走査型電子顕微鏡による力学の仮想シミュレーション実験:材料の変形と破壊

要約

本研究では、材料の変形・破壊に関する3次元仮想シミュレーション実験を行い、可視化された実験プロセスを提供します。一連の実験を通じて、ユーザーは機器に精通し、没入型のインタラクティブな学習環境で操作を学ぶことができます。

要約

この作業では、材料の変形と破壊を検出するための一連の包括的な仮想実験を提示します。金属組織切断機や高温ユニバーサルクリープ試験機など、力学および材料分野で最も一般的に使用される機器は、Webベースのシステムに統合され、没入型のインタラクティブな学習環境でユーザーにさまざまな実験サービスを提供します。この作業のプロトコルは、材料の準備、標本の成形、標本の特性評価、標本のローディング、ナノインデンターの設置、およびSEM のin situ 実験の5つのサブセクションに分かれており、このプロトコルは、さまざまな機器の認識と対応する操作、および実験室の意識の向上に関する機会をユーザーに提供することを目的としています。 など、仮想シミュレーションアプローチを使用します。実験の明確なガイダンスを提供するために、システムは次のステップで使用する機器/標本を強調表示し、機器につながる経路を目立つ矢印でマークします。実践的な実験を可能な限り模倣するために、3次元の実験室、機器、操作、および実験手順を設計および開発しました。さらに、仮想システムは、実験中に化学物質を使用する前に、インタラクティブな演習と登録も考慮します。誤った操作も許可され、ユーザーに通知する警告メッセージが表示されます。システムは、さまざまなレベルのユーザーにインタラクティブで視覚化された実験を提供できます。

概要

力学は工学の基礎学問の一つであり、数理力学と理論知識の基礎に重点が置かれ、学生の実践力の育成に注意が払われています。現代の科学技術の急速な進歩に伴い、ナノ科学技術は人間の生活と経済に大きな影響を与えてきました。米国国立科学財団(NSF)の元所長であるリタ・コルウェルは、2002年にナノスケール技術が産業革命¹に匹敵する影響を与えると宣言し、ナノテクノロジーは本当に新しい世界へのポータルであると述べました²。ナノスケールでの材料の機械的特性は、ナノデバイス^3,4,5などのハイテクアプリケーションの開発にとって最も基本的で必要な要素の1つです。ナノスケールでの材料の力学的挙動と応力下での構造進化は、現在のナノメカニカル研究において重要な課題となっています。

近年、ナノインデンテーション技術、電子顕微鏡技術、走査プローブ顕微鏡などの開発と改善により、「in situ力学」実験はナノメカニクス研究において重要な高度な試験技術となっています^6,7。明らかに、教育と科学研究の観点から、機械実験に関する伝統的な教育内容に最先端の実験技術を導入する必要があります。

しかし、微視的力学の実験は、巨視的な基礎力学の実験とは大きく異なります。一方では、関連する機器や機器はほとんどすべての大学で普及していますが、価格とメンテナンスコストが高いため、その数は限られています。短期的には、オフライン教育に十分な機器を購入することは不可能です。財源があっても、このタイプの機器は高精度の特性を備えているため、オフライン実験の管理および保守コストが高すぎます。

一方、走査型電子顕微鏡(SEM)などのin situ力学実験は非常に包括的であり、高い運用要件と非常に長い実験期間^{があります8,9}。オフライン実験では、学生は長時間集中する必要があり、誤操作は機器を損傷する可能性があります。非常に熟練した個人であっても、実験を成功させるには、適格な標本の準備から、その場力学実験のための標本のロードまで、完了するまでに数日かかります。したがって、オフライン実験教育の効率は非常に低いです。

上記の問題に対処するために、仮想シミュレーションを利用することができます。仮想シミュレーション実験教育の開発は、 in situ 力学実験機器のコストと量のボトルネックに対処できるため、学生はハイテク機器に損傷を与えることなく、さまざまな高度な機器を簡単に使用できます。また、シミュレーション実験実習では、いつでもどこでもインターネット を介して 仮想シミュレーション実験プラットフォームにアクセスすることができます。一部の低コストの楽器でも、学生は事前に仮想楽器を使用してトレーニングや練習を行うことができるため、教育効率が向上する可能性があります。

本研究では、Webベースのシステム¹⁰のアクセシビリティと可用性を考慮して、in situ 力学実験を中心に、力学と材料の基本操作に関連する一連の実験を提供できるWebベースの仮想シミュレーション実験システムを提示します。

プロトコル

本研究では、亀裂を伴うマイクロカンチレバービーム破壊実験の手順を以下のように説明し、http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd を介して無料でアクセスできます。すべてのステップは、仮想シミュレーションアプローチに基づいてオンラインシステムで実行されます。この研究には治験審査委員会の承認は必要ありませんでした。この研究に参加した学生ボランティアから同意を得た。

