ביצוע בדיקות חיתוך בצורת Y המותקנות במיקרוסקופ

מכניקת הרצף הלא ליניארי סיפקה עדשה קריטית שדרכה ניתן להבין את ריכוז האנרגיה המוביל לכשל במוצקים רכים¹. עם זאת, החיזוי המדויק של כשל זה דורש גם תיאורים של המאפיינים המיקרו-מבניים התורמים ליצירת פני שטח חדשים בקצה הסדק ^2,3. שיטה אחת לגשת לתיאורים כאלה היא באמצעות הדמיה באתרו של קצה הסדק במהלך כישלון ^4,5. עם זאת, קהות סדקים בבדיקות שבר טיפוסיות בשדה רחוק הופכת את רכישת הנתונים באתרם למאתגרת על ידי פיזור החומר המעוות מאוד, שעשוי להיות מחוץ לשדה הראייה של המיקרוסקופ⁶. חיתוך בצורת Y מציע חלופה ייחודית להדמיה מיקרו-מבנית מכיוון שהוא מרכז את האזור של עיוות גדול בקצה להב⁷. יתר על כן, עבודות קודמות של הקבוצה שלנו מראות כי גישה ניסיונית ייחודית זו יכולה לספק תובנה לגבי ההבדלים בתגובת הכשל בין קריעה בשדה רחוק לבין תנאי טעינה בתיווך מגע⁷.

שיטת החיתוך בצורת Y המשמשת במנגנון המוצג כאן תוארה לראשונה לפני עשרות שנים כשיטת חיתוך לגומי טבעי⁸. השיטה מורכבת מחיתוך דחיפה של להב קבוע דרך פיסת בדיקה טעונה מראש בצורת Y. בהצטלבות של האות “Y” נמצא קצה הסדק, שנוצר לפני הבדיקה על-ידי פיצול חלק מחתיכה מלבנית לשתי “רגליים” שוות (איור 1B ואיור 2D). היתרונות העיקריים של שיטת חיתוך זו כוללים הפחתת תרומות החיכוך לאנרגיית החיתוך הנמדדת, גיאומטריית הלהב המשתנה (כלומר, אילוץ של גיאומטריית קצה הסדק), בקרת קצב הכשל (באמצעות קצב התזוזה של הדגימה), וכוונון נפרד של החיתוך, C וקריעה, T, תרומות אנרגיה _{לסך האנרגיה G חתך} (כלומר, שינוי אנרגיית הכשל מעבר לסף חיתוך)⁸. התרומות האחרונות באות לידי ביטוי פשוט וסגור לאנרגיית החיתוך⁹

Eqn (1)

המשתמש בפרמטרים שנבחרו בניסוי, כולל עובי דגימה, t, מאמץ רגל ממוצע, , כוח טעינה מראש, f_pre, והזווית בין הרגליים לציר החיתוך, θ. כוח החיתוך, f_cut, נמדד באמצעות המנגנון כמפורט ב- Zhang et al.9. יש לציין כי המנגנון המוצג כאן כולל מנגנון חדש, פשוט ומדויק לכוונון זווית הרגל, θ, ולהבטחת ריכוז הדגימה. בעוד ששתי התכונות קריטיות להתקנה המותקנת במיקרוסקופ, המנגנון עשוי להועיל גם ליישומים אנכיים עתידיים של מבחן החיתוך בצורת Y על ידי הגדלת קלות השימוש.

ההתקדמות בקביעת קריטריוני הכשל המתאימים למוצקים רכים נמשכת מאז ההצלחה המוקדמת של גיאומטריות שבר בלתי תלויות מדגם שהוצגו על ידי ריבלין ותומס¹⁰. נעשה שימוש בקצבי שחרור אנרגיה קריטיים¹⁰, חוקי אזור מלוכדים 11, וצורות שונות של גישות מתח או אנרגיה מרחוק^12,13,14. לאחרונה, ג’אנג והאצ’נס מינפו את הגישה השנייה, והראו כי חיתוך בצורת Y עם להבי רדיוס קטנים מספיק יכול להניב תנאי כשל סף^{לשבר רך 7}: אנרגיית כשל סף וסולם אורך סף לכשל שנע בין עשרות למאות ננומטרים בפולידימתילסילוקסאן הומוגני ואלסטי מאוד (PDMS). תוצאות אלה שולבו עם מידול רצף ותורת קנה מידה כדי לפתח קשר בין חיתוך וקריעה בחומרים אלה, ובכך הדגימו את התועלת של חיתוך בצורת Y למתן תובנות לגבי כל המצבים של כשל רך. עם זאת, התנהגותם של סוגים חומריים רבים, כולל חומרים מפזרים ומרוכבים, עדיין לא נחקרה. צפוי כי רבים מהם יציגו השפעות הנשלטות על ידי מיקרו-מבנים בסקאלות אורך מעל אורך הגל של האור הנראה. לכן, במחקר זה תוכנן לראשונה מנגנון המאפשר אפיון חזותי צמוד של השפעות אלה במהלך חיתוך בצורת Y (למשל, בחומרים מרוכבים, כולל רקמות רכות, או בתהליכי פיזור, הצפויים בסקאלות אורך מיקרומטר עד מילימטר¹⁵).