Name: performing microscope-mounted y-shaped cutting tests
Uploaded: 2023-01-20T12:45:00
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ジェームズ・フィリップス博士、エイミー・ワゴナー・ジョンソン博士、アレクサンドラ・スピッツァー、アミール・オスタディのこの研究に関するアドバイスに感謝します。資金は、イリノイ大学アーバナシャンペーン校の機械科学工学科が提供するスタートアップ助成金から得られました。M.ゲレナ、J.C.ペン、M.シュミット、C.ウォルシュはすべて、このプロジェクトでの作業に対してシニアデザインクレジットを受け取りました。

1.改造部品および消耗部品の調整と製造
<ol><li>レーザーカッターまたは3Dプリンターを使用して、サンプル脚B1およびB2の幅(1.5 cm x 7 cm x 3 mmサンプルの場合は7.5 mm x 7.5 mm)内に収まる使い捨てABSまたはアクリルタブを製造します(図1B および 図2D)。各テストには、各レッグに1つずつ、合計2つのタブが必要です。</li>
	<li>かみそりの刃クリ...

<ol>
	<li>Long, R., Hui, C. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crack+tip+fields+in+soft+elastic+solids+subjected+to+large+quasi-static+deformation+-+A+review.">Crack tip fields in soft elastic solids subjected to large quasi-static deformation - A review.</a> Extreme Mechanics Letters. 4, 131-155 (2015).</li><li>Slootman, J., 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=Quantifying+rate-and+temperature-dependent+molecular+damage+in+elastomer+fracture.">Quantifying rate-and temperature-dependent molecular damage in elastomer fracture.</a> Physical Review X. 10, 041045 (2020).</li><li>Zhao, X., 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=Soft+materials+by+design:+Unconventional+polymer+networks+give+extreme+properties.">Soft materials by design: Unconventional polymer networks give extreme properties.</a> Chemical Review. 121 (8), 4309-4372 (2021).</li><li>Mzabi, S., Berghezan, D., Roux, S., Hild, F., Creton, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+critical+local+energy+release+rate+criterion+for+fatigue+fracture+of+elastomers.">A critical local energy release rate criterion for fatigue fracture of elastomers.</a> Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (21), 1518-1524 (2011).</li><li>Chen, Y., Mellot, G., Van Luijk, D., Creton, C., Sijbesma, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanochemical+tools+for+polymer+materials.">Mechanochemical tools for polymer materials.</a> Chemical Society Reviews. 50, 4100-4140 (2021).</li><li>Hui, C. -. Y., Jagota, A., Bennison, S. J., Londono, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crack+blunting+and+the+strength+of+soft+elastic+solids.">Crack blunting and the strength of soft elastic solids.</a> Proceedings of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Science. 459 (2034), 1489-1516 (2003).</li><li>Zhang, B., Hutchens, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+relationship+between+cutting+and+tearing+in+soft+elastic+solids.">On the relationship between cutting and tearing in soft elastic solids.</a> Soft Matter. 17, 6728-6741 (2021).</li><li>Lake, G. J., Yeoh, O. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+rubber+cutting+resistance+in+the+absence+of+friction.">Measurement of rubber cutting resistance in the absence of friction.</a> International Journal of Fracture. 14, 509-526 (1978).</li><li>Zhang, B., Shiang, C. -. S., Yang, S. J., Hutchens, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Y-shaped+cutting+for+the+systematic+characterization+of+cutting+and+tearing.">Y-shaped cutting for the systematic characterization of cutting and tearing.</a> Experimental Mechanics. 59, 517-529 (2019).</li><li>Rivlin, R. S., Thomas, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rupture+of+rubber.+I.+Characteristic+energy+for+tearing.">Rupture of rubber. I. Characteristic energy for tearing.</a> Journal of Polymer Science. 10 (3), 291-318 (1953).</li><li>Elices, M., Guinea, G. V., G&#243;mez, J., Planas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+cohesive+zone+model:+Advantages,+limitations+and+challenges.">The cohesive zone model: Advantages, limitations and challenges.</a> Engineering Fracture Mechanics. 69 (2), 137-163 (2002).</li><li>Taylor, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Theory of Critical Distances. , (2007).</li><li>Williams, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stress+at+a+distance+fracture+criteria+and+crack+self-blunting+in+rubber.">Stress at a distance fracture criteria and crack self-blunting in rubber.</a> International Journal of Non-Linear Mechanics. 68, 33-36 (2015).</li><li>Talamini, B., Mao, Y., Anand, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progressive+damage+and+rupture+in+polymers.">Progressive damage and rupture in polymers.</a> Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 111, 434-457 (2018).</li><li>Long, R., Hui, C. -. Y., Gong, J. P., Bouchbinder, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+fracture+of+highly+deformable+soft+materials:+A+tale+of+two+length+scales.">The fracture of highly deformable soft materials: A tale of two length scales.</a> Annual Review of Condensed Matter Physics. 12, 71-94 (2021).</li><li>Gent, A. N., Wang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cutting+resistance+of+polyethylene.">Cutting resistance of polyethylene.</a> Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. 34 (13), 2231-2237 (1996).</li><li>Chen, X., Nadiarynkh, O., Plotnikov, S., Campagnola, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Second+harmonic+generation+microscopy+for+quantitative+analysis+of+collagen+fibrillar+structure.">Second harmonic generation microscopy for quantitative analysis of collagen fibrillar structure.</a> Nature Protocols. 7, 654-669 (2015).</li><li>Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+digital+image+correlation+for+in-plane+displacement+and+strain+measurement:+A+review.">Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review.</a> Measurements Science and Technology. 20 (6), 062001 (2009).</li></ol>

