材料科学者は学生にウェーハバーを壊すように指示しました

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Anonim
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英国の材料科学の教師は、複合材料の研究に関する遠隔の実験室ワークショップで、チョコレートでコーティングされたキャラメルウェーハを研究対象として使用することについて話しました。学生の仕事は、ワッフルを自宅でいくつかの機械的破壊試験にかけ、経験の定性的な説明を提供することでしたが、インストラクターは正確なパラメーター測定を備えた実験装置で同じことを行いました。自分の結果と実験室の結果の比較、およびそれらの解釈は、学生が多層構造で発生するプロセスのメカニズムをよりよく理解するのに役立ちました。作業結果の記事がPhysicsEducationに掲載されました。

複合材料は、物理的および化学的特性が異なる2つ以上のコンポーネントで構成される材料です。このような材料の特徴は、コンポーネントの正しい組み合わせが、元のプロパティの単純な重ね合わせでは取得できない質的に新しいプロパティを作成することです。力学と言えば、原則として、強度、軽さ、剛性などです。複合材料の一般的な例は合板シートです。

特別に設計された機器を使って実験室で行われるさまざまな機械的試験なしに、このような構造の研究を想像することは困難です。これは、学生の実験室での作業を含む教育プロセスにも当てはまります。しかし、COVID-19のパンデミックは世界中のカリキュラムに調整を加えており、それによって最も打撃を受けたのは彼らの実験室の部分です。これは、複合材料の物理学を含む、応用技術専門分野の教育の質に影響を与えます。実験室へのアクセスがなければ、自宅で実験を行うことは通常不可能であるため、ほとんどの場合、学生は実験の遠隔デモンストレーションのみに満足することを余儀なくされます。

英国シェフィールド大学の材料科学部のグループは、ジュリアンディーンの参加を得て、人気のあるタノックのチョコレートキャラメルウエハースのブランドを複合材料として研究するよう学生を招待することにより、パンデミックによって引き起こされた被害を補おうとしました。彼らはどんな店でも買うことができました…教師のアイデアは、家を離れることなく、ウェーハバーで一連の3点曲げ試験を実施し、実験結果を定性的に記録することを生徒に提供することでした。大学のスタッフは実験室で同じ実験を行い、すべての結果を詳細に記録して学生に渡します。

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実験で使用したタノックのチョコレート釉ワッフル。

実験用に選択されたバーは、長さ92 mm、厚さ19 mm、幅27 mmのサンドイッチ構造の複合材で、5層のウェーハの間に4層のキャラメルが配置されています。ワッフルバーの上部はチョコレート釉薬で覆われており、その美的および味の特性は著者によって高く評価されていますが、機械的特性への影響はごくわずかでした。

キャラメルウェーハの機械的特性を調査するために、著者らは3点曲げ試験を使用しました。彼らはバーを2つの対称的な固定サポートに置き、チップを中央に押し付けました。科学者は、加えられた圧力とそれが加えられた点の変位(変形)を測定することができます。テストは、室温(約20度)、低温(冷凍庫で10分後、約-5度)、および高温(約30度)の3つの異なる温度でバーに対して実行されました。バー自体は2つの方法で空間に向けられました。1つはワッフルとキャラメルの層が加えられた力に垂直で、もう1つは平行でした(つまり、力はバーの側面に作用します)。

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(a)3点曲げ試験装置の写真。 (b)バーテスト。点線はゼロ電圧曲線を示しています。垂直(c)および平行(d)のバーの向きの図。

学生は自宅で手動でテストを実施することが奨励されました。バーの中央に集められた親指は先端として使用されるべきであり、残りの指はサポートの役割を果たしました。もちろん、指でかかる圧力を測定することはできませんでしたが、聞いた触覚や音を記録し、亀裂の伝播の性質や破裂の形状を観察するように求められました。実験の終わりに、彼らは彼らの結果を教師によって提供された変形への負荷の依存性のグラフと比較しました。

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(a)手動曲げ試験の写真。 (b)バーの表面を壊します。

すべての実験で、バーの動作は、方向が異なる場合で大幅に異なりました。垂直方向では、構造はより低い圧力に耐えましたが、破壊自体はより拡張されました。著者らは、キャラメルのより柔軟な層が、より丈夫なウェーハ層に作用する力と張力を再分配したという事実によってこれを説明しました。平行な向きでは、バーはより多くの圧力に耐えましたが、特徴的な音とともに亀裂がはるかに速く現れました。

温度が上昇すると、サンプルはより可塑性になりますが、耐久性は低下します。これは、垂直方向でより顕著であり、逆に減少します。低温サンプルの垂直配向の変形に対する荷重の依存性のグラフで、著者らは特徴的な鋸歯状構造に注目しました。その発生は、サンプル全体の破壊が層状に発生するという事実によるものです。各ウェーハ層が破壊された後、キャラメルは負荷を再配分するため、測定された圧力は多少低下します。変形が大きくなると、次のレイヤーが壊れるまで再び大きくなります。

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(a)冷凍庫で冷却し、(b)液体窒素で冷却した両方のバー方向の荷重対ひずみのプロット。

科学者たちは、温度が脆性-延性遷移温度として知られる特別なマークを下回ると、材料のこの挙動が変化する可能性があることに注目しました。これは材料のかなり危険な特性であり、すでに災害につながっています。特に「リバティ」型の輸送船が苦しんでいることが知られており、「タイタニック号」が沈没した理由のひとつにもなった。

ウェーハバーのこの遷移を調査するために、著者は液体窒素でそれらを摂氏-192度に冷却しました(この経験には、自宅でそれを行わないようにという警告が伴いました)。その結果、垂直方向の応力-ひずみプロットを分析したところ、科学者は鋸歯状の圧力パターンを見ていませんでした。亀裂はほとんど変形せずに形成され、一時的に動きが止まるレベルまで応力が減少しました。しかし、変形の増加は最終的にバーの完全な破壊につながりました。

結論として、著者らは、彼らの研究の目的は、簡単なテストを使用して、学生がサンドイッチ複合材料の特性を理解するのに役立つ実験を設計することであったと述べています。彼らは、提案された手順は、店で購入しやすい材料を使用して、家を離れることなく実行できることを強調しています。科学者たちは、学生との実験が材料科学をさらに研究する動機を高め、彼らが味わうことができる他の良いものについてのアイデアを彼らに与えることを望んでいます。

物理学者は、私たちの周りの物体に起こる現象をグラフィカルに説明しようとすることがよくあります。以前、彼らはスパゲッティを半分に割る方法を学び、最近、シートのパックを曲げるとどうなるかを理解しました。

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