إجراء اختبارات القطع على شكل حرف Y المثبتة على المجهر
Summary
يقيس القطع على شكل حرف Y مقاييس الطول والطاقات ذات الصلة بالكسر في المواد اللينة. تم تصميم الأجهزة السابقة لقياسات الطاولة. يصف هذا البروتوكول تصنيع واستخدام جهاز يوجه الإعداد أفقيا ويوفر قدرات تحديد المواقع الدقيقة اللازمة للعرض في الموقع ، بالإضافة إلى تحديد كمية الفشل ، عبر المجهر الضوئي.
Abstract
لقد ثبت مؤخرا أن القطع على شكل حرف Y طريقة واعدة يمكن من خلالها فهم مقياس طول العتبة وطاقة الفشل للمادة ، بالإضافة إلى استجابتها للفشل في وجود طاقة تشوه زائدة. كان الجهاز التجريبي المستخدم في هذه الدراسات موجها رأسيا ويتطلب خطوات مرهقة لضبط الزاوية بين الأرجل على شكل حرف Y. يحظر الاتجاه الرأسي التصور في المجاهر الضوئية القياسية. يقدم هذا البروتوكول جهاز قطع على شكل حرف Y يتم تركيبه أفقيا فوق مرحلة مجهر مقلوب موجود ، ويمكن تعديله في ثلاثة أبعاد (X-Y-Z) ليقع ضمن مجال رؤية الهدف ، ويسمح بتعديل سهل للزاوية بين الأرجل. الميزتان الأخيرتان جديدتان لهذه التقنية التجريبية. يقيس الجهاز المقدم قوة القطع بدقة 1 مللي نيوتن. عند اختبار polydimethylsiloxane (PDMS) ، المادة المرجعية لهذه التقنية ، تم قياس طاقة قطع تبلغ 132.96 جول / م 2 (زاوية الساق 32 درجة ، 75 جم التحميل المسبق) ووجد أنها تقع ضمن خطأ القياسات السابقة المأخوذة باستخدام الإعداد الرأسي (132.9 جول / م 2 ± 3.4 جول / م2). ينطبق هذا النهج على المواد الاصطناعية اللينة أو الأنسجة أو الأغشية الحيوية وقد يوفر رؤى جديدة حول سلوكها أثناء الفشل. توفر قائمة الأجزاء وملفات CAD والتعليمات التفصيلية في هذا العمل خارطة طريق للتنفيذ السهل لهذه التقنية القوية.
Introduction
قدمت ميكانيكا الاستمرارية غير الخطية عدسة حرجة يمكن من خلالها فهم تركيز الطاقة الذي يؤدي إلى الفشل في المواد الصلبة اللينة1. ومع ذلك ، فإن التنبؤ الدقيق لهذا الفشل يتطلب أيضا وصفا لخصائص البنية المجهرية التي تساهم في إنشاء سطح جديد عند طرف الكراك 2,3. تتمثل إحدى طرق التعامل مع مثل هذه الأوصاف في التصور في الموقع لطرف الكراك أثناء الفشل 4,5. ومع ذلك ، فإن تقشير الكراك في اختبارات كسر المجال البعيد النموذجية يجعل الحصول على البيانات في الموقع أمرا صعبا من خلال نشر المواد المشوهة للغاية ، والتي يحتمل أن تكون خارج مجال رؤية المجهر6. يوفر القطع على شكل حرف Y بديلا فريدا للتصور المجهري لأنه يركز منطقة التشوه الكبير عند طرف الشفرة7. علاوة على ذلك ، يوضح العمل السابق لمجموعتنا أن هذا النهج التجريبي الفريد يمكن أن يوفر نظرة ثاقبة للاختلافات في استجابة الفشل بين تمزق المجال البعيد وظروف التحميل بوساطة الاتصال7.