ここで報告されている水平のY字型切断装置は、この故障技術の使いやすさの向上とともに 、その場 でのイメージング機能を可能にします。この装置には、顕微鏡からの迅速な取り付け/取り外しと、事前に調整された脚の角度調整のためのモジュラー/ポータブル設計が含まれています。この方法の実装を容易にするために、すべてのCADファイル、必要な材料、および手順が含まれて?...

非線形連続体力学は、軟質固体1の破壊につながるエネルギーの集中を理解するための重要なレンズを提供しました。しかし、この破壊を正確に予測するには、亀裂先端部2,3における新たな表面形成に寄与する微細構造特性の記述も必要である。このような記述にアプローチする1つの方法は、破壊時の亀裂先端のその場での視覚化です4,5。しかし、典型的な遠方場破壊試験では亀裂が鈍化すると、高度に変形した材料が顕微鏡の視野外に広がるため、in situデータの取得が困難になります6。Y字型切断は、ブレード7の先端に大きな変形領域を集中させるため、微細構造の視覚化のためのユニークな代替手段を提供します。さらに、私たちのグループの以前の研究は、このユニークな実験的アプローチが遠方場引き裂きと接触媒介荷重条件の間の破壊応答の違いについての洞察を提供できることを示しています7。
ここで紹介する装置で使用されるY字型切断方法は、天然ゴム8の切断方法として数十年前に最初に説明されました。この方法は、プリロードされたY字型の試験片を貫通する固定ブレードプッシュカットで構成されます。「Y」の交点には亀裂先端があり、これは試験前に長方形のピースの一部を2つの等しい「脚」に分割することによって作成されます(図1Bおよび図2D)。この切断方法の主な利点には、測定された切削エネルギーへの摩擦寄与の低減、可変ブレード形状(すなわち、亀裂先端形状の制約)、故障率の制御(サンプル変位率を介して)、および切断の個別の調整、C、および引き裂き、T、総エネルギーG切断へのエネルギー寄与(すなわち、 切削閾値を超える破壊エネルギーの変更)8。後者の寄与は、切削エネルギー9の単純な閉じた形式の表現で表されます。
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64546/64546eq01v3.jpg" style="margin: auto;"> 式 (1)
これは、サンプルの厚さ、t、平均脚ひずみ、予圧力、<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64546/64546eq02v2.jpg" style="margin: auto;">fpre、および脚と切断軸の間の角度θなど、実験的に選択されたパラメータを使用します。切削抵抗fカットは、Zhangら9に詳述されているように装置で測定される。特に、ここで紹介する装置には、脚の角度θを調整し、サンプルが中央に配置されるようにするための新しいシンプルで正確なメカニズムが含まれています。どちらの機能も顕微鏡搭載のセットアップには重要ですが、このメカニズムは、使いやすさを向上させることで、Y字型切削試験の将来の垂直実装にも役立つ可能性があります。
軟質固体の適切な破壊基準を決定するための進歩は、RivlinとThomas10によって導入されたサンプルに依存しない破壊形状の初期の成功以来進行中です。臨界エネルギー放出率10、凝集帯の法則11、およびさまざまな形態の応力または距離エネルギーアプローチ12、13、14が使用されてきました。最近、ZhangとHutchensは後者のアプローチを活用し、十分に小さい半径のブレードを使用したY字型切削が、軟破断7のしきい値破損条件(均質で高弾性のポリジメチルシロキサン(PDMS)で数十ナノメートルから数百ナノメートルの範囲の破壊のしきい値破損エネルギーとしきい値長さスケール)をもたらす可能性があることを実証しました。これらの結果は、連続体モデリングおよびスケーリング理論と組み合わせて、これらの材料の切断と引き裂きの関係を開発し、ソフト破壊のすべてのモードに関する洞察を提供するためのY字型切断の有用性を実証しました。ただし、散逸性材料や複合材料を含む多くの材料クラスの挙動は未踏のままです。これらの多くは、可視光の波長を超える長さスケールで微細構造支配効果を示すことが期待されています。したがって、この研究では、Y字型切断中のこれらの効果の綿密な視覚的特徴付けを初めて可能にする装置が設計されました(たとえば、軟組織を含む複合材料、またはマイクロメートルからミリメートルの長さスケールで予想される散逸プロセス15)。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Buy Parts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; OD Pulley</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>3434T75</td>
			<td>Pulley for Wire Rope (Larger)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>100 g Micro Load Cell</td>
			<td>RobotShop</td>
			<td>RB-Phi-203</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1K Resistor</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>CMF1.00KFGCT-ND</td>
			<td>1 kOhms &#177;1% 1 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Moisture Resistant, Safety Metal Film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1M Resistor</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>RNF14FAD1M00</td>
			<td>1 MOhms &#177;1% 0.25 W, 1/4 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Safety Metal Film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/8&#34; OD Pulley</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>3434T31</td>
			<td>Pulley for Wire Rope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4&#34; Clear Protractor with Easy Read Markings</td>
			<td>S&#38;S Worldwide</td>
			<td>LR3023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Breadboard</td>
			<td>ECEB</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIP</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>LTC1051CN8#PBF-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M2 x 0.4 mm Nut</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90592A075</td>
			<td>Steel Hex Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M2 x 0.4 mm x 25 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91292A032</td>
			<td>18-8 Stainless Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M2 x 0.4 mm x 8 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91292A832</td>
			<td>18-8 Stainless Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M3 x 0.5 mm x 15 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A572</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M3 x 0.5 mm x 16 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91294A134</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M3 x 0.5 mm, 4 mm High</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90576A102</td>
			<td>Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm Nut</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90592A090</td>
