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Summary

Il taglio a forma di Y misura le scale di lunghezza e le energie rilevanti per la frattura nei materiali morbidi. Gli apparecchi precedenti sono stati progettati per misurazioni da banco. Questo protocollo descrive la fabbricazione e l’uso di un apparato che orienta la configurazione orizzontalmente e fornisce le capacità di posizionamento fine necessarie per la visualizzazione in situ , oltre alla quantificazione dei guasti, tramite un microscopio ottico.

Abstract

Il taglio a forma di Y ha recentemente dimostrato di essere un metodo promettente con cui comprendere la scala di lunghezza della soglia e l’energia di guasto di un materiale, nonché la sua risposta al guasto in presenza di energia di deformazione in eccesso. L’apparato sperimentale utilizzato in questi studi era orientato verticalmente e richiedeva passaggi ingombranti per regolare l’angolo tra le gambe a forma di Y. L’orientamento verticale impedisce la visualizzazione nei microscopi ottici standard. Questo protocollo presenta un apparato di taglio a forma di Y che si monta orizzontalmente su uno stadio di microscopio invertito esistente, può essere regolato in tre dimensioni (X-Y-Z) per rientrare nel campo visivo dell’obiettivo e consente una facile modifica dell’angolo tra le gambe. Queste ultime due caratteristiche sono nuove per questa tecnica sperimentale. L’apparecchiatura presentata misura la forza di taglio con una precisione di 1 mN. Durante il test del polidimetilsilossano (PDMS), il materiale di riferimento per questa tecnica, è stata misurata un’energia di taglio di 132,96 J/m 2 (angolo di gamba 32°, 75 g di precarico) ed è risultata rientrare nell’errore delle misurazioni precedenti effettuate con una configurazione verticale (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m²). L’approccio si applica a materiali sintetici morbidi, tessuti o bio-membrane e può fornire nuove informazioni sul loro comportamento durante il fallimento. L’elenco delle parti, i file CAD e le istruzioni dettagliate in questo lavoro forniscono una tabella di marcia per la facile implementazione di questa potente tecnica.

Introduction

La meccanica del continuo non lineare ha fornito una lente critica attraverso la quale comprendere la concentrazione di energia che porta al fallimento nei solidi morbidi¹. Tuttavia, la previsione accurata di questo cedimento richiede anche la descrizione delle caratteristiche microstrutturali che contribuiscono alla creazione di nuove superfici sulla punta della fessura ^2,3. Un metodo per avvicinarsi a tali descrizioni è attraverso la visualizzazione in situ della punta della fessura durante il guasto ^4,5. Tuttavia, l’ottundimento delle fessure nei tipici test di frattura a campo lontano rende difficile l’acquisizione di dati in situ diffondendo il materiale altamente deformato, potenzialmente al di fuori del campo visivo del microscopio⁶. Il taglio a forma di Y offre un’alternativa unica per la visualizzazione microstrutturale perché concentra la regione di grande deformazione sulla punta di una lama⁷. Inoltre, il lavoro precedente del nostro gruppo dimostra che questo approccio sperimentale unico può fornire informazioni sulle differenze nella risposta ai guasti tra lo strappo in campo lontano e le condizioni di carico mediate dal contatto⁷.

Il metodo di taglio a forma di Y utilizzato nell’apparecchio qui presentato è stato descritto per la prima volta decenni fa come metodo di taglio per la gomma naturale⁸. Il metodo consiste in un taglio a lama fissa attraverso una provetta precaricata a forma di Y. All’intersezione della “Y” c’è la punta della fessura, che viene creata prima del test dividendo una porzione di un pezzo rettangolare in due “gambe” uguali (Figura 1B e Figura 2D). I principali vantaggi di questo metodo di taglio includono la riduzione dei contributi di attrito all’energia di taglio misurata, la geometria variabile della lama (cioè il vincolo della geometria della punta della fessura), il controllo del tasso di guasto (tramite la velocità di spostamento del campione) e la regolazione separata del taglio, C, e strappo, T, contributi energetici all’energia totale G_tagliato (cioè, alterazione dell’energia di guasto superiore a una soglia di taglio)⁸. Questi ultimi contributi sono espressi in una semplice espressione in forma chiusa per l’energia di taglio⁹

