역학의 가상 시뮬레이션 실험: 주사 전자 현미경을 기반으로 한 재료 변형 및 파손

요약

이 작업은 시각화된 실험 프로세스를 제공하는 재료 변형 및 파손에 대한 3차원 가상 시뮬레이션 실험을 제시합니다. 일련의 실험을 통해 사용자는 장비에 익숙해지고 몰입형 대화형 학습 환경에서 작업을 배울 수 있습니다.

초록

이 작업은 재료 변형 및 파손을 감지하기 위한 일련의 포괄적인 가상 실험을 제시합니다. 금속 조직 절단기 및 고온 범용 크리프 시험기와 같은 기계 및 재료 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 장비는 웹 기반 시스템에 통합되어 몰입형 대화형 학습 환경에서 사용자에게 다양한 실험 서비스를 제공합니다. 이 작업의 프로토콜은 재료 준비, 시편 성형, 시편 특성화, 시편 로딩, 나노 압자 설치 및 SEM 현장 실험의 5개 하위 섹션으로 나뉘며, 이 프로토콜은 사용자에게 다양한 장비 및 해당 작업에 대한 인식과 실험실 인식 향상에 관한 기회를 제공하는 것을 목표로 합니다. 등, 가상 시뮬레이션 접근 방식을 사용합니다. 실험에 대한 명확한 지침을 제공하기 위해 시스템은 다음 단계에서 사용할 장비/시편을 강조 표시하고 장비로 이어지는 경로를 눈에 띄는 화살표로 표시합니다. 실습 실험을 최대한 모방하기 위해 3차원 실험실, 장비, 운영 및 실험 절차를 설계하고 개발했습니다. 또한 가상 시스템은 실험 중에 화학 물질을 사용하기 전에 대화식 연습 및 등록을 고려합니다. 잘못된 작업도 허용되어 사용자에게 경고 메시지가 표시됩니다. 이 시스템은 다양한 수준의 사용자에게 대화형 및 시각화된 실험을 제공할 수 있습니다.

서문

역학은 수학 역학과 이론 지식의 기초에 중점을 두고 학생들의 실무 능력 배양에 대한 관심에서 알 수 있듯이 공학의 기본 분야 중 하나입니다. 현대 과학 기술의 급속한 발전으로 나노 과학과 기술은 인간의 삶과 경제에 큰 영향을 미쳤습니다. 미국 국립과학재단(NSF)의 전 이사인 리타 콜웰(Rita Colwell)은 2002년에 나노스케일 기술이 산업혁명¹과 같은 영향을 미칠 것이라고 선언했으며, 나노기술은 진정한 새로운 세계로 가는 관문이라고 언급^했다2. 나노 스케일에서 재료의 기계적 특성은 나노 장치 ^3,4,5와 같은 하이테크 응용 프로그램의 개발에 가장 기본적이고 필요한 요소 중 하나입니다. 나노 스케일에서 재료의 기계적 거동과 응력 하에서의 구조적 진화는 현재의 나노 기계 연구에서 중요한 문제가되었습니다.

최근 몇 년 동안, 나노 인덴테이션 기술, 전자 현미경 기술, 주사 프로브 현미경 등의 개발 및 개선으로 인해 "현장 역학"실험은 나노 역학 연구 ^6,7에서 중요한 고급 테스트 기술로 만들어졌습니다. 분명히, 교수 및 과학 연구의 관점에서 볼 때, 기계 실험에 관한 전통적인 교육 내용에 프론티어 실험 기법을 도입 할 필요가 있습니다.

그러나 미시적 역학의 실험은 거시적 기초역학 실험과 크게 다릅니다. 한편으로는 관련 장비와 장비가 거의 모든 대학에서 대중화되었지만 높은 가격과 유지 보수 비용으로 인해 그 수가 제한되어 있습니다. 단기적으로는 오프라인 교육을 위한 충분한 장비를 구입하는 것이 불가능합니다. 재원이 있더라도 오프라인 실험의 관리 및 유지 보수 비용이 너무 높습니다., 이러한 유형의 장비는 고정밀 특성을 가지고 있기 때문에.

반면에, 주사 전자 현미경 (SEM)과 같은 현장 역학 실험은 매우 포괄적이며, 높은 작동 요구 사항과 매우 긴 실험 기간 ^8,9. 오프라인 실험은 학생들이 오랜 시간 동안 집중해야 하며 오작동은 기기를 손상시킬 수 있습니다. 매우 숙련된 인력이 있더라도 성공적인 실험을 위해서는 자격을 갖춘 시편을 준비하는 것부터 현장 역학 실험을 위한 시편을 로드하는 것까지 완료하는 데 며칠이 걸립니다. 따라서 오프라인 실험 교육의 효율성은 매우 낮습니다.

