Summary
Y-образная резка измеряет масштабы длины и энергии в мягких материалах, связанные с разрушением. Предыдущие аппараты были разработаны для настольных измерений. Этот протокол описывает изготовление и использование устройства, которое ориентирует установку горизонтально и обеспечивает возможности точного позиционирования, необходимые для просмотра in situ , а также количественную оценку отказов с помощью оптического микроскопа.
Abstract
Недавно было показано, что Y-образная резка является перспективным методом, с помощью которого можно понять пороговую шкалу длины и энергию разрушения материала, а также его реакцию на разрушение в присутствии избыточной энергии деформации. Экспериментальный аппарат, используемый в этих исследованиях, был вертикально ориентирован и требовал громоздких шагов для регулировки угла между Y-образными ногами. Вертикальная ориентация запрещает визуализацию в стандартных оптических микроскопах. Этот протокол представляет собой Y-образный режущий аппарат, который устанавливается горизонтально над существующей перевернутой ступенью микроскопа, может быть отрегулирован в трех измерениях (X-Y-Z), чтобы попасть в поле зрения объектива, и позволяет легко изменять угол между ногами. Последние две функции являются новыми для этой экспериментальной техники. Представленный аппарат измеряет силу резания с точностью до 1 мН. При испытании полидиметилсилоксана (PDMS), эталонного материала для этого метода, была измерена энергия резания 132,96 Дж/м2 (угол ноги 32°, предварительная нагрузка 75 г) и установлено, что она соответствует погрешности предыдущих измерений, проведенных с вертикальной установкой (132,9 Дж/м2 ± 3,4 Дж/м2). Этот подход применим к мягким синтетическим материалам, тканям или биомембранам и может дать новое представление об их поведении во время отказа. Список деталей, файлы САПР и подробные инструкции в этой работе обеспечивают дорожную карту для легкой реализации этой мощной техники.
Introduction
Нелинейная механика сплошных сред предоставила критическую линзу, через которую можно понять концентрацию энергии, которая приводит к сбою в мягких твердых телах1. Однако точное предсказание этого сбоя также требует описания микроструктурных характеристик, которые способствуют созданию новой поверхности на кончикетрещины 2,3. Одним из методов подхода к таким описаниям является визуализация in situ наконечника трещины во время отказа 4,5. Однако притупление трещин в типичных испытаниях на трещины в дальнем поле затрудняет получение данных in situ путем распространения сильно деформированного материала, потенциально за пределами поля зрения микроскопа6. Y-образная резка предлагает уникальную альтернативу для микроструктурной визуализации, поскольку она концентрирует область большой деформации на кончике лезвия7. Кроме того, предыдущая работа нашей группы демонстрирует, что этот уникальный экспериментальный подход может дать представление о различиях в реакции на отказ между разрывом дальнего поля и условиями контактно-опосредованной нагрузки7.
Y-образный метод резки, используемый в представленном здесь аппарате, был впервые описан десятилетия назад как метод резки для натурального каучука8. Метод состоит из неподвижного лезвия, проталкивающего предварительно загруженный Y-образный испытательный образец. На пересечении «Y» находится наконечник трещины, который создается перед испытанием путем разделения части прямоугольного куска на две равные «ножки» (рисунок 1B и рисунок 2D). Основные преимущества этого метода резки включают в себя уменьшение вклада трения в измеренную энергию резания, переменную геометрию лезвия (т. Е. Ограничение геометрии наконечника трещины), контроль частоты отказов (через скорость смещения образца) и раздельную настройку резки, C и разрыва, T, энергетический вклад в общую энергию разреза G (т. Е. изменение энергии разрушения сверх порога резания)8. Последние вклады выражаются в простой, закрытой форме выражения для энергии резания9
Экн (1)
который использует экспериментально выбранные параметры, включая толщину образца, t, среднюю деформацию ноги, 
силу преднатяга, fpre и угол между ножками и осью резания, θ. Сила резания, fреза, измеряется с помощью аппарата, как описано в Zhang et al.9. Примечательно, что представленный здесь аппарат включает в себя новый, простой и точный механизм для настройки угла ноги, θ, и обеспечения центрирования образца. Хотя обе функции имеют решающее значение для установки, установленной на микроскопе, механизм может принести пользу будущим вертикальным реализациям теста на Y-образную резку, а также за счет повышения простоты использования.
