanismen. Kontroller at kameraet er parallelt med prøveplanet for å minimere perspektiveffekter.
- Legg til ønsket forspenningsvekt på 75 g i begge ender av fiskelinjen nær de ytre remskivene. Øk denne mengden til 150 g eller reduser den til 50 g for å endre rivebidraget om ønskelig for dette eksemplet materiale og geometri. Ta et nytt bilde av prøven etter at vekten er lagt til, og kontroller igjen at kameraet er parallelt med prøveplanet.
MERK: Eksempelvektene som er angitt her, gjelder spesifikt for PDMS-prøven som brukes i denne studien. - Juster fiskelinjen fra den laveste remskiven med Z-planet på prøvebeina ved hjelp av Z-komponenten i treveis mikrojusteringstrinn (figur 1A). Omtrent plasser den forventede bladspissen nær objektivets synsfelt (figur 2B).
7. Montering av blad
- Plasser barberbladet i den tilsvarende bladklemmen (trinn 1.2) og fest bladet på plass med en settskrue. Sett bladet godt inn i bladklemmen (figur 1D og figur 2C) for å sikre at det er firkantet. Skyv dette klippede barberbladet inn i bladklipsfestet som er festet til lastcellen (figur 1E).
MERK: Kappskiven skal alltid plasseres etter at prøven er montert. Hvis bladet er på plass før prøven, utgjør det en sikkerhetsrisiko for brukeren.
8. Justering av apparater
- Velg målet for 2,5x mikroskop, eller så høyt som 20x hvis du ønsker bilder nærmere.
- Bruk innstillingen for overført lys, og forsterk lyset bak prøven om nødvendig.
- Når kappskiven er på plass, fokuserer du mikroskopet på bunnen av det ved hjelp av bladets vertikale justeringssystem om nødvendig for å bringe spissen til riktig arbeidsavstand for målet (figur 1E og figur 2A). Juster barberbladet forsiktig innenfor mikroskopets synsfelt ved å bruke bare X- og Y-retningene i det treveis mikrojusteringstrinnet (figur 1A).
- Deretter fokuserer mikroskopet på prøven. Juster sprekkspissen etter barberbladet (figur 2B) ved å oversette mikroskopets XY-trinn (figur 1A) for å sikre at prøvens midtplan stemmer overens med midtplanet for vinkeljusteringsmekanismen.
9. Testing
- Åpne koden som brukes til innsamling av lastcelledata (collect_data.mlapp, tilleggskodefil 21).
- Start innspillingen av lastcelledataene ved å klikke på Start opptak knapp.
- Oversett prøven gjennom barberbladet i 1 cm eller mer med konstant hastighet ved hjelp av mikroskoptrinnskontroll. Samle samtidig bilder ved hjelp av mikroskopets bildegrensesnitt.
- Når XY-trinnet i mikroskopet stopper (figur 1A), klikker du på Stopp opptak-knappen for å stoppe opptaket av data og automatisk lagre en *.txt fil med laste- og tidsresponsen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Parametrene som ble brukt i trinn 4 og trinn 6 og dataene som ble samlet inn i trinn 6 og trinn 9, kombineres for å gi skjæreenergien til prøven. I henhold til Eqn. 1 krever bestemmelsen av skjæreenergien følgende parametere: prøvetykkelse, t, forspenningskraft, fpre, og vinkelen mellom bena og skjæreaksen, θ. Følgende data kreves også: skjærekraften, f-kuttet og den gjennomsnittlige benstammen, . Førstnevnte kommer fra krafttidsdata samlet inn via datakoden. Krafttidsdataene fra en typisk test (figur 3A) illustrerer en høy startkraft, som vanligvis kreves for kuttinitiering, etterfulgt av en konstant kraft, noe som indikerer jevn tilstandsskjæring. Skjærekraften, fkutt, er den maksimale verdien av kraften innenfor dette stabile regimet9. Den gjennomsnittlige belastningen i beina, , er gitt ved
EQN (2)
der bilder av den forhånds- og etterbelastede prøven før skjæring (trinn 6.2 og trinn 6.3) brukes som en optisk strekkningsmåler for å måle λ B1, λB2 og λA. Til slutt kombineres disse verdiene for å beregne skjæreenergien ved hjelp av Eqn. 1.
