تجربة محاكاة افتراضية للميكانيكا: تشوه المواد وفشلها بناء على المجهر الإلكتروني الماسح

Summary

يقدم هذا العمل تجربة محاكاة افتراضية ثلاثية الأبعاد لتشوه المواد وفشلها توفر عمليات تجريبية مرئية. من خلال مجموعة من التجارب ، يمكن للمستخدمين التعرف على المعدات وتعلم العمليات في بيئة تعليمية غامرة وتفاعلية.

Abstract

يقدم هذا العمل مجموعة من التجارب الافتراضية الشاملة للكشف عن تشوه المواد وفشلها. يتم دمج قطع المعدات الأكثر استخداما في تخصصات الميكانيكا والمواد ، مثل آلة قطع المعادن وآلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية ، في نظام قائم على الويب لتوفير خدمات تجريبية مختلفة للمستخدمين في بيئة تعليمية غامرة وتفاعلية. ينقسم البروتوكول في هذا العمل إلى خمسة أقسام فرعية ، وهي إعداد المواد ، وتشكيل العينة ، وتوصيف العينات ، وتحميل العينات ، وتركيب nanoindenter ، وتجارب SEM في الموقع ، ويهدف هذا البروتوكول إلى توفير فرصة للمستخدمين فيما يتعلق بالتعرف على المعدات المختلفة والعمليات المقابلة ، وكذلك تعزيز الوعي المختبري ، إلخ ، باستخدام نهج المحاكاة الافتراضية. لتوفير إرشادات واضحة للتجربة ، يسلط النظام الضوء على المعدات / العينة التي سيتم استخدامها في الخطوة التالية ويحدد المسار الذي يؤدي إلى الجهاز بسهم واضح. لمحاكاة التجربة العملية قدر الإمكان ، قمنا بتصميم وتطوير غرفة مختبر ثلاثية الأبعاد ومعدات وعمليات وإجراءات تجريبية. علاوة على ذلك ، يأخذ النظام الافتراضي أيضا في الاعتبار التمارين التفاعلية والتسجيل قبل استخدام المواد الكيميائية أثناء التجربة. يسمح أيضا بالعمليات غير الصحيحة ، مما يؤدي إلى ظهور رسالة تحذير لإعلام المستخدم. يمكن للنظام توفير تجارب تفاعلية ومرئية للمستخدمين على مستويات مختلفة.

Introduction

الميكانيكا هي واحدة من التخصصات الأساسية في الهندسة ، كما يتضح من التركيز على أساس الميكانيكا الرياضية والمعرفة النظرية والاهتمام بتنمية القدرات العملية للطلاب. مع التقدم السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة ، كان لعلوم وتكنولوجيا النانو تأثير كبير على حياة الإنسان والاقتصاد. أعلنت ريتا كولويل ، المديرة السابقة لمؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) ، في عام 2002 أن تكنولوجيا النانو سيكون لها تأثير مساو للثورة الصناعية¹ وأشارت إلى أن تكنولوجيا النانو هي حقا بوابة لعالم جديد². تعد الخواص الميكانيكية للمواد على المستوى النانوي أحد أهم العوامل الأساسية والضرورية لتطوير تطبيقات التكنولوجيا الفائقة ، مثل أجهزة النانو³،^4،5. أصبح السلوك الميكانيكي للمواد على المستوى النانوي والتطور الهيكلي تحت الضغط قضايا مهمة في أبحاث الميكانيكا النانوية الحالية.

في السنوات الأخيرة ، أدى تطوير وتحسين تقنية المسافة البادئة النانوية ، وتكنولوجيا الفحص المجهري الإلكتروني ، والمجهر المسبار الماسح ، وما إلى ذلك ، إلى جعل تجارب "الميكانيكا في الموقع" تقنية اختبار متقدمة مهمة في أبحاث الميكانيكا النانوية ^6,7. من الواضح ، من منظور التدريس والبحث العلمي ، أنه من الضروري إدخال التقنيات التجريبية الحدودية في محتوى التدريس التقليدي فيما يتعلق بالتجارب الميكانيكية.

