Name: a virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy
Uploaded: 2023-01-20T13:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy at JoVE.com

이 작업은 보조금 2042022kf1059에 따라 중앙 대학을 위한 기초 연구 기금에 의해 부분적으로 지원되었습니다. 보조금 2022CFB757에 따른 후베이성 자연 과학 재단; 보조금 2022TQ0244에 따른 중국 박사후 과학 재단; 보조금 WHU-2021-SYJS-11에 따른 우한 대학 실험 기술 프로젝트 자금 지원; 보조금 2021038에 따라 2021년 후베이성 대학의 지방 교육 및 연구 프로젝트; 그리고 보조금 HBSY2021-01에 따라 후베이성 대학의 지방 실험실 연구 프로젝트.

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.
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	<li>Chong, K., Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano+mechanics/materials+research.">Nano mechanics/materials research.</a> Nanomechanics of Materials and Structures. , 13-22 (2006).</li><li>Ratner, B. 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Z., Basak, A. K., Yin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+SEM+cyclic+nanoindentation+of+pre-sintered+and+sintered+zirconia+materials.">In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).</li><li>Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+during+in-situ+mechanical+testing:+Some+practical+considerations+and+limitations.">Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations.</a> In-situ Mechanics of Materials. , 227-238 (2020).</li><li>Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+mechanics+of+boron+nitride+nanotube+&amp;#34;Buckypaper&amp;#34;+for+engineering+advanced+structural+materials.">High-temperature mechanics of boron nitride nanotube &amp;#34;Buckypaper&amp;#34; for engineering advanced structural materials.</a> ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).</li><li>Cao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlations+between+microstructure,+fracture+morphology,+and+fracture+toughness+of+nanocrystalline+Ni-W+alloys.">Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys.</a> Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+a+web-based+digital+twin+thermal+power.">Toward a web-based digital twin thermal power.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+virtual+simulation+to+digital+twins+in+online+laboratories.">From virtual simulation to digital twins in online laboratories.</a> 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).</li><li>Dede, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Immersive+interfaces+for+engagement+and+learning.">Immersive interfaces for engagement and learning.</a> Science. 323 (5910), 66-69 (2009).</li><li>Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Training+effectiveness+evaluation+of+helicopter+emergency+relief+based+on+virtual+simulation.">Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).</li><li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interactive+and+visualized+online+experimentation+system+for+engineering+education+and+research.">Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research.</a> Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).</li><li>Gal&#225;n, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safe+experimentation+in+optical+levitation+of+charged+droplets+using+remote+labs.">Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs.</a> Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).</li><li>Ouyang, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Unity3D-based+interactive+three-dimensional+virtual+practice+platform+for+chemical+engineering.">A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering.</a> Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).</li></ol>

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...

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 언급했다2. 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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Virtual interface</td>
			<td>None</td>
			<td>None</td>
			<td>http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy

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.

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 ...

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A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy

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.

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

This work presents a set of comprehensive virtual experiments to detect material deformation and failure. The most commonly used pieces of equipment in ...