For de representative resultatene som er rapportert her: et ultrasharp-blad (radius på 129 nm), en benvinkel på 32° og en forspenning på 75 g (= 1,04), målte vi en skjæreenergi på 132,96 J/m2 for PDMS. Denne verdien stemmer godt overens med den tidligere oppnådde skjæreenergien under disse forholdene på 132,9 J / m 2 ± 3,4 J / m2, og validerer dermed den mekaniske delen av testoppsettet som er demonstrert her9. Om ønskelig kan krafttidsdataene konverteres omtrent til kraftforskyvningsdata ved hjelp av mikroskopets bevegelsesprotokoll (f.eks. Konstant hastighet).
Levedyktigheten til oppsettet for samtidig innsamling av mikroskopbilder er illustrert i figur 3B. Disse bildene er samlet ved hjelp av et 2,5x objektiv 1) fra starten av testen, 2) forbi kuttinitieringen, og 3) gjennom steady state i en flekkmønstret PDMS-prøve blandet i produsentens forhold på 10: 1. Vi opprettholdt fokus gjennom hele testen og demonstrerte en-til-en-samsvar mellom mekaniske og optiske data. Vi bemerker at kvaliteten og forstørrelsen av mikroskopbildene som er oppnådd, vil avhenge av systemet / målet / scenen / programkombinasjonen som brukes.
Figur 1: CAD-bilder av den mikroskopmonterte Y-formede skjæreanordningen . (A) Det fulle skjæreapparatet montert over et omvendt mikroskop med et automatisert XY-trinn. Ikke vist er de vertikale trinsene bak systemet hvorfra dødvekter henges for å skape forspenningskrefter, fpre, på prøven. (B) Prøven består av et enkelt ben, "A", hvorfra to like ben er kuttet, "B1" og "B2", for å lage en "Y" -form med benvinkel θ. (C) Prøveholderen holder prøven på plass i et spor i mikroskopstadiet. (D) Den øverste visningen av de tilpassbare bladklemmene viser hvordan redesignet har plass til blader i forskjellige høyder, samtidig som avstanden på 30,35 mm som justerer toppen opprettholdes med dreiepunktet til vinkeljusteringsmekanismen. (E) Et nærbilde av det vertikale justeringssystemet, lastcellen og monteringsdelene for bladklips. (F) Signalet fra lastcellen formidles av en forsterkningskrets som brukes til å konvertere lastcelleutgangen (0-10 mV) til 0-5 V-området til datainnsamlingssystemet. (G) Denne kretsen implementeres ved å koble den til strømforsyningen, lastcellen og datainnsamlingssystemet ved hjelp av et trykt kretskort. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Fotografier av den mikroskopmonterte Y-formede skjæreenheten. (A) Et fotografi av den operasjonelle Y-formede skjæreinnretningen med falske fargede områder lagt til for å indikere de viktigste designfunksjonene. (B) Et foroverbilde av enheten som illustrerer den omtrentlige justeringen av lastcellen og prøvens midtplan og indikerer regionen som skal kuttes som faller innenfor mikroskopmålets synsfelt. (Blad og bladklemme ikke montert.) (C) Eksempler på monterte kniver og klips med en lik totalhøyde på 30,35 mm. (D) En PDMS Y-formet prøve før montering, med tappene og fiskelinjen festet. Fiducial markører har blitt lagt til bena "B1" og "B2" for å måle gjennomsnittlig strekk ved forspenning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Representative in situ skjæreresultater . (A) En krafttidskurve for PDMS (10:1) ved bruk av et ultraskarpt blad (radius på 129 nm), 32° benvinkel og 75 g forspenning ( = 1,04). De elastiske belastnings-, kuttinitierings-, steady state-skjærings- og losseområdene i kurven er merket. (B) Røde sirkler som tilsvarer bildene oppnådd av mikroskopet vises. En gul sirkel er lagt til for å lette observasjonen av flekkmønsterbevegelsen. Skala bar = 1 mm. Tidsstempler, i sekunder, er inkludert i øvre venstre hjørne av hvert bilde. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Supplerende kodefil 1. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 2. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 3. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 4. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 5. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 6. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 7. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 8. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 9. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 10. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 11. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 12. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 13. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 14. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 15. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 16. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 17. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 18. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 19. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 20. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 21. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det horisontale, Y-formede skjæreapparatet som er rapportert her, muliggjør in situ bildebehandlingsmuligheter sammen med forbedret brukervennlighet for denne feilteknikken. Apparatet inkluderer en modulær / bærbar design for rask montering / demontering fra et mikroskop og kontinuerlig, forhåndsjustert benvinkeljustering. Alle CAD-filer, nødvendige materialer og prosedyrer er inkludert for å lette implementeringen av denne metoden. I mange tilfeller (bladholdere, prøveholder, lastcellemontering, monteringsramme) kan de 3D-printede delene enkelt modifiseres for et gitt materiale/blad eller spesifikk lastcelle/mikroskop. Følgende tips gjelder imidlertid for alle parametrene og bruken av dette apparatet.