Прогресс в определении соответствующих критериев разрушения для мягких твердых тел продолжается с момента раннего успеха независимой от образца геометрии разрушения, введенной Ривлином и Томасом10. Были использованы критические скорости высвобождения энергии10, законы когезивных зон11 и различные формы приближения к напряжению или энергии на расстоянии 12,13,14. Недавно Чжан и Хатченс использовали последний подход, продемонстрировав, что Y-образная резка с достаточно малым радиусом лезвий может привести к пороговым условиям разрушения для мягкого разрушения7: пороговая энергия разрушения и пороговая шкала длины для отказа, которая колеблется от десятков до сотен нанометров в однородном, высокоэластичном полидиметилсилоксане (PDMS). Эти результаты были объединены с моделированием континуума и теорией масштабирования для разработки взаимосвязи между резкой и разрывом в этих материалах, тем самым демонстрируя полезность Y-образной резки для обеспечения понимания всех режимов мягкого разрушения. Однако поведение многих классов материалов, включая диссипативные и композиционные материалы, остается неисследованным. Ожидается, что многие из них будут демонстрировать эффекты, управляемые микроструктурой, в масштабах длины выше длины волны видимого света. Поэтому в этом исследовании был разработан аппарат, который позволяет впервые получить ближнюю визуальную характеристику этих эффектов во время Y-образной резки (например, в композитах, включая мягкие ткани, или диссипативных процессов, ожидаемых на микрометре до миллиметра в масштабах15).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Наладка и изготовление модифицируемых и расходных деталей
- Используйте лазерный резак или 3D-принтер для изготовления одноразовых ABS или акриловых вкладок, которые вписываются в ширину ножек образца, B1 и B2 (7,5 мм x 7,5 мм для образца 1,5 см x 7 см x 3 мм) (рисунок 1B и рисунок 2D). Для каждого теста необходимы две вкладки, по одной для каждой ноги.
- Зажим для лезвия бритвы
ПРИМЕЧАНИЕ: Точные размеры требуемого зажима лезвия бритвы зависят от глубины используемого лезвия бритвы.- Измените дизайн САПР (см. Таблицу материалов) файла Blade clip. SLDPRT (Дополнительный кодовый файл 1) путем изменения ширины основания зажима таким образом, чтобы расстояние от кончика выбранного лезвия бритвы до задней части зажима составляло 30,35 мм (рисунок 1D). Эта регулировка удерживает кончик лезвия непосредственно под точкой поворота (рисунок 1E) механизма регулировки угла (рисунок 1A и рисунок 2A), используемого для регулировки угла между ножками.
ПРИМЕЧАНИЕ: Аппарат может удерживать лопасти глубиной 8-20 мм. - Используя тонкие настройки, 3D-печать зажима лезвия бритвы (рисунок 1D). Из-за ошибок 3D-печати зажим лезвия бритвы может не подходить к печати. Чтобы исправить это, используйте наждачную бумагу или мелкий напильник, чтобы удалить материал из задней части зажима лезвия бритвы, пока он не будет вставлен и удален из своего паза на креплении зажима лезвия вручную, но все еще плотно во время резки.
- Измените дизайн САПР (см. Таблицу материалов) файла Blade clip. SLDPRT (Дополнительный кодовый файл 1) путем изменения ширины основания зажима таким образом, чтобы расстояние от кончика выбранного лезвия бритвы до задней части зажима составляло 30,35 мм (рисунок 1D). Эта регулировка удерживает кончик лезвия непосредственно под точкой поворота (рисунок 1E) механизма регулировки угла (рисунок 1A и рисунок 2A), используемого для регулировки угла между ножками.
- Измените размеры держателя образца (рисунок 1С) с помощью файла проектирования САПР Sample holder. SLDPRT (Файл дополнительного кодирования 2) для установки отверстия конкретной ступени микроскопа (рисунок 2B). Чтобы аппарат мог использовать весь спектр своих движений, важно, чтобы внутренняя полость держателя оставалась как можно большей.