			<td>Steel Hex Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 15 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A306</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 16 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91294A194</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 18 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A164</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 20 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A168</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 20 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>92581A270</td>
			<td>Stell Raised Knurled-Head Thumb Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 30 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A172</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 50 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A193</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm, 5 mm High</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>94645A101</td>
			<td>High-Strength Steel Nylon-Insert Locknut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm Nut</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90592A095</td>
			<td>Steel Hex Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm x 16 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91310A123</td>
			<td>High-Strength Class 10.9 Steel Hex Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm x 35 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A195</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm, 13 mm Head Diameter</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>96445A360</td>
			<td>Flanged Knurled-Head Thumb Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm, 5 mm High</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90576A104</td>
			<td>Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solidworks</td>
			<td>Dassault Systemes</td>
			<td></td>
			<td>CAD software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wiring Kit</td>
			<td>ECEB</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XYZ Axis Manual Precision Linear Stage 60 mm x 60 mm Trimming Bearing Tuning Platform Sliding Table</td>
			<td>OpticsFocus</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Make Parts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- arm</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_arm_single.SLDPRT 
			QTY: 2 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- arms stationary</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_stationary.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- link</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_arm_link.SLDPRT 
			QTY: 2 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- slider</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_slider.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- spacer</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_front_spacer.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clip- Blade clip</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Blade clip.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fine/0.1 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clip- Blade clip mount</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Blade clip mount.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fine/0.1 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Frame arm</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: frame arm.SLDPRT 
			QTY: 2 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mounting platform</td>
			<td>Laser Cut Acrylic</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: mounting platform.SLDPRT 
			QTY: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulley arm (left)</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: pulley arm_Mirror.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulley arm (right)</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: pulley arm.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder and tab- Clamp</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Clamp.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder and tab- Sample holder</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Sample holder.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder and tab- Tab</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Tab.SLDPRT 
			QTY: 2 per test 
			Setting: Fine/0.1 mm layer height, no brim</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vertical adjust system- Inner slide</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Inner slide.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vertical adjust system- Outer slide</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Outer slide.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