위의 문제를 해결하기 위해 가상 시뮬레이션을 활용할 수 있습니다. 가상 시뮬레이션 실험 교육의 개발은 현장 역학 실험 장비의 비용 및 수량 병목 현상을 해결할 수 있으므로 학생들은 첨단 장비를 손상시키지 않고 다양한 고급 장비를 쉽게 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션 실험 교육을 통해 학생들은 언제 어디서나 인터넷을 통해 가상 시뮬레이션 실험 플랫폼에 액세스할 수 있습니다. 일부 저가형 악기의 경우에도 학생들은 교육 및 실습을 위해 미리 가상 악기를 사용할 수 있으므로 교육 효율성이 향상될 수 있습니다.

웹 기반 시스템⁽¹⁰)의 접근성 및 가용성을 고려하여, 본 연구에서는 현장 역학 실험에 초점을 맞추고, 역학 및 재료의 기본 동작과 관련된 일련의 실험을 제공할 수 있는 웹 기반 가상 시뮬레이션 실험 시스템을 제시한다.

프로토콜

이 작업에서는 균열을 이용한 마이크로 캔틸레버 빔 파괴 실험의 절차가 다음과 같이 논의되며, 이는 http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd 통해 무료로 액세스 할 수 있습니다. 모든 단계는 가상 시뮬레이션 접근 방식을 기반으로 온라인 시스템에서 수행됩니다. 이 연구에는 Institutional Review Board의 승인이 필요하지 않았습니다. 이 연구에 참여한 학생 지원자로부터 동의를 얻었습니다.

1. 시스템 액세스 및 인터페이스 진입

1. 웹 브라우저를 열고 URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd 입력하여 시스템에 액세스합니다.
   참고: 제공된 URL은 사용자 이름과 암호 없이 주류 웹 브라우저를 통해 액세스할 수 있습니다.
2. 수직 스크롤바를 사용하여 가상 시뮬레이션 인터페이스를 찾습니다.
   참고: 가상 장면은 웹에 포함됩니다.
3. 오른쪽 하단 모서리에 있는 전체 화면 아이콘을 클릭하여 전체 화면 인터페이스를 활성화합니다.
4. 실험 시작 버튼을 클릭하여 시작합니다.
5. Enter 버튼을 클릭하여 초보자를 위한 지침을 따르거나 건너뛰기 버튼을 클릭하여 이 단계를 건너뜁니다.
   참고: 사용자는 따르거나(Enter 버튼) 건너뛰기(건너뛰기 버튼)하도록 선택할 수 있습니다. 초보자를 위한 지침은 전체 시스템에 대한 설명을 제공합니다. 인터페이스는 또한 의도한 작업 또는 장비를 수행하기 위한 작동 지침을 단계별로 강조 표시합니다. 그림 1 은 기계 및 재료 분야의 7가지 유형의 장비를 포함하여 실험에 사용된 장비를 보여줍니다. 초보자는 이 지침을 따르는 것이 좋습니다.

2. 재료의 준비

1. 초급 수준의 교육을 완료한 후 실험을 시작합니다. 인터페이스의 프롬프트에 따라 실리콘 웨이퍼가 포함된 실험실 테이블 가까이로 "걸어가서" 일반형과 크랙형 실리콘 웨이퍼의 차이점을 검토하고 크랙 템플릿을 선택합니다.
   알림: 실험 인터페이스에 들어가 강조 표시된 경로 지침에 따라 실험을 수행합니다. 강조 표시된 지침은 실험에 대한 명확한 지침을 제공하기 위해 프로세스 전반에 걸쳐 제공됩니다.
2. 제공된 재질 목록에서 재질을 선택합니다.
   참고: 제공된 재료 목록에는 금, 은, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, 폴리에테르-에테르-케톤(PEEK) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)가 포함됩니다.
3. 강조 표시된 재료를 클릭하여 선택한 재료를 커터 클램프에 로드합니다. 강조 표시된 ON/OFF 버튼(오른쪽)을 클릭하여 커터 클램프를 켜고 속도 버튼(왼쪽)을 클릭한 다음 팝업 인터페이스에서 금속 조직 절단기의 속도를 설정합니다.
   알림: 사용자는 원하는 대로 적절한 속도를 설정할 수 있습니다. 사용자가 속도를 설정하면 커터 clamp 활성화되고 원시 막대가 얇은 조각으로 절단됩니다.
4. 사용자 인터페이스의 안내에 따라 강조 표시된 개체를 클릭하고 드래그하여 몰드, 금속 시트 및 커버 시트를 차례로 쌓습니다.
   알림: 재료를 절단한 후 나노 몰드 주조 전에 이 조립 단계가 필요합니다.