1.システムにアクセスしてインターフェースに入る

1. Web ブラウザーを開き、システムにアクセスするための URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd を入力します。
   注:提供されたURLは、ユーザー名とパスワードなしで主流のWebブラウザからアクセスできます。
2. 垂直スクロールバーを使用して仮想シミュレーションインターフェイスを見つけます。
   注: 仮想シーンは Web に埋め込まれています。
3. 右下隅にあるフルスクリーンアイコンをクリックして、 フルスクリーン インターフェイスを有効にします。
4. [ 実験の開始] ボタンをクリックして開始します。
5. Enterボタンをクリックして初心者向けのガイダンスに従うか、[スキップ]ボタンをクリックしてこの手順をスキップします。
   注: ユーザーは、フォロー (Enter ボタン) またはスキップ ([スキップ] ボタン) を選択できます。初心者向けのガイダンスでは、システム全体の説明を提供します。インターフェースはまた、意図した操作または機器を実行するための操作指示を段階的に強調表示します。 図1 は、機械と材料分野の7種類の機器を含む、実験に使用した機器を示しています。初心者はこのガイダンスに従うことをお勧めします。

2.材料の準備

1. 初心者レベルのトレーニングを完了した後、実験を開始します。インターフェイスのプロンプトに従って、シリコンウェーハを含むラボテーブルの近くを「歩き」、通常タイプとクラックタイプのシリコンウェーハの違いを確認して、クラックテンプレートを選択します。
   注意: 実験インターフェースに入り、強調表示された経路ガイダンスに従って実験を実施します。強調表示されたガイダンスは、実験のための明確なガイダンスを提供するためにプロセス全体で提供されます。
2. 表示された材料リストから材料を選択します。
   注意: 提供されている材料リストには、金、銀、PtCuNiP、ZrTiCuNiBe、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、およびポリメチルメタクリレート(PMMA)が含まれています。
3. ハイライトされた材料をクリックして、選択した材料をカッタークランプにロードします。強調表示された ON / OFF ボタン(右側)をクリックしてカッタークランプをオンにし、[ 速度 ]ボタン(左側)をクリックして、ポップアップインターフェイスで金属組織切断機の速度を設定します。
   注意: ユーザーは必要に応じて適切な速度を設定できます。ユーザーが速度を設定すると、カッタークランプがアクティブになり、生のバーが薄いスライスにカットされます。
4. 金型、金属シート、カバーシートを順番に積み重ねるには、ハイライト表示されたオブジェクトをユーザーインターフェイスの指示に従ってクリックしてドラッグします。
   注意: 材料を切断した後、この組み立てステップはナノモールド鋳造の前に必要です。

3. 試料の成形

1. 図2に示すガイダンスに従って、高温万能クリープ試験機まで仮想的に歩き、積み重ねた試験片を万能クリープ試験機のプレートクランプの間に仮想的に置きます。
   注意: この手順の後、高温ユニバーサルクリープ試験機の左側にある仮想コンピューターが強調表示されます。
2. 仮想コンピューターをクリックし、ユニバーサルクリープ試験機の制御コンピューターでテストスキームを設定します。
   注意: このステップの後、加熱および真空ポンプ用の高温ユニバーサルクリープ試験機の補助装置が強調表示され、ユーザーにガイダンスが提供されます。
3. 強調表示された 加熱および真空ポンプ装置をクリックし、電源をオンにします。強調表示されたボタンをクリックして、インターフェースの仮想機械式ポンプとバッキングバルブを開きます。
   注意: この手順により、ユニバーサルクリープ試験機の真空制御システムのシステム真空制御設定が完了します。
4. ユニバーサルクリープ試験機のコントロールパネルにあるクリアボタンをクリックして、データをクリアします。万能クリープ試験機のコントロールパネルにある[実行]ボタンをクリックして実験を完了し、平行平板圧縮成形法を使用して金型のパターンを金属シートにコピーします。
   注:金型鋳造が完了したら、試料を取り出し、必要に応じてボタンを順番にクリックして、加熱および真空ポンプ装置のバッキングバルブとメカニカルポンプなどを閉じます(実際の加熱および真空ポンプ装置では、逆の順序により分子ポンプが焼損する可能性があります)。
5. 仮想コンピュータを再度クリックし、ユニバーサルクリープ試験機の制御 コンピュータ で実験データを確認します。
6. 金属組織試料象嵌機のカバープレートを開き、試験片を配置します。
   1. 強調表示されたPMMA粉末をクリックして準備した粉末を注ぎ、強調表示された型をクリックしてPMMA粉末の上に置きます。
   2. 強調表示されたハンドホイールをクリックして金型の位置を調整すると、カバープレートが自動的に覆われます。 ON / OFF ボタンをクリックして、象眼細工の電源を入れます。冷却後、PMMA象眼細工の試験片を取り出します。
      注意: 成形された試験片は、 図3に示すように、実験で熱可塑性材料PMMAが使用されている正しい方向に象眼細工機に取り付ける必要があります。PMMA粉末が溶けて試験片の表面に付着していることを確認してください。図 4 の左下隅は、ユーザーが 図 3 に示す選択を確認した後の正しい方向を示しています。
7. 図5に示すように、経路ガイダンスに従って研磨と腐食のために部屋に入ります。強調表示された研磨機を見つけ、研磨機のグリッパーをクリックして、象眼細工の試験片をグリッパーに取り付けます。成形材料基板を除去するために試験片を研削および研磨する速度を設定します。
   注意: 金型のパターンが露出するまで、金型の片側で金型を研磨します。