ومع ذلك ، فإن تجارب الميكانيكا المجهرية تختلف اختلافا كبيرا عن تجارب الميكانيكا الأساسية العيانية. من ناحية ، على الرغم من أن الأدوات والمعدات ذات الصلة قد تم تعميمها في جميع الكليات والجامعات تقريبا ، إلا أن عددها محدود بسبب ارتفاع السعر وتكلفة الصيانة. على المدى القصير ، من المستحيل شراء معدات كافية للتدريس دون اتصال بالإنترنت. حتى إذا كانت هناك موارد مالية ، فإن تكاليف إدارة وصيانة التجارب غير المتصلة بالإنترنت مرتفعة للغاية ، لأن هذا النوع من المعدات له خصائص عالية الدقة.

من ناحية أخرى ، فإن تجارب الميكانيكا في الموقع مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) شاملة للغاية ، مع متطلبات تشغيلية عالية وفترة تجريبية طويلة للغاية ^8,9. تتطلب التجارب غير المتصلة بالإنترنت أن يكون الطلاب شديدي التركيز لفترة طويلة ، ويمكن أن يؤدي سوء التشغيل إلى إتلاف الأداة. حتى مع الأفراد المهرة للغاية ، تتطلب التجربة الناجحة بضعة أيام لإكمالها ، من إعداد العينات المؤهلة إلى تحميل العينات لتجارب الميكانيكا في الموقع. لذلك ، فإن كفاءة التدريس التجريبي دون اتصال بالإنترنت منخفضة للغاية.

لمعالجة القضايا المذكورة أعلاه ، يمكن استخدام المحاكاة الافتراضية. يمكن أن يؤدي تطوير تدريس تجربة المحاكاة الافتراضية إلى معالجة اختناق التكلفة والكمية للمعدات التجريبية للميكانيكا في الموقع ، وبالتالي ، يسمح للطلاب باستخدام مختلف القطع المتقدمة من المعدات بسهولة دون الإضرار بالأدوات عالية التقنية. كما يتيح تدريس تجربة المحاكاة للطلاب الوصول إلى منصة تجربة المحاكاة الافتراضية عبر الإنترنت في أي وقت وفي أي مكان. حتى بالنسبة لبعض الأدوات منخفضة التكلفة ، يمكن للطلاب استخدام الأدوات الافتراضية مسبقا للتدريب والممارسة ، مما قد يحسن كفاءة التدريس.

بالنظر إلى إمكانية الوصول إلى الأنظمة المستندة إلى الويب وتوافرها¹⁰ ، في هذا العمل ، نقدم نظام تجربة محاكاة افتراضية على شبكة الإنترنت يمكن أن يوفر مجموعة من التجارب المتعلقة بالعمليات الأساسية في الميكانيكا والمواد ، مع التركيز على تجربة الميكانيكا في الموقع .

Protocol

في هذا العمل ، تمت مناقشة إجراءات تجربة كسر شعاع الكابولي الدقيق مع الشقوق على النحو التالي ، وهو مفتوح للوصول المجاني عبر http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. يتم إجراء جميع الخطوات في النظام عبر الإنترنت بناء على نهج المحاكاة الافتراضية. لم تكن موافقة مجلس المراجعة المؤسسية مطلوبة لهذه الدراسة. تم الحصول على موافقة الطلاب المتطوعين الذين شاركوا في هذه الدراسة.