3. 시편 성형

1. 그림 2에 표시된 지침에 따라 고온 범용 크리프 시험기로 가상으로 걸어가고, 적층된 시편을 범용 크리프 시험기의 플레이트 클램프 사이에 가상으로 놓습니다.
   참고: 이 단계가 끝나면 고온 범용 크리프 시험기의 왼쪽에 있는 가상 컴퓨터가 강조 표시됩니다.
2. 가상 컴퓨터를 클릭하고 범용 크리프 시험기의 제어 컴퓨터에서 시험 체계를 설정합니다.
   알림: 이 단계가 끝나면 가열 및 진공 펌핑을 위한 고온 범용 크리프 시험기의 보조 장비가 강조 표시되어 사용자에게 지침을 제공합니다.
3. 강조 표시된 가열 및 진공 펌핑 장비를 클릭하고 전원 공급 장치를 켭니다. 가상 기계식 펌프와 인터페이스에서 배압 밸브를 열려면 강조 표시된 버튼을 클릭합니다.
   참고: 이 단계는 범용 크리프 시험기의 진공 제어 시스템에서 시스템 진공 제어 설정을 완료합니다.
4. 범용 크리프 시험기의 제어판에 있는 지우기(Clear) 버튼을 클릭하여 데이터를 지웁니다. 범용 크리프 시험기의 제어판에 있는 실행 버튼을 클릭하여 실험을 완료하면 평행판 압축 성형 방법을 사용하여 금형의 패턴을 금속판에 복사합니다.
   알림: 금형 주조가 완료된 후 시편을 제거하고 필요에 따라 버튼을 차례로 클릭하여 가열 및 진공 펌핑 장비의 배압 밸브와 기계식 펌프 등을 닫습니다(실제 가열 및 진공 펌핑 장비에서는 역순으로 인해 분자 펌프가 타버릴 수 있음).
5. 가상 컴퓨터를 다시 클릭하고 범용 크리프 시험기의 제어 컴퓨터에서 실험 데이터를 확인합니다.
6. 금속 조직 시편 상감 기계의 커버 플레이트를 열고 시편을 놓습니다.
   1. 강조 표시된 PMMA 분말을 클릭하여 준비된 분말을 붓고 강조 표시된 금형을 클릭하여 PMMA 분말 위에 놓습니다.
   2. 강조 표시된 핸드 휠을 클릭하여 금형의 위치를 조정하면 커버 플레이트가 자동으로 덮입니다. ON/OFF 버튼을 클릭하여 상감 기계를 켭니다. 냉각 후 PMMA 상감 시편을 꺼냅니다.
      참고: 성형된 시편은 열가소성 재료 PMMA가 실험에 사용되는 그림 3과 같이 올바른 방향으로 상감 기계에 장착되어야 합니다. PMMA 분말이 녹아 시편 표면에 부착되는지 확인하십시오. 그림 4 의 왼쪽 아래 모서리는 사용자가 그림 3에 표시된 선택을 확인한 후의 올바른 방향을 보여 줍니다.
7. 그림 5와 같이 경로 안내에 따라 연마 및 부식을 위한 공간으로 들어갑니다. 강조 표시된 연마기를 찾아 연마기의 그리퍼를 클릭하여 상감 시편을 그리퍼에 장착합니다. 시편을 연마하고 연마하는 속도를 설정하여 성형재료 기판을 제거합니다.
   알림: 금형의 패턴이 노출될 때까지 금형의 한쪽 면을 연마합니다.

4. 시편 특성화

1. 화학 물질을 사용하기 전에 전자 노트북에 등록하십시오. 화학 물질 저장 캐비닛을 열고 고체 KOH 및 아세톤 용액을 꺼냅니다. 강조 표시된 비커를 클릭하여 아세톤 용액을 사용하여 표본을 청소합니다. 부식액 준비를 위해 강조 표시된 다른 비커와 고체 KOH를 클릭하여 10% KOH 용액을 준비합니다. 강조 표시된 KOH 용액과 시편을 클릭하여 시편을 금속 조직 시편으로 부식시킵니다.
   참고: 이 실험에서는 실리콘 몰드를 제거하기 위해 일반적으로 6mol/L KOH 용액을 준비하고 시편을 준비 용액에 넣고 부식 용액과 시편이 들어 있는 비커를 열판에 올려 가열하여 부식 속도를 가속화합니다.
2. 실리콘 기판을 제거한 후 시편을 세척하고, 제조된 시편을 광학현미경으로 특성화 시험을 실행한다.
   알림: 연삭 및 부식 후 시편의 무결성을 결정하는 것을 잊지 마십시오.

5. 시편 로딩 및 나노인덴터 설치

1. 시료를 나노인덴터의 샘플 스테이지에 로드합니다. 콘 인덴터를 선택하여 마이크로 및 나노 역학 시험 시스템의 드라이버에 장착하십시오. 강조 표시된 드라이브를 클릭하여 나노인덴터와 연결합니다.
   알림: 인덴터를 설치할 때 "핀"을 구동축에 삽입해야 하며, 구동축이 가느다란 막대이기 때문에 나사산 끝이 있는 인덴터를 드라이브에 나사로 조일 때 래치가 구동축이 손상되는 것을 방지합니다.

6. SEM in situ 실험

1. 5.1에 설명된 대로 나노인덴터의 압자를 설치하고 시편을 로드한 후 SEM 제어 소프트웨어에서 Vent 버튼을 클릭합니다.
2. 진공을 깨고 SEM 챔버를 열고 SEM s에 나노인덴터를 설치합니다.ample, 전선을 연결합니다(그림 6 은 전선 중 하나를 연결하는 예를 보여줍니다).
3. 나노인덴터의 제어 소프트웨어를 열고 로드된 인덴터 범위 > 실험 프로토콜 선택 > 컨트롤러 시작 > 초기화*(샘플 스테이지 초기화)를 선택합니다.
   알림: 나노인덴터의 위치 초기화 과정ample stage는 nanoindenter의 초기화 과정을 피하기 위해 SEM 캐비티가 열린 상태에서 수행되어야 합니다.ample stage는 SEM 전자 출구 포트의 극에 부딪칩니다.
4. SEM 챔버를 닫고 SEM 제어 소프트웨어에서 펌프 버튼을 클릭합니다.
5. SEM 제어 소프트웨어에서 위 또는 아래 버튼을 클릭하여 s의 위치를 조정합니다.amps의 stag측정할 s가 SEM 시야에 들어갈 수 있도록 stag이자형. 확인 버튼을 클릭하여 위치를 고정합니다. 강조 표시된 EHT 버튼을 클릭하여 전자총을 켭니다. 카메라 버튼을 클릭하고 전자 현미경 관찰 모드로 전환합니다.
   알림: 나노인덴터의 압자는 관찰 모드에서 제어하여 s에 점진적으로 접근해야 합니다.amp측정할 수 있습니다.
6. nanoindenter의 제어 소프트웨어에서 Run(실행 ) 버튼을 클릭합니다.
   참고: 실험 중에는 시편을 적재하는 과정에서 변형 특성과 파손 과정을 관찰 및 기록하고 실험이 완료된 후 데이터 분석 창에서 실험의 원본 데이터를 열어 데이터를 플로팅하고 내보내야 합니다.
7. 나노인덴터의 제어 소프트웨어에서 중지 버튼을 클릭하여 실험을 종료합니다.
   참고: 가상 시뮬레이션 실험은 여기서 끝납니다. 사용자는 실험 후 가상 인터페이스에서 온라인 시험 연습을 완료해야 합니다.

결과

이 시스템은 사용자의 작업에 대한 명확한 지침을 제공합니다. 첫째, 사용자가 시스템에 들어갈 때 초급 수준의 교육이 통합됩니다. 둘째, 다음 단계 작업에 사용할 장비와 실험실이 강조 표시됩니다.

이 시스템은 다양한 수준의 학생들을 위해 여러 가지 교육 목적으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 그림 1에는 기계 및 재료 분야에서 가장 일반적으로 ...

토론

가상 시뮬레이션 실험의 장점 중 하나는 사용자가 물리적 시스템을 손상시키거나 자신에게 해를 끼칠 염려 없이 실험을 수행할 수 있다는 것입니다⁽¹¹). 따라서 사용자는 올바른 작업 또는 잘못된 작업을 포함하여 모든 작업을 수행할 수 있습니다. 그러나 시스템은 잘못된 작업이 수행될 때 실험을 올바르게 수행하도록 안내하기 위해 대화형 실험에 통합된 경고 메시지를 사용자...

자료

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Virtual interface	None	None	http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd