ניסוי סימולציה וירטואלי של מכניקה: עיוות וכשל של חומרים על בסיס מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

Summary

עבודה זו מציגה ניסוי סימולציה וירטואלית תלת מימדית לעיוות וכשל חומרי, המספק תהליכי ניסוי חזותיים. באמצעות סדרה של ניסויים, משתמשים יכולים להכיר את הציוד וללמוד את הפעולות בסביבת למידה immersive ואינטראקטיבי.

Abstract

עבודה זו מציגה סדרה של ניסויים וירטואליים מקיפים כדי לזהות עיוות וכישלון חומר. חלקי הציוד הנפוצים ביותר בתחומי המכניקה והחומרים, כגון מכונת חיתוך מטלוגרפית ומכונת בדיקת זחילה אוניברסלית בטמפרטורה גבוהה, משולבים במערכת מבוססת אינטרנט כדי לספק שירותים ניסיוניים שונים למשתמשים בסביבת למידה אימרסיבית ואינטראקטיבית. הפרוטוקול בעבודה זו מחולק לחמישה תתי סעיפים, דהיינו, הכנת החומרים, יציקת הדגימה, אפיון הדגימה, העמסת דגימות, התקנת ננו-אינדנטר וניסויי SEM באתרם , ופרוטוקול זה נועד לספק הזדמנות למשתמשים לגבי זיהוי ציוד שונה והפעולות המתאימות, כמו גם שיפור המודעות למעבדה, וכו', בגישת סימולציה וירטואלית. כדי לספק הנחיות ברורות לניסוי, המערכת מדגישה את הציוד/הדגימה שישמשו בשלב הבא ומסמנת את המסלול המוביל לציוד בחץ בולט. כדי לחקות את הניסוי המעשי ככל האפשר, תכננו ופיתחנו חדר מעבדה תלת ממדי, ציוד, פעולות ונהלי ניסוי. יתר על כן, המערכת הווירטואלית שוקלת גם תרגילים אינטראקטיביים ורישום לפני השימוש בכימיקלים במהלך הניסוי. פעולות שגויות מותרות גם, וכתוצאה מכך הודעת אזהרה ליידע את המשתמש. המערכת יכולה לספק ניסויים אינטראקטיביים וויזואליים למשתמשים ברמות שונות.

Introduction

מכניקה היא אחת הדיסציפלינות הבסיסיות בהנדסה, כפי שמראה הדגש שהושם על יסודות המכניקה המתמטית והידע התיאורטי ותשומת הלב הניתנת לטיפוח היכולות המעשיות של התלמידים. עם ההתקדמות המהירה של המדע והטכנולוגיה המודרניים, לננו-מדע ולטכנולוגיה הייתה השפעה עצומה על חיי האדם והכלכלה. ריטה קולוול, לשעבר מנהלת הקרן הלאומית למדע של ארה"ב (NSF), הצהירה בשנת 2002 כי לטכנולוגיה ננומטרית תהיה השפעה שווה לזו של המהפכה התעשייתית¹ וציינה כי ננוטכנולוגיה היא באמת שער לעולם חדש². התכונות המכניות של חומרים בקנה מידה ננומטרי הן אחד הגורמים הבסיסיים והנחוצים ביותר לפיתוח יישומי היי-טק, כגון ננו-התקנים ^3,4,5. ההתנהגות המכנית של חומרים בקנה מידה ננומטרי והאבולוציה המבנית תחת לחץ הפכו לנושאים חשובים במחקר הננומכני הנוכחי.

בשנים האחרונות, הפיתוח והשיפור של טכנולוגיית ננו-הזחה, טכנולוגיית מיקרוסקופ אלקטרונים, מיקרוסקופ בדיקה סורק ועוד, הפכו את ניסויי "מכניקת באתרם" לטכניקת בדיקה מתקדמת החשובה במחקר ננומכניקה ^6,7. כמובן, מנקודת המבט של הוראה ומחקר מדעי, יש צורך להכניס טכניקות ניסוי גבול לתוך תוכן ההוראה המסורתי לגבי ניסויים מכניים.

עם זאת, ניסויים במכניקה מיקרוסקופית שונים באופן משמעותי מניסויים במכניקה בסיסית מקרוסקופית. מצד אחד, למרות שהמכשירים והציוד הרלוונטיים זכו לפופולריות כמעט בכל המכללות והאוניברסיטאות, מספרם מוגבל בגלל המחיר הגבוה ועלות התחזוקה. בטווח הקצר, אי אפשר לרכוש מספיק ציוד להוראה לא מקוונת. גם אם יש משאבים כספיים, עלויות הניהול והתחזוקה של ניסויים לא מקוונים גבוהות מדי, שכן סוג זה של ציוד יש מאפיינים דיוק גבוה.