4. 試験片の特性評価

1. 化学薬品を使用する前に電子ノートに登録してください。化学薬品保管キャビネットを開き、固体KOHとアセトン溶液を取り出します。強調表示されたビーカーをクリックして、アセトン溶液を使用して標本を洗浄します。腐食液調製用の別の強調表示されたビーカーと固体KOHをクリックして、10%KOH溶液を調製します。強調表示されたKOH溶液と試験片をクリックして、試験片を金属組織試験片に腐食させます。
   注:この実験では、シリコンモールドを除去するために、通常、6 mol / L KOH溶液を調製し、試験片を調製溶液に入れ、腐食溶液と試験片を含むビーカーをホットプレートに置いて加熱し、腐食速度を加速します。
2. シリコン基板を取り外した後、試験片を洗浄し、光学顕微鏡下で準備した試験片で特性試験を実行します。
   注意: 研削および腐食後の試験片の完全性を判断することを忘れないでください。

5. 試料の装填とナノインデンターの設置

1. 試料をナノインデンターの試料ステージにロードします。コーン圧子を選択して、マイクロおよびナノメカニクス試験システムのドライバーに取り付けます。強調表示されたドライブをクリックして、ナノインデンターに接続します。
   注意: 圧子を取り付けるときは、「ピン」をドライブシャフトに挿入する必要があり、ドライブシャフトは細いバーであるため、ねじ端のある圧子をドライブにねじ込むときにラッチがドライブシャフトを損傷するのを防ぎます。

6. SEM のその場 実験

1. ナノインデンターの圧子を取り付け、5.1の説明に従って試料をロードした後、SEM制御ソフトウェアの ベント ボタンをクリックします。
2. 真空を破った後SEMチャンバーを開き、SEM試料台にナノインデンターを設置し、ワイヤーを接続します(図6 は、ワイヤーの1つを接続した例を示しています)。
3. ナノインデンターの制御ソフトウェアを開き、 ロードされた圧子範囲を選択し>、実験プロトコルを選択して>初期化*(サンプルステージの初期化)>コントローラーを起動します。
   注意: ナノインデンターサンプルステージの位置初期化プロセスは、ナノインデンターサンプルステージの初期化プロセスがSEM電子出口ポートの極に当たらないように、SEMキャビティが開いた状態で実行する必要があります。
4. SEMチャンバーを閉じ、SEM制御ソフトウェアの ポンプ ボタンをクリックします。
5. SEM制御ソフトウェアの[ 上 へ]または [下 ]ボタンをクリックして、測定するサンプルがSEM視野に入るようにサンプルステージの位置を調整します。[ OK ]ボタンをクリックして位置を修正します。強調表示されたEHTボタンをクリックして、電子銃をオンにします。 カメラ ボタンをクリックし、電子顕微鏡観察モードに切り替えます。
   注意: ナノインデンターの圧子は、測定するサンプルに徐々に近づくように観察モードで制御する必要があります。
6. ナノインデンターの制御ソフトウェアの[ 実行 ]ボタンをクリックします。
   注:実験中は、試験片の装填プロセス中の変形特性と故障プロセスを観察および記録し、実験が完了した後、データをプロットおよびエクスポートするために、実験の元のデータをデータ分析ウィンドウで開く必要があります。
7. ナノインデンターの制御ソフトウェアの 停止 ボタンをクリックして、実験を終了します。
   注: 仮想シミュレーション実験はここで終了します。ユーザーは、実験後に仮想インターフェイスでオンライン試験演習を完了するように求められます。

結果

システムは、ユーザーの操作に関する明確なガイダンスを提供します。まず、ユーザーがシステムに入ると、初心者レベルのトレーニングが統合されます。次に、次のステップの操作に使用する機器と実験室が強調表示されます。

このシステムは、さまざまなレベルの学生に対して、いくつかの異なる教育目的に使用できます。たとえば、図1には?...

ディスカッション

仮想シミュレーション実験の利点の1つは、ユーザーが物理システムの損傷や自分自身への危害を心配することなく実験を実行できることです¹¹。したがって、ユーザーは、正しい操作または間違った操作を含む任意の操作を実行できます。ただし、システムは、インタラクティブな実験に統合された警告メッセージをユーザーに提供し、間違った操作が行われたときに実験?...

資料

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