顕微鏡搭載Y字型切削試験の実施

非線形連続体力学は、軟質固体¹の破壊につながるエネルギーの集中を理解するための重要なレンズを提供しました。しかし、この破壊を正確に予測するには、亀裂先端^部2,3における新たな表面形成に寄与する微細構造特性の記述も必要である。このような記述にアプローチする1つの方法は、破壊時の亀裂先端のその場での視覚化です^4,5。しかし、典型的な遠方場破壊試験では亀裂が鈍化すると、高度に変形した材料が顕微鏡の視野外に広がるため、in situデータの取得が困難になります⁶。Y字型切断は、ブレード⁷の先端に大きな変形領域を集中させるため、微細構造の視覚化のためのユニークな代替手段を提供します。さらに、私たちのグループの以前の研究は、このユニークな実験的アプローチが遠方場引き裂きと接触媒介荷重条件の間の破壊応答の違いについての洞察を提供できることを示しています⁷。

ここで紹介する装置で使用されるY字型切断方法は、天然ゴム⁸の切断方法として数十年前に最初に説明されました。この方法は、プリロードされたY字型の試験片を貫通する固定ブレードプッシュカットで構成されます。「Y」の交点には亀裂先端があり、これは試験前に長方形のピースの一部を2つの等しい「脚」に分割することによって作成されます(図1Bおよび図2D)。この切断方法の主な利点には、測定された切削エネルギーへの摩擦寄与の低減、可変ブレード形状(すなわち、亀裂先端形状の制約)、故障率の制御(サンプル変位率を介して)、および切断の個別の調整、C、および引き裂き、T、総エネルギーG_切断へのエネルギー寄与(すなわち、 切削閾値を超える破壊エネルギーの変更)⁸。後者の寄与は、切削^{エネルギー9}の単純な閉じた形式の表現で表されます。

式 (1)

これは、サンプルの厚さ、t、平均脚ひずみ、予圧力、f_pre、および脚と切断軸の間の角度θなど、実験的に選択されたパラメータを使用します。切削抵抗f_カットは、Zhangら⁹に詳述されているように装置で測定される。特に、ここで紹介する装置には、脚の角度θを調整し、サンプルが中央に配置されるようにするための新しいシンプルで正確なメカニズムが含まれています。どちらの機能も顕微鏡搭載のセットアップには重要ですが、このメカニズムは、使いやすさを向上させることで、Y字型切削試験の将来の垂直実装にも役立つ可能性があります。

軟質固体の適切な破壊基準を決定するための進歩は、RivlinとThomas¹⁰によって導入されたサンプルに依存しない破壊形状の初期の成功以来進行中です。臨界エネルギー放出率¹⁰、凝集帯の法則¹¹、およびさまざまな形態の応力または距離エネルギーアプローチ^12、13、14が使用されてきました。最近、ZhangとHutchensは後者のアプローチを活用し、十分に小さい半径のブレードを使用したY字型切削が、軟破断7のしきい値破損条件(均質で高弾性のポリジメチルシロキサン(PDMS)で数十ナノメートルから数百ナノメートルの範囲の破壊のしきい値破損エネルギーとしきい値長さスケール)をもたらす可能性があることを実証しました。これらの結果は、連続体モデリングおよびスケーリング理論と組み合わせて、これらの材料の切断と引き裂きの関係を開発し、ソフト破壊のすべてのモードに関する洞察を提供するためのY字型切断の有用性を実証しました。ただし、散逸性材料や複合材料を含む多くの材料クラスの挙動は未踏のままです。これらの多くは、可視光の波長を超える長さスケールで微細構造支配効果を示すことが期待されています。したがって、この研究では、Y字型切断中のこれらの効果の綿密な視覚的特徴付けを初めて可能にする装置が設計されました(たとえば、軟組織を含む複合材料、またはマイクロメートルからミリメートルの長さスケールで予想される散逸プロセス¹⁵)。