מצד שני, ניסויים במכניקה באתרם כגון מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) הם מקיפים מאוד, עם דרישות תפעוליות גבוהות ותקופת ניסוי ארוכה מאוד ^8,9. ניסויים לא מקוונים דורשים מהתלמידים להיות ממוקדים מאוד במשך זמן רב, והפעלה שגויה עלולה להזיק למכשיר. אפילו עם אנשים מיומנים מאוד, ניסוי מוצלח דורש כמה ימים כדי להשלים, החל מהכנת דגימות מתאימות ועד העמסת הדגימות לניסויים מכניים באתרם. לכן, היעילות של הוראה ניסויית לא מקוונת היא נמוכה ביותר.

כדי לטפל בבעיות הנ"ל, ניתן להשתמש בסימולציה וירטואלית. פיתוח הוראת ניסויי סימולציה וירטואלית יכול לתת מענה לצוואר הבקבוק של העלות והכמות של ציוד ניסויי מכניקה באתרו , ובכך לאפשר לתלמידים להשתמש בקלות בפריטי ציוד מתקדמים שונים מבלי לפגוע במכשירים משוכללים. הוראת ניסוי סימולציה מאפשרת לתלמידים גם לגשת לפלטפורמת ניסוי הסימולציה הווירטואלית דרך האינטרנט בכל זמן ובכל מקום. אפילו עבור כמה מכשירים בעלות נמוכה, התלמידים יכולים להשתמש במכשירים וירטואליים מראש לאימון ולתרגול, מה שעשוי לשפר את יעילות ההוראה.

בהתחשב בנגישות ובזמינות של מערכות מבוססות אינטרנט¹⁰, בעבודה זו, אנו מציגים מערכת ניסויי סימולציה וירטואלית מבוססת אינטרנט שיכולה לספק סדרה של ניסויים הקשורים לפעולות בסיסיות במכניקה ובחומרים, עם דגש על ניסוי מכניקה באתר .

Protocol

בעבודה זו, ההליכים של ניסוי שבר קרן microcantilever עם סדקים נדונים כדלקמן, אשר פתוח לגישה חופשית באמצעות http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. כל השלבים מתבצעים במערכת המקוונת על בסיס גישת הסימולציה הווירטואלית. לא נדרש אישור ועדת ביקורת מוסדית למחקר זה. ההסכמה התקבלה מהסטודנטים המתנדבים שהשתתפו במחקר זה.

1. גישה למערכת וכניסה לממשק

1. פתח דפדפן אינטרנט והזן את כתובת ה- URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd כדי לגשת למערכת.
   הערה: ניתן לגשת לכתובת ה-URL שסופקה דרך דפדפן אינטרנט רגיל ללא שם משתמש וסיסמה.
2. מצא את ממשק הסימולציה הווירטואלית באמצעות פס הגלילה האנכי.
   הערה: הסצנה הווירטואלית מוטמעת באינטרנט.
3. לחץ על סמל FullScreen בפינה השמאלית התחתונה כדי לאפשר ממשק מסך מלא.
4. לחץ על התחל ניסוי כפתור כדי להתחיל.
5. לחץ על כפתור Enter כדי לעקוב אחר ההדרכה למתחילים, או לחץ על כפתור דלג כדי לדלג על שלב זה.
   הערה: המשתמש יכול לבחור לעקוב (לחצן Enter ) או לדלג (לחצן דלג ). ההדרכה למתחילים מספקת תיאורים של המערכת כולה. הממשק גם מדגיש את הוראות הפעולה שלב אחר שלב לביצוע הפעולות או הציוד המיועד. איור 1 מראה את הציוד ששימש בניסוי, כולל שבעה סוגי ציוד בתחומי המכניקה והחומר. למתחילים מומלץ לעקוב אחר הדרכה זו.

2. הכנת החומרים

1. התחל את הניסוי לאחר השלמת האימון ברמת מתחילים. עקוב אחר ההנחיות בממשק כדי "ללכת" קרוב לשולחן המעבדה המכיל את פרוסות הסיליקון, סקור את ההבדלים בין פרוסות הסיליקון מסוג רגיל לפלים מסוג סדק, ובחר את תבנית הסדק.
   הערה: היכנס לממשק הניסוי וערוך ניסויים בהתאם להנחיות המסלול המסומן. ההדרכה המודגשת ניתנת לאורך כל התהליך כדי להציע הנחיות ברורות לניסויים.
2. בחר חומר מרשימת החומרים שסופקו.
   הערה: רשימת החומרים שסופקה כוללת זהב, כסף, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, פוליאתר-אתר-קטון (PEEK) ופולימתיל מתקרילט (PMMA).
3. טען את החומר שנבחר על מהדק החותך בלחיצה על החומר המודגש. לחץ על כפתור ההפעלה / כיבוי המודגש (בצד ימין) כדי להפעיל את מהדק החותך, לחץ על כפתור מהירות (בצד שמאל), והגדר את מהירות מכונת החיתוך המטלוגרפית בממשק מוקפץ.
   הערה: המשתמש יכול להגדיר מהירות מתאימה כרצונו. לאחר קביעת המהירות על ידי המשתמש, מהדק החותך יופעל, והבר הגולמי ייחתך לפרוסות דקות.
4. ערם את התבנית, גיליון המתכת וגיליון השער יחד בתורו על-ידי לחיצה וגרירה של האובייקט המסומן בהתאם להנחיות בממשק המשתמש.
   הערה: לאחר חיתוך החומר, שלב הרכבה זה נחוץ לפני יציקת ננו-עובש.