تم وصف طريقة القطع على شكل حرف Y المستخدمة في الجهاز المعروض هنا لأول مرة منذ عقود كطريقة قطع للمطاط الطبيعي8. تتكون الطريقة من قطع دفع شفرة ثابتة من خلال قطعة اختبار محملة مسبقا على شكل حرف Y. عند تقاطع “Y” يوجد طرف الكراك ، الذي يتم إنشاؤه قبل الاختبار عن طريق تقسيم جزء من قطعة مستطيلة إلى “أرجل” متساوية (الشكل 1B والشكل 2D). تشمل المزايا الأساسية لطريقة القطع هذه تقليل المساهمات الاحتكاكية في طاقة القطع المقاسة ، وهندسة الشفرة المتغيرة (أي قيد هندسة طرف الكراك) ، والتحكم في معدل الفشل (عبر معدل إزاحة العينة) ، والضبط المنفصل للقطع ، C ، والتمزق ، T ، مساهمات الطاقة في إجمالي قطع الطاقة G (أي ، تغيير طاقة الفشل بما يزيد عن عتبة القطع)8. يتم التعبير عن المساهمات الأخيرة في تعبير بسيط مغلق لطاقة القطع9
إيقن (1)
والذي يستخدم معلمات مختارة تجريبيا ، بما في ذلك سمك العينة ، t ، متوسط إجهاد الساق ، قوة التحميل المسبق ، fpre ، والزاوية بين الأرجل ومحور القطع ، 
θ. يتم قياس قوة القطع ، fcut ، بالجهاز كما هو مفصل في Zhang et al.9. والجدير بالذكر أن الجهاز المقدم هنا يتضمن آلية جديدة وبسيطة ودقيقة لضبط زاوية الساق ، θ ، وضمان توسيط العينة. في حين أن كلتا الميزتين مهمتان لإعداد مثبت على المجهر ، فقد تفيد الآلية التطبيقات الرأسية المستقبلية لاختبار القطع على شكل حرف Y أيضا من خلال زيادة سهولة الاستخدام.
التقدم في تحديد معايير الفشل المناسبة للمواد الصلبة اللينة مستمر منذ النجاح المبكر لهندسة الكسر المستقلة عن العينات التي أدخلها ريفلين وتوماس10. تم استخدام معدلات إطلاق الطاقة الحرجة10 ، وقوانين المنطقة المتماسكة11 ، وأشكال مختلفة من الإجهاد أو الطاقة عن بعد 12،13،14. في الآونة الأخيرة ، استفاد Zhang و Hutchens من النهج الأخير ، مما يدل على أن القطع على شكل حرف Y مع شفرات نصف قطرها صغيرة بما فيه الكفاية يمكن أن يؤدي إلى ظروف فشل عتبة للكسر الناعم7: طاقة فشل العتبة ومقياس طول العتبة للفشل الذي يتراوح من عشرات إلى مئات النانومتر في بوليديميثيل سيلوكسان متجانس ومرن للغاية (PDMS). تم دمج هذه النتائج مع النمذجة المستمرة ونظرية القياس لتطوير علاقة بين القطع والتمزق في هذه المواد ، مما يدل على فائدة القطع على شكل حرف Y لتوفير نظرة ثاقبة لجميع أنماط الفشل الناعم. ومع ذلك ، فإن سلوك العديد من فئات المواد ، بما في ذلك المواد المبددة والمركبة ، لا يزال غير مستكشف. ومن المتوقع أن العديد من هذه سوف تظهر تأثيرات تحكمها البنية المجهرية على مقاييس الطول فوق الطول الموجي للضوء المرئي. لذلك ، تم تصميم جهاز في هذه الدراسة يسمح بالتوصيف البصري الوثيق لهذه التأثيرات أثناء القطع على شكل حرف Y لأول مرة (على سبيل المثال ، في المركبات ، بما في ذلك الأنسجة الرخوة ، أو العمليات المبددة ، المتوقعة على مقاييس طول الميكرومتر إلى المليمتر15).
Protocol
Representative Results
Discussion
يتيح جهاز القطع الأفقي على شكل حرف Y المذكور هنا إمكانات التصوير في الموقع جنبا إلى جنب مع سهولة الاستخدام المحسنة لتقنية الفشل هذه. يشتمل الجهاز على تصميم معياري / محمول للتركيب / الفك السريع من المجهر وضبط زاوية الساق المستمر والمحاذاة مسبقا. تم تضمين جميع ملفات CAD والمواد المطلوبة و?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نشكر الدكتور جيمس فيليبس والدكتورة إيمي واجونر جونسون وألكسندرا سبيتزر وأمير أوستادي على نصائحهم بشأن هذا العمل. جاء التمويل من منحة البدء المقدمة من قسم العلوم والهندسة الميكانيكية في جامعة إلينوي أوربانا شامبين. حصل كل من M. Gurena و JC Peng و M. Schmid و C. Walsh على ائتمان تصميم كبير لعملهم في هذا المشروع.
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 |
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. , (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. Cutting resistance of polyethylene. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. 34 (13), 2231-2237 (1996).
- 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).