Vekten som brukes til å holde hvert ben i spenning er avgjørende for en vellykket måling. En tilstrekkelig lav vekt sikrer at testen ikke mislykkes umiddelbart (det kan være nyttig å påføre vekten sakte og trinnvis). Hvis du laster bena med for liten kraft, vil det imidlertid føre til at prøven knekker, noe som fører til at prøven brettes under eller foran bladet i stedet for eller mens den kuttes. En "tilsynelatende" skjærekraft kan måles under disse forholdene, men det vil ikke være skjærekraften til materialet.
Prøvebeina må være av passende lengde for prøveholderen og ønsket vandring. Ben som er for lange vil løpe inn i trinsesystemet før et langt nok kutt er gjort. Bena må være lange nok til å få plass til fanene. For prøveholdergeometrien som er rapportert her, gir en total prøvelengde på 7 cm med 3 cm ben et godt utgangspunkt. Lastcellen bør kalibreres før hver bruk. Brå bevegelse av apparatet kan føre til at lastcellen blir ukalibrert eller til og med skadet.
De viktigste modifikasjonene faller inn i to kategorier: innkvartering av tilgjengelig utstyr / komponenter og material-/bildekrav. Når det gjelder den første kategorien, kan apparatets monteringsramme justeres for implementering på forskjellige mikroskoper. Lastcellefestet, den vertikale justeringen eller armene som støtter det første settet med trinser, kan alle modifiseres for å imøtekomme lastceller av forskjellige lengder. Bladklemmene kan kreve justering avhengig av bladdybden, som beskrevet i trinn 2.2 i protokollen. Når det gjelder den andre kategorien, kan prøveholderen endres for å tilpasse seg den objektive arbeidsavstanden eller begrensningene for prøvemiljøet. For eksempel, når det gjelder testing av hydrerte materialer, kan en petriskål eller lysbilde innlemmes under prøven for å beskytte mikroskopet og opprettholde hydrering.
Som med vertikal Y-formet skjæring, gjelder denne tilnærmingen først og fremst myke, rimelig robuste faste stoffer. Stive materialer foretrekker å vri i stedet for å bøye seg utover og opprettholde en plan prøve når en Y-induserende belastning påføres16. Når prøvene er ekstremt sprø, kreves lave benvinkler for å oppnå et tilstrekkelig lavt rivebidrag (Eqn. 1), og da kan friksjon bli et problem. Hydrerte prøver, som vanligvis har svært lav friksjon, kan være unntaket for tester ved slike lave benvinkler. Av erfaring unngår benvinkler >35° generelt friksjonseffekter i relativt "klebrig" silikon 7,9. Endringer i prøvegeometrien, miljøet eller bladvinkelen kan overvinne mange av disse barrierene med tiden. Begrensninger i skjærehastighet og kontroll vil variere med det automatiserte XY-mikroskoptrinnet som brukes. Spesielt gir noen trinn / programvarekombinasjoner bare noen få standardalternativer for konstant hastighet. Ved høyere klippehastigheter kan bildeopptak være utilstrekkelig for å unngå uskarphet. Alle slike begrensninger er avhengig av mikroskop og scenen produsenter, men kan overvinnes ved å bruke dette apparatet til en tilpasset mikroskop.
Y-formet skjæring gjør det lettere å bestemme terskelfeilegenskapene til myke faste stoffer og gir innsikt i de grunnleggende feilresponsene til disse materialene under svært kontrollerte forhold. Med modifikasjonen fra apparatet som er beskrevet her, kan disse mekaniske målingene nå kombineres med eksisterende optiske karakteriseringsteknikker som, men ikke begrenset til, følgende: mekanoforaktivering5, andre harmoniske generasjon (SHG)17 og digital bildekorrelasjon18. Denne kombinasjonen forventes å gi nye, kvantifiserbare observasjoner av den intime sammenhengen mellom mikrostruktur og stresskonsentrasjon ved myk svikt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Vi vil gjerne takke Dr. James Phillips, Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer og Amir Ostadi for deres råd om dette arbeidet. Finansiering kom fra oppstartstilskuddet fra Institutt for maskinvitenskap og ingeniørfag ved University of Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, JC Peng, M. Schmid og C. Walsh mottok alle senior design kreditt for sitt arbeid på dette prosjektet.
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).