3. יציקת הדגימה

1. לכו וירטואלית אל מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה בהתאם להנחיות המוצגות באיור 2, והניחו למעשה את הדגימות המוערמות בין מהדקי הלוחות של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.
   הערה: לאחר שלב זה, המחשב הווירטואלי בצד שמאל של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה יסומן.
2. לחץ על המחשב הווירטואלי והגדר את ערכת הבדיקה במחשב הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.
   הערה: לאחר שלב זה, ציוד העזר של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית בטמפרטורה גבוהה לחימום ושאיבת ואקום יודגש כדי לספק הדרכה למשתמש.
3. לחץ על ציוד חימום ושאיבת ואקום מודגש והפעל את ספק הכוח. פתח את המשאבה המכנית הווירטואלית ואת שסתום הגיבוי בממשק על ידי לחיצה על הכפתורים המודגשים.
   הערה: שלב זה משלים את הגדרות בקרת הוואקום של המערכת במערכת בקרת הוואקום של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.
4. לחץ על נקה כפתור בלוח הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית כדי לנקות את הנתונים. לחץ על כפתור הפעלה בלוח הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית כדי להשלים את הניסוי, אשר מעתיק את התבנית על התבנית ליריעת המתכת באמצעות שיטת דחיסת לוחות מקבילים.
   הערה: לאחר השלמת יציקת התבנית, הסר את הדגימה, סגור את שסתום הגיבוי ואת המשאבה המכנית וכו' של ציוד החימום ושאיבת הוואקום על ידי לחיצה על הכפתורים בתורו כנדרש (בציוד חימום ואקום אמיתי, הסדר ההפוך עלול לגרום למשאבה המולקולרית להישרף).
5. לחץ שוב על המחשב הווירטואלי ובדוק את נתוני הניסוי במחשב הבקרה של מכונת בדיקת הזחילה האוניברסלית.
6. פתח את לוחית הכיסוי במכונת שיבוץ הדגימה המטלוגרפית, והנח את הדגימה.
   1. לחץ על אבקת PMMA המודגשת כדי לשפוך את האבקה המוכנה, ולחץ על התבנית המודגשת כדי להניח אותה על גבי אבקת PMMA.
   2. לחץ על גלגל היד המודגש כדי להתאים את מיקום התבנית, אשר תכסה את צלחת הכיסוי באופן אוטומטי. לחץ על כפתור ההפעלה / כיבוי כדי להפעיל את מכונת השיבוץ. הוציאו את הדגימה המשובצת PMMA לאחר הקירור.
      הערה: הדגימה המעוצבת צריכה להיות מותקנת על מכונת השיבוץ בכיוון הנכון, כפי שמוצג באיור 3, שבו החומר התרמופלסטי PMMA משמש בניסוי. ודא שאבקת PMMA נמסה ונדבקת לפני השטח של הדגימה. הפינה השמאלית התחתונה של איור 4 מדגימה את הכיוון הנכון לאחר שהמשתמש מאשר את הבחירה המוצגת באיור 3.
7. היכנסו לחדר הליטוש והקורוזיה בעקבות הנחיית המסלול, כפי שמוצג באיור 5. מצא את מכונת הליטוש המודגשת, ולחץ על ידית האחיזה של מכונת הליטוש כדי להרכיב את הדגימה המשובצת על האחיזה. הגדר את מהירות הטחינה והליטוש של הדגימה כדי להסיר את מצע החומר היצוק.
   הערה: טוחנים את התבנית בצד אחד של התבנית עד לחשיפת התבנית שעל התבנית.