1. الوصول إلى النظام والدخول إلى الواجهة

1. افتح متصفح الويب ، وأدخل عنوان URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd للوصول إلى النظام.
   ملاحظة: يمكن الوصول إلى عنوان URL المقدم من خلال متصفح الويب السائد بدون اسم مستخدم وكلمة مرور.
2. ابحث عن واجهة المحاكاة الافتراضية باستخدام شريط التمرير العمودي.
   ملاحظة: يتم تضمين المشهد الظاهري في الويب.
3. انقر على أيقونة ملء الشاشة في الزاوية اليمنى السفلية لتمكين واجهة ملء الشاشة .
4. انقر فوق الزر "بدء التجربة" للبدء.
5. انقر فوق الزر Enter لاتباع الإرشادات للمبتدئين ، أو انقر فوق الزر تخطي لتخطي هذه الخطوة.
   ملاحظة: يمكن للمستخدم اختيار المتابعة (زر الإدخال) أو التخطي (زر التخطي ). توفر إرشادات المبتدئين أوصافا للنظام بأكمله. تبرز الواجهة أيضا تعليمات التشغيل خطوة بخطوة لإجراء العمليات أو المعدات المقصودة. يوضح الشكل 1 المعدات المستخدمة في التجربة ، بما في ذلك سبعة أنواع من المعدات في التخصصات الميكانيكية والمادية. ينصح المبتدئين باتباع هذا التوجيه.

2. تحضير المواد

1. ابدأ التجربة بعد الانتهاء من التدريب على مستوى المبتدئين. اتبع المطالبات الموجودة على الواجهة "للمشي" بالقرب من طاولة المختبر التي تحتوي على رقائق السيليكون ، وراجع الاختلافات بين رقائق السيليكون من النوع العادي ونوع الكراك ، وحدد قالب الكراك.
   ملاحظة: أدخل واجهة التجربة، وقم بإجراء التجارب وفقا لإرشادات المسار المميز. يتم توفير التوجيه المميز طوال العملية لتقديم إرشادات واضحة للتجريب.
2. حدد مادة من قائمة المواد المتوفرة.
   ملاحظة: تشمل قائمة المواد المقدمة الذهب والفضة و PtCuNiP و ZrTiCuNiBe والبولي إيثر كيتون (PEEK) وبولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA).
3. قم بتحميل المادة المحددة على مشبك القاطع بنقرة على المادة المميزة. انقر فوق زر التشغيل / الإيقاف المميز (على الجانب الأيمن) لتشغيل مشبك القاطع ، وانقر فوق الزر "سرعة" (على الجانب الأيسر) ، واضبط سرعة آلة القطع المعدنية في واجهة منبثقة.
   ملاحظة: يمكن للمستخدم ضبط السرعة المناسبة كما يحلو له. بمجرد ضبط السرعة من قبل المستخدم ، سيتم تنشيط مشبك القاطع ، وسيتم تقطيع الشريط الخام إلى شرائح رفيعة.
4. قم بتكديس القالب والصفائح المعدنية وألواح الغطاء معا بالتناوب عن طريق النقر فوق الكائن المميز وسحبه كما هو موضح في واجهة المستخدم.
   ملاحظة: بعد قطع المادة ، تعد خطوة التجميع هذه ضرورية قبل صب قالب النانو.