performing microscope-mounted y-shaped cutting tests

Y字型切削は、材料の閾値長さスケールと破壊エネルギー、および過剰な変形エネルギーの存在下でのその破壊応答を理解するための有望な方法であることが最近示されています。これらの研究で使用した実験装置は垂直方向であり、Y字型の脚の間の角度を調整するために面倒な手順が必要でした。垂直方向は、標準的な光学顕微鏡での視覚化を禁止します。このプロトコルは、既存の倒立顕微鏡ステージの上に水平に取り付けられ、対物レンズの視野内に収まるように3次元(X-Y-Z)に調整でき、脚の間の角度を簡単に変更できるY字型の切断装置を提供します。後者の2つの機能は、この実験手法にとって新しいものです。提示された装置は、1mNの精度以内の切削抵抗を測定します。この技術の標準材料であるポリジメチルシロキサン(PDMS)をテストする場合、132.96 J / m 2の切削エネルギーが測定され(脚角32°、予圧75 g)、垂直セットアップで行われた以前の測定の誤差(132.9 J / m 2±3.4 J/ m2)内にあることがわかりました。このアプローチは、柔らかい合成材料、組織、または生体膜に適用され、故障時の挙動に関する新しい洞察を提供する可能性があります。部品のリスト、CADファイル、およびこの作業の詳細な手順は、この強力な手法を簡単に実装するためのロードマップを提供します。

ステップ4とステップ6で使用されたパラメータと、ステップ6とステップ9で収集されたデータを組み合わせて、サンプルの切削エネルギーを生成します。式1によると、切削エネルギーの決定には、サンプルの厚さ、t、予圧力、fpre、および脚と切削軸の間の角度θのパラメータが必要です。次のデータも必要です:切削抵抗、fカット、および平均脚ひずみ、<...

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Performing Microscope-Mounted Y-Shaped Cutting Tests

Y字型切削は、軟質材料の破壊に関連する長さスケールとエネルギーを測定します。以前の装置はベンチトップ測定用に設計されていました。このプロトコルでは、セットアップを水平に向け、光学顕微鏡によるin situ表示と故障の定量化に必要な微細な位置決め機能を提供する装置の製造と使用について説明します。

顕微鏡搭載Y字型切削試験の実施

Y-shaped cutting has recently been shown to be a promising method by which to understand the threshold length scale and failure energy of a material, as ...

Y字型切削は、軟質固体の破壊エネルギーと重要な表面作成リンクスケールを測定します。この技術を顕微鏡に組み込むことで、これらの量を支配する微細構造メカニズムの解明が容易になります。前輪荷重に典型的な大きな植え付け亀裂とは対照的に、このプロトコルはプレート誘発ストレッチ局在化を使用して、内部の破損プロセスを画像化するために必要な視野を減らします。このアプローチは、軟質合成材料および生物学的軟組織の破壊に関する洞察を提供する可能性がある。まず、元のステージに取り付けられたスライドホルダーをカスタムサンプルホルダーと交換し、アセンブリを顕微鏡に取り付けます。角度調整つまみネジを緩め、リニアスライドを動かして、カップの角度を設定します。分度器で測定した後に角度を設定し、角度調整つまみネジを締めます。脚とサンプル中立面シータの間の角度は、8〜45度の範囲で調整できます。装置の後ろに2つの垂直プーリーを設置します。ポリジメチルシロキサン(PDMS)の薄い長方形のサンプルを、大きなシートから切断するか、正しい寸法の金型を使用して準備します。寸法は異なる場合がありますが、厚さ3ミリメートル以下のサンプルの場合は、幅1 1/2センチメートル以下から始めることをお勧めします。かみそりの刃を使用して、サンプルを中心線に沿って縦に3センチメートルカットし、Y字型のサンプルを作成します。このリンクは異なる場合がありますが、脚はタブを収容するのに十分な長さである必要がありますが、測定のためにカットされていないサンプルを残すのに十分な長さである必要があります。マーカーまたはインクを使用して、サンプルの細い脚と本体のそれぞれに約1センチメートル離れた中央に2つのマークを配置し、負荷がかかった3つのサンプル脚のそれぞれに適用されたストレッチを測定します。接着剤のようなシアノアクリレート接着剤を使用して、3Dプリントまたはレーザーカットされたタブを各脚の端に取り付けます。細い釣り糸の2つの長さを測定してカットします。メカニズムを介してプーリーの外部セットへの内部ルーティングには、約30センチメートルのラインが必要です。外部プーリーを通るラインの端に5グラムの計量プレートを取り付け、もう一方の端を各脚のタブに結び付けます。サンプルホルダーのつまみネジを使用してサンプルのベースをクランプし、各脚のラインをプーリーシステムの両側に通します。角度調整機構の下側にカメラを当てて、サンプルが無視できる重量の下にあるときにサンプルの上から写真を撮ります。オフアングルの影響を最小限に抑えるために、カメラがサンプル平面と平行であることを確認してください。外部プーリー近くの釣り糸の両端に75グラムの希望のプリロードウェイトを追加します。この量を150グラムに増やすか、50グラムに減らして、必要に応じて、材料とサンプル形状のこの組み合わせの引き裂きの寄与を変更します。三方マイクロ調整ステージのZ成分を使用して、一番下のプーリーからの釣り糸をサンプル脚のZ平面に合わせます。ウェイトを追加した後のサンプルの2番目の写真を撮ります。予想されるブレード先端を対物レンズの視野の近くにほぼ配置します。かみそりの刃を対応するブレードクリップに置き、止めネジでブレードを所定の位置に固定します。このクリップされたかみそりの刃をロードセルに取り付けられたブレードクリップマウントにスライドさせます。より近い画像が必要な場合は、2.5倍または20倍の高さの顕微鏡対物レンズを選択し、透過光設定を使用して、必要に応じてサンプルの後ろの光を増強します。ブレードを所定の位置に置いた状態で、必要に応じて垂直調整システムを使用して顕微鏡をブレードの最も近い表面に焦点を合わせ、先端を対物レンズに適した作動距離にします。3方向マイクロアジャストステージのX方向とY方向のみを使用して、顕微鏡の視野内でかみそりの刃を慎重に位置合わせします。顕微鏡をサンプルに焦点を合わせ、顕微鏡のX/Yステージを平行移動させて、亀裂の先端をかみそりの刃に合わせます。これにより、サンプルの中立面が角度調整機構の中立面と位置合わせされます。ロードセルデータの取得に使用するコードを開き、[記録の開始]ボタンをクリックしてロードセルデータの記録を開始します。顕微鏡ステージ制御を使用して、サンプルをカミソリの刃に向かって一定速度で1センチメートル以上移動します。顕微鏡のイメージングインターフェースを使用して同時に画像を収集します。顕微鏡のX/Yステージが停止したら、[記録の停止]ボタンをクリックしてデータの記録を停止し、荷重と時間応答のテキストファイルを自動的に保存します。超鋭利な刃を使用したポリジメチルシロキサンの力-時間曲線を以下に示します。曲線の弾性荷重、カット開始、定常カット、および除荷重領域がグラフにラベル付けされます。このデータは、カットの開始に通常必要とされる高い初期力と、それに続く一定の力を示しており、定常切削を示します。切削抵抗は、この定常状態内の力の最大値です。ここに示す赤い丸は、顕微鏡で得られた特定の画像に対応しています。スペックルパターンの動きの観察を容易にするために黄色の円が追加され、これらの数値は画像のタイムスタンプと秒を示します。測定された定常切削抵抗と、脚角θ、サンプル厚さT、プリの予荷重f、およびブレード半径の実験試験パラメータを組み合わせると、示されている式に従って定常切削エネルギーが得られます。ここでは、これらの条件について文献で以前に報告された切削エネルギーをうまく再現します。Y字型切断を顕微鏡に組み込むことにより、蛍光プローブ、自家蛍光、および全視野強度技術を介して、軟固組織および軟部組織の障害に対する微細構造の寄与を定量化することができます。

Research

JoVE Journal

Engineering

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