4. אפיון דגימות

1. הירשם במחברת האלקטרונית לפני השימוש בכימיקל. פתחו את ארון האחסון הכימי והוציאו את תמיסת ה-KOH והאצטון המוצקים. לחץ על הכד המודגש כדי להשתמש בתמיסת אצטון כדי לנקות את הדגימה. לחץ על מודגשת נוספת ו- KOH מוצק להכנת נוזל קורוזיה להכנת תמיסת KOH 10%. לחץ על תמיסת KOH המודגשת ועל הדגימה כדי לכלות את הדגימה לדגימה מטלוגרפית.
   הערה: בניסוי זה, כדי להסיר את תבנית הסיליקון, מכינים בדרך כלל תמיסת 6 mol/L KOH, הדגימה ממוקמת בתמיסת ההכנה, והכוס המכילה את תמיסת הקורוזיה והדגימה מונחת על פלטה חמה כדי להתחמם כדי להאיץ את קצב הקורוזיה.
2. נקו את הדגימה לאחר הסרת מצע הסיליקון, ובצעו בדיקה מאופיינת עם הדגימה המוכנה תחת מיקרוסקופ אופטי.
   הערה: זכור לקבוע את שלמות הדגימה לאחר השחיקה והקורוזיה.

5. טעינת דגימות והתקנת ננו-אינדנטר

1. טען את הדגימה לשלב הדגימה של הננו-אינדנטר. בחר את indenter החרוט כדי להרכיב אותו על הנהג של מערכת הבדיקה מיקרו וננומכניקה. לחץ על הכונן המסומן כדי לחבר אותו עם nanoindenter.
   הערה: יש להכניס את ה- "PIN" לפיר הכונן בעת התקנת ה- indenter, ומכיוון שפיר הכונן הוא מוט דק, התפס נמנע מפגיעה בפיר הכונן בעת הברגת ה- indenter עם קצה מושחל לכונן.

6. ניסוי SEM באתרו

1. לחץ על הלחצן Vent בתוכנת הבקרה SEM לאחר התקנת האינדנטור של הננו-indenter וטעינת הדגימה כמתואר ב-5.1.
2. פתחו את תא ה-SEM לאחר שבירת הוואקום, התקינו את הננו-אינדנטר על שלב דגימת ה-SEM וחברו את החוטים (איור 6 מציג דוגמה לחיבור אחד החוטים).
3. פתח את תוכנת הבקרה של nanoindenter, ובחר Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
   הערה: תהליך אתחול המיקום של שלב דגימת הננו-אינדנטר חייב להתבצע במצב שבו חלל ה-SEM פתוח כדי למנוע מתהליך האתחול של שלב דגימת הננו-אינדנטר לפגוע בקוטב של יציאת יציאת האלקטרונים של ה-SEM.
4. סגור את תא ה- SEM ולחץ על כפתור המשאבה בתוכנת בקרת ה- SEM.
5. לחץ על הלחצן למעלה או למטה בתוכנת בקרת SEM כדי להתאים את מיקום שלב הדגימה כך שהדגימה שתימדד תיפול לשדה הראייה של SEM. לחץ על בסדר כפתור כדי לתקן את המיקום. לחץ על כפתור EHT המודגש כדי להפעיל את אקדח האלקטרונים. לחץ על כפתור המצלמה ועבור למצב תצפית במיקרוסקופ אלקטרונים.
   הערה: יש לשלוט באינדנדר של הננו-אינדנדר במצב תצפית כדי להתקרב בהדרגה לדגימה שיש למדוד.
6. לחץ על כפתור הפעלה על תוכנת הבקרה של nanoindenter.
   הערה: במהלך הניסוי יש צורך לצפות ולתעד את מאפייני העיוות ותהליך הכשל במהלך תהליך הטעינה של הדגימה ולפתוח את הנתונים המקוריים של הניסוי בחלון ניתוח הנתונים לאחר השלמת הניסוי לצורך תכנון וייצוא הנתונים.
7. לחץ על הלחצן Stop בתוכנת הבקרה של nanoindenter כדי לסיים את הניסוי.
   הערה: ניסוי הסימולציה הווירטואלית מסתיים כאן. המשתמש מתבקש להשלים את תרגיל המבחן המקוון בממשק הווירטואלי לאחר הניסוי.

תוצאות

המערכת מספקת הדרכה ברורה לפעולות המשתמש. ראשית, הדרכה ברמת מתחילים משולבת כאשר משתמש נכנס למערכת. שנית, הציוד וחדר המעבדה שישמשו לפעולה בשלב הבא מודגשים.

המערכת יכולה לשמש למספר מטרות חינוכיות שונות עבור רמות שונות של תלמידים. לדוגמה, איור 1 כולל שבעה מסוגי ה...

Discussion

אחד היתרונות של ניסויי סימולציה וירטואליים הוא שהם מאפשרים למשתמשים לבצע את הניסויים ללא חשש מפגיעה במערכת הפיזית או גרימת נזק לעצמם¹¹. לפיכך, משתמשים יכולים לבצע כל פעולה, כולל פעולות נכונות או שגויות. עם זאת, המערכת נותנת למשתמש הודעת אזהרה המשולבת בניסוי האינטראקטיבי כדי ל?...

Materials

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