EQN (1)

che utilizza parametri selezionati sperimentalmente, tra cui lo spessore del campione, t, lo sforzo medio della gamba, , la forza di precarico, f_pre e l’angolo tra le gambe e l’asse di taglio, θ. La forza di taglio, f_cut, viene misurata con l’apparecchio come dettagliato in Zhang et al.9. In particolare, l’apparato qui presentato include un meccanismo nuovo, semplice e preciso per regolare l’angolo della gamba, θ, e garantire che il campione sia centrato. Mentre entrambe le caratteristiche sono fondamentali per una configurazione montata su microscopio, il meccanismo può avvantaggiare anche le future implementazioni verticali del test di taglio a forma di Y aumentando la facilità d’uso.

I progressi nella determinazione dei criteri di rottura appropriati per i solidi morbidi sono stati in corso sin dal successo iniziale delle geometrie di frattura indipendenti dal campione introdotte da Rivlin e Thomas¹⁰. Sono stati utilizzati tassi di rilascio di energia critica¹⁰, leggi di zona coesiva 11 e varie forme di stress o approcci energetici a distanza^12,13,14. Recentemente, Zhang e Hutchens hanno sfruttato quest’ultimo approccio, dimostrando che il taglio a forma di Y con lame di raggio sufficientemente piccolo potrebbe produrre condizioni di rottura soglia per la frattura morbida⁷: un’energia di rottura di soglia e una scala di lunghezza di soglia per il cedimento che varia da decine a centinaia di nanometri in polidimetilsilossano omogeneo e altamente elastico (PDMS). Questi risultati sono stati combinati con la modellazione continua e la teoria del ridimensionamento per sviluppare una relazione tra taglio e strappo in questi materiali, dimostrando così l’utilità del taglio a forma di Y per fornire approfondimenti su tutte le modalità di fallimento morbido. Tuttavia, il comportamento di molte classi di materiali, compresi i materiali dissipativi e compositi, rimane inesplorato. Si prevede che molti di questi mostreranno effetti governati dalla microstruttura su scale di lunghezza superiori alla lunghezza d’onda della luce visibile. Pertanto, in questo studio è stato progettato un apparato che consente per la prima volta la caratterizzazione visiva ravvicinata di questi effetti durante il taglio a forma di Y (ad esempio, in compositi, compresi i tessuti molli, o di processi dissipativi, anticipati sulla scala di lunghezza da micrometro a millimetro¹⁵).

Protocol

1. Regolazione e produzione di parti modificabili e consumabili Utilizzare un taglio laser o una stampante 3D per produrre linguette monouso in ABS o acrilico che si adattano alla larghezza delle gambe del campione, B1 e B2 (7,5 mm x 7,5 mm per un campione di 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) (Figura 1B e Figura 2D). Sono necessarie due schede per ogni test, una per ogni gamba. Clip per lama di rasoioNOTA: Le dimensioni esatte della …

Representative Results

I parametri utilizzati durante la fase 4 e la fase 6 e i dati raccolti durante la fase 6 e la fase 9 si combinano per produrre l’energia di taglio del campione. Secondo Eqn. 1, la determinazione dell’energia di taglio richiede i seguenti parametri: spessore del campione, t, forza di precarico, fpre e angolo tra le gambe e l’asse di taglio, θ. Sono inoltre richiesti i seguenti dati: la forza di taglio, iltaglio f e lo sforzo medio della gamba, <img alt="Equation 2" src="/f…

Discussion

L’apparato di taglio orizzontale a forma di Y qui riportato consente funzionalità di imaging in situ insieme a una migliore facilità d’uso per questa tecnica di guasto. L’apparecchio include un design modulare / portatile per il montaggio / smontaggio rapido da un microscopio e la regolazione continua e pre-allineata dell’angolo delle gambe. Tutti i file CAD, i materiali richiesti e le procedure sono stati inclusi per facilitare l’implementazione di questo metodo. In molti casi (portalame, portacampioni, suppo…

Materials

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