- Держатель тензодатчика
ПРИМЕЧАНИЕ: Тензодатчики изгибающего типа бывают разных геометрий. Место, на котором будет установлен датчик нагрузки (внутренний слайд, рисунок 1E), потребует регулировки в зависимости от выбранного тензодатчика.- Отрегулируйте следующие размеры на внутреннем слайде (рисунок 1E) для размещения конкретного тензодатчика: 1) расположение монтажных отверстий (в настоящее время два отверстия M3 с расстоянием от центра до центра 6 мм); 2) расстояние между балкой тензодатчика и внутренней плоскостью скольжения в зависимости от максимального отклонения балки тензодатчика (в настоящее время на уровне 3 мм); и 3) высота и ширина для размещения геометрии тензодатчика (в настоящее время 35 мм и 12,1 мм соответственно).
ПРИМЕЧАНИЕ: Диапазон длин тензодатчика, который можно использовать без вмешательства в систему вертикальной регулировки (рисунок 1E и рисунок 2A), составляет 10-63 мм. Если размер тензодатчика выходит за рамки этого диапазона, альтернативой является удаление системы регулировки высоты или перепроектирование/удлинение рычагов шкива (рисунок 1А).
- Отрегулируйте следующие размеры на внутреннем слайде (рисунок 1E) для размещения конкретного тензодатчика: 1) расположение монтажных отверстий (в настоящее время два отверстия M3 с расстоянием от центра до центра 6 мм); 2) расстояние между балкой тензодатчика и внутренней плоскостью скольжения в зависимости от максимального отклонения балки тензодатчика (в настоящее время на уровне 3 мм); и 3) высота и ширина для размещения геометрии тензодатчика (в настоящее время 35 мм и 12,1 мм соответственно).
- Перепроектируйте, используя соответствующие файлы CAD, монтажную платформу и кронштейны рамы (рисунок 1A) в соответствии с конкретной используемой ступенью микроскопа / микроскопа. В частности, рычаги рамы (frame arm. SLDPRT, Дополнительный кодовый файл 3), возможно, потребуется изменить для облегчения вложения. Высота рычагов шкива (рисунок 1А) (рычаг шкива. SLDPRT, Файл дополнительного кодирования 4 и шкив arm_Mirror.SLDPRT, Дополнительный кодирующий файл 5) также могут потребоваться модифицировать в зависимости от высоты плоскости монтажных отверстий микроскопа и верхней плоскости ступени XY микроскопа.
2. Механическая сборка
- После того, как все компоненты микроскопа, тензодатчика, лезвия бритвы и образца были соответствующим образом модифицированы, изготовьте все компоненты и сконструируйте устройство (рисунок 2A). Компоненты включают в себя 3D-печать, лазерную резку и коммерческие готовые детали. Подробный список деталей приведен в Таблице материалов. Компьютерные сборочные чертежи всех деталей и устройств доступны в дополнительных файлах кодирования 1-17.
- Чтобы смонтировать тензодатчик, сначала прикрепите крепление зажима лезвия к тензодатчику (рисунок 1E). Прикрепите этот узел к внутреннему слайду системы вертикальной регулировки (рисунок 1E и рисунок 2A). Прикрепите комбинированную систему крепления зажима лезвия, тензодатчика и внутреннего слайда системы вертикальной регулировки к внешнему слайду системы вертикальной регулировки (рисунок 1E), который установлен в нижней части механизма регулировки угла (рисунок 1A и рисунок 2A).
ПРИМЕЧАНИЕ: Микро тензодатчики хрупкие. Соблюдайте осторожность при обращении с тензодатчиком, чтобы свести к минимуму любые силы, приложенные к нему вне испытания, особенно усилия в направлении измерения нагрузки.
3. Электрическая сборка
- Настройте тензодатчик и систему сбора данных. Постройте схему усиления в соответствии со схемой (рисунок 1F, схема схемы усиления. SchDoc [Файл дополнительного кодирования 18] и печатная плата схемы усиления. PcbDoc [Файл дополнительного кодирования 19]). Подключите выходной сигнал непосредственно к системе сбора данных с входным диапазоном 0-5 В. Подключите элементы схемы согласно рисунку 1G.
- Откалибруйте тензодатчик, поместив вес известной величины на пучок отклонения и записав выходное напряжение в калибровочный код (calibrate_ni_daq.mlapp, файл дополнительного кодирования 20). Повторите этот процесс не менее 5 раз для различных весов известного количества.
