Uitvoeren van microscoop gemonteerde Y-vormige snijtests

Niet-lineaire continuümmechanica heeft een kritische lens geboden om de concentratie van energie te begrijpen die leidt tot falen in zachte vaste stoffen¹. De nauwkeurige voorspelling van deze storing vereist echter ook beschrijvingen van de microstructurele kenmerken die bijdragen aan nieuwe oppervlaktecreatie aan de scheurpunt ^2,3. Een methode om dergelijke beschrijvingen te benaderen is door middel van in situ visualisatie van de scheurpunt tijdens storing ^4,5. Scheurafstomping in typische far-field fractuurtests maakt het verkrijgen van in situ-gegevens echter een uitdaging door het sterk vervormde materiaal te verspreiden, mogelijk buiten het gezichtsveld van de microscoop⁶. Y-vormig snijden biedt een uniek alternatief voor microstructurele visualisatie omdat het het gebied van grote vervorming concentreert aan de punt van een blad⁷. Bovendien toont eerder werk van onze groep aan dat deze unieke experimentele aanpak inzicht kan geven in de verschillen in faalrespons tussen far-field tearing en contact-gemedieerde laadomstandigheden⁷.

De Y-vormige snijmethode die wordt gebruikt in het hier gepresenteerde apparaat werd tientallen jaren geleden voor het eerst beschreven als een snijmethode voor natuurlijk rubber⁸. De methode bestaat uit een vast mes door een voorgespannen Y-vormig proefstuk. Op het snijpunt van de “Y” bevindt zich de scheurpunt, die voorafgaand aan het testen wordt gecreëerd door een deel van een rechthoekig stuk in twee gelijke “poten” te splitsen (figuur 1B en figuur 2D). De belangrijkste voordelen van deze snijmethode zijn de vermindering van wrijvingsbijdragen aan de gemeten snij-energie, de variabele bladgeometrie (d.w.z. beperking van de scheurpuntgeometrie), de controle van het uitvalpercentage (via de monsterverplaatsingssnelheid) en de afzonderlijke afstemming van het snijden, C en scheuren, T, energiebijdragen aan de totale energie _G-snede (d.w.z. het veranderen van de storingsenergie boven een snijdrempel)⁸. Deze laatste bijdragen worden uitgedrukt in een eenvoudige, gesloten uitdrukking voor de snij-energie⁹

Eqn (1)

die gebruik maakt van experimenteel geselecteerde parameters, waaronder monsterdikte, t, gemiddelde beenspanning, , voorspanningskracht, f_pre, en de hoek tussen de benen en de snijas, θ. De snijkracht, f_cut, wordt gemeten met het apparaat zoals beschreven in Zhang et ^al.9. Met name het hier gepresenteerde apparaat bevat een nieuw, eenvoudig en nauwkeurig mechanisme voor het afstemmen van de beenhoek, θ, en ervoor te zorgen dat het monster gecentreerd is. Hoewel beide functies van cruciaal belang zijn voor een op een microscoop gemonteerde opstelling, kan het mechanisme ook toekomstige verticale implementaties van de Y-vormige snijtest ten goede komen door het gebruiksgemak te vergroten.

Vooruitgang bij het bepalen van de juiste faalcriteria voor zachte vaste stoffen is aan de gang sinds het vroege succes van monsteronafhankelijke breukgeometrieën geïntroduceerd door Rivlin en Thomas¹⁰. Kritische energieafgiftesnelheden¹⁰, samenhangende zonewetten¹¹ en verschillende vormen van stress- of energie-op-afstand-benaderingen 12,13,14 zijn gebruikt. Onlangs maakten Zhang en Hutchens gebruik van de laatste benadering, wat aantoonde dat Y-vormig snijden met voldoende kleine radiusbladen drempelfalencondities kon opleveren voor zachte breuk⁷: een drempeluitvalenergie en een drempellengteschaal voor falen die varieert van tientallen tot honderden nanometers in homogeen, zeer elastisch polydimethylsiloxaan (PDMS). Deze resultaten werden gecombineerd met continuümmodellering en schaaltheorie om een relatie te ontwikkelen tussen snijden en scheuren in deze materialen, waardoor het nut van Y-vormig snijden werd aangetoond voor het bieden van inzicht in alle modi van zacht falen. Het gedrag van veel materiaalklassen, waaronder dissipatieve en composietmaterialen, blijft echter onontgonnen. Verwacht wordt dat veel van deze microstructuurgestuurde effecten zullen vertonen op lengteschalen boven de golflengte van zichtbaar licht. Daarom werd in deze studie een apparaat ontworpen dat voor het eerst de nauwe visuele karakterisering van deze effecten tijdens Y-vormig snijden mogelijk maakt (bijvoorbeeld in composieten, inclusief zachte weefsels, of van dissipatieve processen, verwacht op de micrometer tot millimeterlengteschalen¹⁵).