Durchführung von Y-förmigen Schneidtests unter dem Mikroskop

Die nichtlineare Kontinuumsmechanik hat eine kritische Linse geliefert, durch die die Energiekonzentration verstanden werden kann, die zum Versagen in weichen Festkörpern^{führt 1}. Die genaue Vorhersage dieses Versagens erfordert jedoch auch Beschreibungen der mikrostrukturellen Eigenschaften, die zur neuen Oberflächenbildung an der Rissspitze ^2,3 beitragen. Eine Methode, um sich solchen Beschreibungen zu nähern, ist die In-situ-Visualisierung der Rißspitze während des Versagens ^4,5. Die Rissstumpfung bei typischen Fernfeld-Bruchtests macht die Erfassung von In-situ-Daten jedoch schwierig, da das stark deformierte Material möglicherweise außerhalb des Sichtfelds des Mikroskops verteilt^{wird 6}. Das Y-förmige Schneiden bietet eine einzigartige Alternative für die mikrostrukturelle Visualisierung, da es den Bereich der starken Verformung an der Spitze eines Blattes^{konzentriert 7}. Darüber hinaus zeigen frühere Arbeiten unserer Gruppe, dass dieser einzigartige experimentelle Ansatz einen Einblick in die Unterschiede in der Fehlerantwort zwischen Fernfeldrissen und kontaktvermittelten Belastungsbedingungen geben kann⁷.

Das Y-förmige Schneidverfahren, das in der hier vorgestellten Apparatur verwendet wird, wurde erstmals vor Jahrzehnten als Schneidverfahren für Naturkautschuk⁸ beschrieben. Das Verfahren besteht aus einem festsitzenden Schiebeschneiden der Klinge durch eine vorgespannte Y-förmige Probe. Am Schnittpunkt des “Y” befindet sich die Rissspitze, die vor der Prüfung entsteht, indem ein Teil eines rechteckigen Stücks in zwei gleiche “Beine” geteilt wird (Abbildung 1B und Abbildung 2D). Zu den Hauptvorteilen dieses Schneidverfahrens gehören die Reduzierung der Reibungsbeiträge zur gemessenen Schnittenergie, die variable Schaufelgeometrie (d. h. die Einschränkung der Rissspitzengeometrie), die Kontrolle der Ausfallrate (über die Probenverschiebungsrate) und die getrennte Abstimmung der Schnitt-, C– und Reiß-, T-, Energiebeiträge zur Gesamtenergie _G-Schnitt (d. h. Änderung der Ausfallenergie über eine Schnittschwelle hinaus)⁸. Die letztgenannten Beiträge werden in einem einfachen, geschlossenen Ausdruck für die Schnittenergie^{ausgedrückt 9}

Gleichung (1)

, bei der experimentell ausgewählte Parameter verwendet werden, einschließlich Probendicke, t, durchschnittliche Beindehnung, Vorspannkraft, f_pre und der Winkel zwischen den Beinen und der Schnittachse θ. Die Schnittkraft, _f-Schnitt, wird mit der Apparatur gemessen, wie in Zhang et ^al.9 beschrieben. Bemerkenswert ist, dass die hier vorgestellte Vorrichtung einen neuen, einfachen und genauen Mechanismus zum Einstellen des Beinwinkels θ und zum Sicherstellen der Zentrierung der Probe enthält. Während beide Funktionen für einen mikroskopmontierten Aufbau entscheidend sind, kann der Mechanismus auch zukünftigen vertikalen Implementierungen des Y-förmigen Schneidtests zugute kommen, indem er die Benutzerfreundlichkeit erhöht.

Fortschritte bei der Bestimmung der geeigneten Versagenskriterien für weiche Feststoffe sind seit dem frühen Erfolg der probenunabhängigen Bruchgeometrien, die von Rivlin und Thomas¹⁰ eingeführt wurden, im Gange. Kritische Energiefreisetzungsraten¹⁰, kohäsive Zonengesetze 11 und verschiedene Formen von Spannungs- oder Energie-at-a-Distance-Ansätzen^12,13,14 wurden verwendet. Kürzlich nutzten Zhang und Hutchens den letzteren Ansatz und zeigten, dass Y-förmiges Schneiden mit ausreichend kleinen Radiusmessern Schwellenversagensbedingungen für weiche Fraktur⁷ ergeben könnte: eine Schwellenausfallenergie und eine Schwellenlängenskala für das Versagen, die von zehn bis zu Hunderten von Nanometern in homogenem, hochelastischem Polydimethylsiloxan (PDMS) reicht. Diese Ergebnisse wurden mit der Kontinuumsmodellierung und der Skalierungstheorie kombiniert, um eine Beziehung zwischen Schneiden und Reißen in diesen Materialien zu entwickeln und so den Nutzen des Y-förmigen Schneidens zu demonstrieren, um Einblicke in alle Arten des weichen Versagens zu erhalten. Das Verhalten vieler Materialklassen, einschließlich dissipativer und Verbundwerkstoffe, ist jedoch noch unerforscht. Es wird erwartet, dass viele von ihnen mikrostrukturgesteuerte Effekte auf Längenskalen oberhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts zeigen werden. Daher wurde in dieser Studie eine Apparatur entwickelt, die erstmals eine genaue visuelle Charakterisierung dieser Effekte während des Y-förmigen Schneidens ermöglicht (z. B. in Verbundwerkstoffen, einschließlich Weichgeweben, oder von dissipativen Prozessen, die auf den Mikrometer- bis Millimeterlängenskalen¹⁵ erwartet werden).