- Рассчитайте константу калибровки тензодатчика, установив известные данные о весе и напряжении на линию. Введите это калибровочное значение в код сбора данных (collect_data.mlapp, файл дополнительного кодирования 21).
ПРИМЕЧАНИЕ: Подход к сбору данных будет зависеть от типа выбранного тензодатчика. В этом исследовании использовался отклоняющий тензодатчик с максимальной номинальной мощностью 0,5 Н, максимальной повторяемостью номинального выхода (R.O.) 0,05% и гистерезизисом R.O. 0,03%. Выходной сигнал ~10 мВ усиливается для использования коммерческой системы сбора данных (DAQ) (диапазон входов от −5 до 5 В, разрешение 16 бит). В результате при сборе данных со скоростью 20 Гц после применения скользящего медианного фильтра было получено разрешение силы более 1 мН.
4. Монтаж аппарата
- После того, как устройство было сконструировано и тензодатчик и система сбора данных были настроены, замените оригинальный, установленный на сцене держатель слайда на пользовательский держатель образца.
- Прикрепите узел к микроскопу. Используйте монтажные отверстия на верхней поверхности микроскопа, если таковые имеются.
- Установите угол разреза, ослабив угол регулировки винта большого пальца, а затем переместив линейный слайд (рисунок 1A). Установите угол после его измерения с помощью транспортира (рисунок 2А) и затяните угол регулировки винта большого пальца. Угол между ножкой и промежуточной платой образца, θ, может быть отрегулирован в диапазоне 8°-45° (рис. 1В).
- Установите два вертикальных шкива позади аппарата.
5. Пробоподготовка
- Размеры образца: Подготовьте тонкий прямоугольный образец (например, 1,5 см х 7 см х 3 мм) PDMS (см. Таблицу материалов), либо вырезав его из большего листа, либо используя форму правильных размеров. Размеры могут варьироваться, но для начала рекомендуется ширина 1,5 см или менее для образца толщиной 3 мм и менее.
- Разрезание ножек: Используя лезвие бритвы, разрежьте образец на 3 см вдоль осевой линии, чтобы создать Y-образный образец (рисунок 1B). Эта длина может варьироваться, но ноги должны быть достаточно длинными, чтобы вместить вкладки, но достаточно короткими, чтобы оставить неразрезанный образец для измерения.
- Маркировка измерения деформации: С помощью маркера или чернил поместите две отметки, центрированные и разделенные приблизительно 1 см, на каждую из тонких ножек (рисунок 2D) и тело образца (всего шесть), чтобы можно было измерить нанесенное растяжение в каждой из трех ножек образца под нагрузкой.
- Прикрепление вкладок: Используйте клейкий цианоакрилатный клей для прикрепления 3D-печатной или вырезанной лазером вкладки (шаг 1.1) к концу каждой ножки (рисунок 1B и рисунок 2D).
- Подготовьте натяжную леску: измерьте и отрежьте две длины тонкой лески. Приблизительно 30 см линии необходимо для внутренней маршрутизации через механизм; добавить дополнительные компоненты по мере необходимости для прокладки линии к внешнему набору шкивов (шаг 4.4). Прикрепите весовые пластины по 5 г к концу линий, проходящих через внешние шкивы, и привяжите другой конец к выступу на каждой ножке.
6. Монтаж образца
ПРИМЕЧАНИЕ: Соблюдайте осторожность во время этого шага, чтобы убедиться, что образец не касается объектива микроскопа, чтобы избежать его повреждения. Это может помочь отрегулировать объектив и ступень микроскопа, чтобы создать как можно больше места для монтажа образца.
- Зажмите основание образца с помощью винта большого пальца держателя образца (рисунок 1С).
- Проложите линию для каждой ноги через каждую сторону системы шкивов (рисунок 1A и рисунок 2A). Сфотографируйте образец сверху, пока образец находится под незначительным весом, удерживая камеру на нижней стороне механизма регулировки угла. Убедитесь, что камера параллельна плоскости выборки, чтобы свести к минимуму эффекты перспективы.
- Добавьте желаемый вес преднатяга 75 г на оба конца лески возле внешних шкивов. Увеличьте это количество до 150 г или уменьшите его до 50 г, чтобы изменить разрывной вклад, если это необходимо для этого примера материала и геометрии. Сделайте второй снимок образца после добавления веса, снова убедившись, что камера параллельна плоскости образца.