3. صب العينة

1. امش فعليا إلى آلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية باتباع الإرشادات الموضحة في الشكل 2 ، وضع العينات المكدسة فعليا بين مشابك الألواح لآلة اختبار الزحف العالمية.
   ملاحظة: بعد هذه الخطوة ، سيتم تمييز الكمبيوتر الظاهري الموجود على الجانب الأيسر من آلة اختبار الزحف العالمي ذات درجة الحرارة العالية.
2. انقر فوق الكمبيوتر الظاهري ، واضبط مخطط الاختبار على كمبيوتر التحكم في آلة اختبار الزحف العالمية.
   ملاحظة: بعد هذه الخطوة ، سيتم تسليط الضوء على المعدات المساعدة لآلة اختبار الزحف العالمية ذات درجة الحرارة العالية للتدفئة وضخ الفراغ لتوفير التوجيه للمستخدم.
3. انقر فوق معدات التدفئة وضخ الفراغ المميزة ، وقم بتشغيل مصدر الطاقة. افتح المضخة الميكانيكية الافتراضية وصمام الدعم في الواجهة بالنقر فوق الأزرار المميزة.
   ملاحظة: تكمل هذه الخطوة إعدادات التحكم في فراغ النظام في نظام التحكم في الفراغ لآلة اختبار الزحف العالمية.
4. انقر فوق الزر مسح في لوحة التحكم الخاصة بآلة اختبار الزحف العالمية لمسح البيانات. انقر فوق الزر "تشغيل " في لوحة التحكم الخاصة بآلة اختبار الزحف العالمية لإكمال التجربة ، والتي تنسخ النمط الموجود على القالب إلى الصفائح المعدنية باستخدام طريقة قولبة ضغط اللوحة المتوازية.
   ملاحظة: بعد اكتمال صب القالب ، قم بإزالة العينة ، وأغلق صمام الدعم والمضخة الميكانيكية ، وما إلى ذلك ، لمعدات التدفئة وضخ الفراغ بالنقر فوق الأزرار بدورها كما هو مطلوب (في معدات التدفئة والضخ بالتفريغ الحقيقية ، قد يتسبب الترتيب العكسي في احتراق المضخة الجزيئية).
5. انقر فوق Virtual Computer مرة أخرى ، وتحقق من البيانات التجريبية على كمبيوتر التحكم في آلة اختبار الزحف العالمية.
6. افتح لوحة الغطاء على آلة ترصيع العينات المعدنية ، وضع العينة.
   1. انقر فوق مسحوق PMMA المميز لصب المسحوق المحضر ، وانقر فوق القالب المميز لوضعه فوق مسحوق PMMA.
   2. انقر على عجلة اليد المميزة لضبط موضع القالب ، والذي سيغطي لوحة الغطاء تلقائيا. انقر فوق الزر ON / OFF لتشغيل آلة الترصيع. أخرج عينة PMMA المرصعة بعد التبريد.
      ملاحظة: يجب تركيب العينة المصبوبة على آلة التطعيم، كما هو موضح في الشكل 3، حيث يتم استخدام مادة اللدائن الحرارية PMMA في التجربة. تأكد من ذوبان مسحوق PMMA والالتصاق بسطح العينة. توضح الزاوية السفلية اليسرى من الشكل 4 الاتجاه الصحيح بعد أن يؤكد المستخدم التحديد الموضح في الشكل 3.
7. أدخل غرفة التلميع والتآكل باتباع إرشادات المسار ، كما هو موضح في الشكل 5. ابحث عن آلة التلميع المميزة ، وانقر على قابض آلة التلميع لتركيب العينة المرصعة على القابض. اضبط السرعة لطحن وتلميع العينة لإزالة ركيزة المواد المقولبة.
   ملاحظة: قم بطحن القالب على جانب واحد من القالب حتى ينكشف النمط الموجود على القالب.

4. توصيف العينة

1. سجل في دفتر الملاحظات الإلكتروني قبل استخدام مادة كيميائية. افتح خزانة تخزين المواد الكيميائية ، وأخرج محلول KOH الصلب والأسيتون. انقر فوق الدورق المظلل لاستخدام محلول الأسيتون لتنظيف العينة. انقر فوق دورق مظلل آخر و KOH صلب لتحضير سائل التآكل لتحضير محلول KOH بنسبة 10٪. انقر فوق حل KOH المميز والعينة لتآكل العينة في عينة معدنية.
   ملاحظة: في هذه التجربة ، لإزالة قالب السيليكون ، عادة ما يتم تحضير محلول 6 مول / لتر KOH ، ويتم وضع العينة في محلول التحضير ، ويتم وضع الدورق الذي يحتوي على محلول التآكل والعينة على صفيحة ساخنة للتسخين لتسريع معدل التآكل.
2. قم بتنظيف العينة بعد إزالة ركيزة السيليكون ، وقم بإجراء اختبار مميز باستخدام العينة المعدة تحت المجهر الضوئي.
   ملاحظة: تذكر تحديد سلامة العينة بعد الطحن والتآكل.