이 시스템은 학생들에게 실험 프로토콜, 장비 사용 및 이론적 검증을 지시하는 데 사용될 수 있으며, 이를 통해 학생들은 운영 및 실험실 기술을 반복적으로 향상시킬 수 있습니다. 3차원 가상 시뮬레이션 실험의 한 측면을 수행하여 물리적 시스템에 해를 끼치거나 부상을 입을 염려 없이 재료 변형 및 파손을 감지할 수 있습니다. 인터페이스에 액세스하고 들어간 후 그림에 제공된 지침에 따라 고온 범용 크리프 시험기에 가상으로 도달하고 기계의 플레이트 클램프 사이에 스택 시편을 놓습니다.시험기 왼쪽에 있는 가상 컴퓨터가 강조 표시되면 가상 컴퓨터를 클릭하고 기계의 제어 컴퓨터에서 시험 구성표를 설정합니다. 그런 다음 강조 표시된 가열 및 진공 펌핑 장비를 클릭하고 전원 공급 장치를 켭니다. 강조 표시된 각 버튼을 클릭하여 인터페이스에서 가상 기계식 펌프와 배압 밸브를 열어 시스템 진공 제어 설정을 완료합니다.범용 크리프 시험기의 제어판에서 지우기 버튼을 클릭하여 데이터를 지운 다음 실행 버튼을 클릭하여 평행판 압축 성형 방법을 사용하여 금형의 패턴을 금속판에 복사하는 실험을 완료합니다. 금형 주조를 완료한 후 가상 컴퓨터를 다시 클릭하고 범용 크리프 시험기의 제어 컴퓨터에서 실험 데이터를 확인합니다. 금속 조직 시편 상감 기계의 커버 플레이트를 열고 시편을 놓습니다.준비된 분말을 부으려면 강조 표시된 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 또는 PMMA 분말을 클릭하십시오. 그런 다음 강조 표시된 금형을 클릭하여 PMMA 분말 위에 놓습니다. 그런 다음 강조 표시된 핸드 휠을 클릭하고 금형의 위치를 조정하여 커버 플레이트를 자동으로 덮습니다.켜기, 끄기 버튼을 클릭하여 상감 기계를 켭니다. 냉각 후 상감 PMMA 시편을 꺼냅니다. 그림에 표시된 경로 안내에 따라 연마 및 부식을 위한 공간으로 들어갑니다.강조 표시된 연마기를 찾아 기계의 그리퍼를 클릭하여 상감 시편을 그리퍼에 장착합니다. 성형재료 기판을 제거하여 시편을 연마 및 연마하는 속도를 설정합니다. 금형의 패턴이 노출될 때까지 금형의 한쪽 면을 연마합니다.시편 특성 분석을 수행하려면 화학 저장 캐비닛을 가상으로 열고 고체 수산화칼륨을 꺼냅니다. 부식 액체 준비를 위해 강조 표시된 비커와 고체 수산화칼륨을 클릭하여 10% 수산화칼륨 용액을 만듭니다. 강조 표시된 수산화칼륨 용액과 시편을 선택하여 사다리를 금속 조직 시편으로 부식시킵니다.다음으로, 실리콘 기판을 제거한 후 시편을 세척하고 제조된 시편을 광학현미경으로 특성화 시험을 실행한다. 시편을 나노인덴터의 샘플 스테이지에 로드하고 원뿔과 인덴터를 선택하여 마이크로 및 나노 역학 시험 시스템의 드라이버에 장착합니다. 강조 표시된 드라이브를 클릭하여 나노인덴터와 연결합니다.나노인덴터를 설치하고 SEM 제어 소프트웨어에 시편을 로드한 후 벤트 버튼을 클릭합니다. 진공을 깨고 SEM 챔버를 열고 SEM에 나노인덴터를 설치합니다.ample, 그림과 같이 전선을 연결합니다. 그런 다음 나노인덴터의 제어 소프트웨어를 열고 로드된 인덴터 범위를 순차적으로 선택합니다.실험적 프로토콜을 선택합니다. 컨트롤러를 시작하고 init를 사용하여 샘플 단계 초기화를 시작합니다. 초기화 후 SEM 챔버를 닫고 SEM 제어 소프트웨어의 펌프 버튼을 클릭합니다.그런 다음 SEM 제어 소프트웨어에서 위 또는 아래 버튼을 클릭하여 SEM 시야를 따라 샘플 스테이지의 위치를 조정합니다. 확인 버튼을 클릭하여 위치를 수정합니다. 강조 표시된 EHT 버튼을 선택하여 전자총을 켭니다.카메라 버튼을 선택하여 전자 현미경 관찰 모드로 전환합니다. 마지막으로, 나노인덴터 제어 소프트웨어에서 실행을 클릭합니다. 실험을 종료하려면 나노인덴터의 제어 소프트웨어에서 중지 버튼을 클릭합니다.이 시스템은 실험과 결합하여 실험 계획 설계를 향상시켜 즉각적인 검증을 제공했습니다. 예를 들어, 사용자가 시편의 배치 방향을 선택함에 따라 금속 조직 시편 상감 기계를 사용하기 위한 인터페이스가 결과를 보여주었습니다. 유사하게, 균열이 존재하는 마이크로 캔틸레버 빔에 대한 내부 정비사의 실험에서 생성된 변위 시간 및 응력 변형률 곡선을 분석함으로써 사용자는 결과를 얻는 방법을 결정할 수 있습니다.시뮬레이션 시나리오에서 학생들은 자주 사용되는 시행착오 방식 대신 유변학 실험을 수행하기 전에 준비할 시편의 길이 대 직경 비율에 따라 하중 크기와 하중 시간을 평가해야 했습니다. 또한 실험 후 통합 연습을 통해 사용자는 전체 실험 과정을 체계적으로 검토하고 이론을 실험과 연결할 수 있습니다. 웹 기반 가상 시뮬레이션을 사용하여 학생들은 평균적으로 약 73분 만에 실험을 완료하여 접근 방식의 효율성을 검증했습니다.두 그룹의 엔지니어링 정비사 학생들의 온라인 시험 결과는 가상 인터페이스 경험이 있는 학생이 그렇지 않은 학생보다 더 나은 성과를 보였으며 접근 방식의 효율성을 더욱 입증했습니다. 이것은 학생들에게 고급 마이크로 및 나노 기술 기계 실험의 테스트 기술, 방법 및 원리를 마스터하도록 교육함으로써 연구 관심과 혁신 감각을 가르칩니다.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

연구

공학

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For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

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(SEM) X 선 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 및 주사 전자 현미경과 상관 광학 현미경 (LM)의 조합에 따라 LED를 깊이 분석에서

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

주 사형 전자 현미경으로 반도체 재료의 확장 된 결함의 포괄적 인 특성

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