ПРИМЕЧАНИЕ: Приведенные здесь примеры весов относятся конкретно к образцу PDMS, используемому в этом исследовании. - Выровняйте леску от самого нижнего шкива с плоскостью Z ножек образца с помощью Z-компонента трехсторонней ступени микрорегулировки (рисунок 1А). Приблизительно расположите ожидаемый наконечник лезвия близко к полю зрения объектива (рисунок 2B).
7. Крепление лезвия
- Поместите лезвие бритвы в соответствующий зажим лезвия (шаг 1.2) и закрепите лезвие на месте с помощью установленного винта. Плотно поместите лезвие в зажим лезвия (рисунок 1D и рисунок 2C), чтобы оно было квадратным. Вставьте это обрезанное лезвие бритвы в крепление зажима лезвия, прикрепленное к тензодатчику (рисунок 1E).
ПРИМЕЧАНИЕ: Лезвие всегда должно быть размещено после установки образца. Если лезвие находится на месте перед образцом, это представляет угрозу безопасности для пользователя.
8. Выравнивание аппарата
- Выберите объектив микроскопа в 2,5 раза или в 20 раз, если требуется более близкое изображение.
- Используйте настройку пропускаемого света, увеличивая свет позади образца, если это необходимо.
- Установив лезвие на место, сфокусируйте микроскоп на его нижней части, используя систему вертикальной регулировки лезвия, если это необходимо, чтобы привести наконечник на соответствующее рабочее расстояние для цели (рисунок 1E и рисунок 2A). Тщательно выровняйте лезвие бритвы в поле зрения микроскопа, используя только направления X и Y трехсторонней ступени микрорегулировки (рисунок 1A).
- Затем направьте микроскоп на образец. Выровняйте наконечник трещины с лезвием бритвы (рисунок 2B), переведя ступень XY микроскопа (рисунок 1A), чтобы убедиться, что промежуточная плата образца совпадает с промежуточной плоскостью механизма регулировки угла.
9. Тестирование
- Откройте код, используемый для сбора данных тензодатчика (collect_data.mlapp, файл дополнительного кодирования 21).
- Начните запись данных тензодатчика, нажав кнопку Начать запись .
- Переведите образец через лезвие бритвы на 1 см и более с постоянной скоростью с помощью управления ступенью микроскопа. Одновременный сбор изображений с помощью интерфейса визуализации микроскопа.
- Когда ступень XY микроскопа останавливается (рисунок 1A), нажмите кнопку «Остановить запись », чтобы остановить запись данных и автоматически сохранить *.txt файла нагрузки и времени отклика.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Параметры, используемые на стадии 4 и стадии 6, а также данные, собранные на стадии 6 и стадии 9, объединяются для получения энергии резания образца. Согласно Eqn. 1, для определения энергии резания требуются следующие параметры: толщина образца, t, сила преднатяга, fpre и угол между ножками и осью резания, θ. Также требуются следующие данные: сила резания, fразрез и средняя деформация ноги, . Первый исходит из данных о принудительном времени, собранных с помощью компьютерного кода. Данные о силе-времени, полученные в ходе типичного испытания (рис. 3А), иллюстрируют высокую начальную силу, которая обычно требуется для инициирования разреза, за которой следует постоянная сила, указывающая на разрез в устойчивом состоянии. Сила резания, fcut, является максимальным значением силы в этом режиме устойчивого состояния9. Среднее напряжение в ногах, , задается
Экн (2)
где изображения предварительного и постнагруженного образца перед резкой (этап 6.2 и этап 6.3) используются в качестве оптического тензорезистора для измерения λB1, λB2 и λA. Наконец, эти значения объединяются для расчета энергии резания с использованием Eqn. 1.
Для репрезентативных результатов, представленных здесь: сверхрезкое лезвие (радиус 129 нм), угол ноги 32° и преднагрузка 75 g ( = 1,04), мы измерили энергию резания 132,96 Дж /м2 для PDMS. Это значение хорошо согласуется с ранее полученной энергией резания в этих условиях 132,9 Дж/м2 ± 3,4 Дж/м2, тем самым подтверждая механическую часть испытательной установки, продемонстрированную здесь9. При желании данные о силе-времени могут быть преобразованы приблизительно в данные о силе-смещении с использованием протокола движения ступени микроскопа (например, постоянная скорость).
Жизнеспособность установки для одновременного сбора изображений микроскопом проиллюстрирована на рисунке 3B. Эти изображения собираются с использованием 2,5-кратного объектива 1) с начала испытания, 2) после начала разреза и 3) по всему устойчивому состоянию в образце PDMS с пятнистым рисунком, смешанном в соотношении производителя 10:1. Мы сохраняли фокус на протяжении всего теста и демонстрировали индивидуальное соответствие между механическими и оптическими данными. Отметим, что качество и увеличение получаемых микроскопом изображений будет зависеть от используемой комбинации система/цель/этап/программа.
Рисунок 1: CAD-изображения установленного на микроскопе Y-образного режущего устройства. (A) Полное режущее устройство, установленное над инвертированным микроскопом с автоматизированной ступенью XY. Не показаны вертикальные шкивы позади системы, из которых подвешиваются мертвые грузы для создания сил предварительной нагрузки , fpre, на образце. (B) Образец состоит из одной ножки "A", из которой вырезаны две равные ножки, "B1" и "B2", для создания формы "Y" с углом наклона ноги θ. (C) Держатель образца удерживает образец на месте в щели на ступени микроскопа. (D) Вид сверху настраиваемых зажимов лезвия показывает, как их редизайн приспосабливает лезвия различной высоты, сохраняя при этом расстояние 30,35 мм, которое выравнивает верхнюю часть с точкой поворота механизма регулировки угла. (E) Вид крупным планом сбоку системы вертикальной регулировки, тензодатчика и крепежных частей зажима лезвия. (F) Сигнал от тензодатчика опосредован схемой усиления, используемой для преобразования выхода тензодатчика (0-10 мВ) в диапазон 0-5 В системы сбора данных. (G) Эта схема реализована путем подключения ее к источнику питания, тензодатчику и системе сбора данных с помощью печатной платы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Фотографии установленного на микроскопе Y-образного режущего устройства. (A) Фотография действующего Y-образного режущего устройства с добавлением ложных цветных областей для указания ключевых конструктивных особенностей. (B) Передний вид устройства, иллюстрирующий приблизительное выравнивание тензодатчика и промежуточной плоскости образца и указывающий область, подлежащую разрезанию, которая попадает в поле зрения объектива микроскопа. (Лезвие и зажим лезвия не установлены.) (C) Примеры установленных лопастей и зажимов с одинаковой общей высотой 30,35 мм. (D) Y-образный образец PDMS перед установкой с прикрепленными вкладками и леской. К ножкам "B1" и "B2" были добавлены фидуциальные маркеры для измерения среднего растяжения при нанесении преднатяга. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Репрезентативные результаты резки in situ . (A) Кривая силы-времени для PDMS (10:1) с использованием сверхрезого лезвия (радиус 129 нм), угла ноги 32° и предварительной нагрузки 75 g ( = 1,04). Области упругой нагрузки, инициации разреза, резания в устойчивом состоянии и разгрузки кривой маркируются. (B) Показаны красные круги, соответствующие изображениям, полученным микроскопом. Желтый круг был добавлен для облегчения наблюдения за движением пятнистого рисунка. Шкала = 1 мм. Метки времени в секундах включаются в левый верхний угол каждого изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный кодовый файл 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 5. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 6. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 15. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 17. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 18. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 20. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный кодовый файл 21. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Горизонтальный, Y-образный режущий аппарат, о котором здесь сообщается, обеспечивает возможности визуализации in situ наряду с улучшенной простотой использования для этого метода отказа. Аппарат включает в себя модульную/портативную конструкцию для быстрого монтажа/демонтажа из микроскопа и непрерывной, предварительно выровненной регулировки угла наклона ножки. Все файлы САПР, необходимые материалы и процедуры были включены для облегчения реализации этого метода. Во многих случаях (держатели лезвий, держатель образца, крепление тензодатчика, монтажная рама) 3D-печатные детали могут быть легко модифицированы для данного материала / лезвия или конкретного тензодатчика / микроскопа. Однако следующие советы применимы ко всем параметрам и применениям этого аппарата.
Вес, используемый для удержания каждой ноги в напряжении, имеет решающее значение для успешного измерения. Достаточно низкий вес гарантирует, что тест не провалится сразу (может быть полезно применять вес медленно и постепенно). Однако нагрузка на ножки со слишком малым усилием приведет к прогибанию образца, что приведет к тому, что образец будет складываться под или перед лезвием вместо или во время разрезания. В этих условиях может быть измерена «кажущаяся» сила резания, но это не будет сила резания материала.
Ножки образца должны иметь подходящую длину для держателя образца и желаемого перемещения. Ноги, которые слишком длинные, будут врезаться в систему шкивов, прежде чем будет сделан достаточно длинный разрез. Ножки должны быть достаточно длинными, чтобы вместить вкладки. Для геометрии держателя образца, описанной здесь, общая длина образца 7 см с ножками 3 см обеспечивает хорошую отправную точку. Тензодатчик должен быть откалиброван перед каждым использованием. Резкое движение аппарата может привести к тому, что тензодатчик станет некалиброванным или даже поврежденным.
Основные изменения подразделяются на две категории: размещение имеющегося оборудования/компонентов и требования к материалам/изображениям. С точки зрения первой категории, монтажная рама аппарата может быть отрегулирована для реализации на различных микроскопах. Крепление тензодатчика, вертикальная регулировка или рычаги, поддерживающие первый набор шкивов, могут быть модифицированы для размещения тензодатчиков различной длины. Зажимы лезвия могут потребовать регулировки в зависимости от глубины лезвия, как описано в шаге 2.2 протокола. Что касается второй категории, то держатель образца может быть модифицирован для адаптации к объективному рабочему расстоянию или ограничениям среды отбора проб. Например, в случае тестирования гидратированных материалов чашка или затвор Петри могут быть включены под образец для защиты микроскопа и поддержания гидратации.
Как и при вертикальной Y-образной резке, этот подход применяется в первую очередь к мягким, достаточно прочным твердым веществам. Жесткие материалы предпочитают скручиваться, а не изгибаться наружу и поддерживать плоский образец, когда применяется Y-индуцирующая нагрузка16. Когда образцы чрезвычайно хрупкие, требуются низкие углы ног для достижения достаточно низкого вклада в разрыв (Eqn. 1), и в этот момент трение может стать проблемой. Гидратированные образцы, как правило, обладающие очень низким трением, могут быть исключением для испытаний под такими низкими углами ног. По опыту, углы ног >35° обычно избегают фрикционных эффектов в относительно «липком» силиконе 7,9. Изменения в геометрии образца, окружающей среде или угле лезвия могут со временем преодолеть многие из этих барьеров. Ограничения в скорости резания и управлении будут варьироваться в зависимости от используемой автоматизированной ступени микроскопа XY. В частности, некоторые комбинации ступеней и программного обеспечения предоставляют только несколько стандартных вариантов постоянной скорости. При более высоких скоростях резки получение изображения может быть недостаточным, чтобы избежать размытия. Все такие ограничения зависят от производителей микроскопа и сцены, но могут быть преодолены путем применения этого устройства к пользовательскому микроскопу.
Y-образная резка облегчает определение пороговых свойств разрушения мягких твердых частиц и дает представление о фундаментальных реакциях на разрушение этих материалов в строго контролируемых условиях. С модификацией, представленной аппаратом, подробно описанным здесь, эти механические измерения теперь могут быть объединены с существующими методами оптической характеризации, такими как, но не ограничиваясь следующим: активация механофора5, генерация второй гармоники (SHG)17 и корреляция цифрового изображения18. Ожидается, что эта комбинация даст новые, поддающиеся количественной оценке наблюдения за тесной связью между микроструктурой и концентрацией стресса при мягком отказе.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Мы хотели бы поблагодарить д-ра Джеймса Филлипса, д-ра Эми Вагонер-Джонсон, Александру Спитцер и Амира Остади за их советы по этой работе. Финансирование поступило из стартового гранта, предоставленного Департаментом механических наук и инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн. М. Герена, Д. К. Пэн, М. Шмид и К. Уолш получили диплом старшего дизайнера за свою работу над этим проектом.
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).