5. تحميل العينات وتركيب nanoindenter

1. قم بتحميل العينة على مرحلة العينة من nanoindenter. اختر المسافة البادئة المخروطية لتركيبها على برنامج تشغيل نظام اختبار الميكانيكا الدقيقة والنانوية. انقر فوق محرك الأقراص المميز لتوصيله ب nanoindenter.
   ملاحظة: يجب إدخال "الدبوس" في عمود الإدارة عند تثبيت المسافة البادئة ، وبما أن عمود الإدارة عبارة عن قضيب رفيع ، فإن المزلاج يتجنب إتلاف عمود الإدارة عند شد المسافة البادئة بنهاية ملولبة في محرك الأقراص.

6. تجربة SEM في الموقع

1. انقر فوق الزر Vent في برنامج التحكم SEM بعد تثبيت المسافة البادئة ل nanoindenter وتحميل العينة كما هو موضح في 5.1.
2. افتح غرفة SEM بعد كسر الفراغ ، وقم بتثبيت nanoindenter في مرحلة عينة SEM ، وقم بتوصيل الأسلاك (يوضح الشكل 6 مثالا على توصيل أحد الأسلاك).
3. افتح برنامج التحكم الخاص ب nanoindenter، وحدد نطاق المسافة البادئة المحملة > حدد البروتوكول التجريبي > وحدة التحكم في بدء التشغيل > Init* (تهيئة مرحلة العينة).
   ملاحظة: يجب إجراء عملية تهيئة الموضع لمرحلة عينة nanoindenter في الحالة التي يكون فيها تجويف SEM مفتوحا لتجنب عملية التهيئة لمرحلة عينة nanoindenter التي تصل إلى قطب منفذ مخرج الإلكترون SEM.
4. أغلق غرفة SEM ، وانقر على زر المضخة في برنامج التحكم في SEM.
5. انقر فوق الزر لأعلى أو لأسفل في برنامج التحكم في SEM لضبط موضع مرحلة العينة بحيث تقع العينة المراد قياسها في مجال رؤية SEM. انقر فوق الزر "موافق " لإصلاح الموضع. انقر فوق الزر EHT المميز لتشغيل مسدس الإلكترون. انقر فوق زر الكاميرا ، وانتقل إلى وضع مراقبة المجهر الإلكتروني.
   ملاحظة: يجب التحكم في المسافة البادئة لل nanoindenter في وضع المراقبة للاقتراب تدريجيا من العينة المراد قياسها.
6. انقر فوق الزر "تشغيل" في برنامج التحكم الخاص ب nanoindenter.
   ملاحظة: أثناء التجربة ، من الضروري مراقبة وتسجيل خصائص التشوه وعملية الفشل أثناء عملية تحميل العينة وفتح البيانات الأصلية للتجربة في نافذة تحليل البيانات بعد اكتمال التجربة لرسم البيانات وتصديرها.
7. انقر فوق الزر "إيقاف" في برنامج التحكم الخاص ب nanoindenter لإنهاء التجربة.
   ملاحظة: تنتهي تجربة المحاكاة الافتراضية هنا. يطلب من المستخدم إكمال تمرين الاختبار عبر الإنترنت في الواجهة الافتراضية بعد التجربة.

النتائج

يوفر النظام إرشادات واضحة لعمليات المستخدم. أولا ، يتم دمج التدريب على مستوى المبتدئين عندما يدخل المستخدم إلى النظام. ثانيا، يسلط الضوء على المعدات وغرفة المختبر التي ستستخدم في عملية الخطوة التالية.

يمكن استخدام النظام لعدة أغراض تعليمية مختلفة لمستويات مختلفة من الطلا?...

Discussion

تتمثل إحدى مزايا تجارب المحاكاة الافتراضية في أنها تسمح للمستخدمين بإجراء التجارب دون مخاوف بشأن إتلاف النظام المادي أو التسبب في أي ضرر لأنفسهم¹¹. وبالتالي ، يمكن للمستخدمين إجراء أي عمليات ، بما في ذلك العمليات الصحيحة أو الخاطئة. ومع ذلك ، يمنح النظام المستخدم رسالة تحذير ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Virtual interface	None	None	http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd