Design and development of a micro-biaxial stage with in-situ microscopy

To characterize the mechanics and the deformation mechanisms of heterogeneous materials is a relevant task towards the assessment of reliability and performances. Depending on the structural configuration of a material during service, there are several methods to address mechanical characterization: for planar materials, biaxial testing is a suitable and versatile technique. The goal of this thesis is the design and development of a miniaturized testing device to enable biaxial tests with simultaneous (i.e., in situ) microscopic observation. The motivation of the study is to allow the investigation of a material at both macroscopic (i.e., effective) and microstructural (i.e., local) level and elucidate the relationships between the behaviour observed at different length scales. The capabilities of the biaxial device were demonstrated with a preliminary study of the mechanics of a fabric biomaterial, specifically a silk-based fabric for vascular grafts.

La caratterizzazione del comportamento meccanico e dei meccanismi deformativi dei materiali eterogenei è un aspetto di rilievo per valutarne l'affidabilità e le prestazioni. A seconda della configurazione strutturale del materiale in fase di utilizzo, esistono diversi metodi di caratterizzazione meccanica: nel caso di configurazioni planari (e.g., piastre, membrane, etc.), il test biassiale è una tecnica adeguata e versatile. L'obiettivo della tesi è progettare e sviluppare un dispositivo miniaturizzato che permetta di svolgere contemporaneamente (i.e., in situ) test biassiali ed osservazioni microscopiche. La motivazione dello studio è consentire l’indagine di materiali sia da un punto di vista macroscopico (i.e., efficacie), sia microscopico (i.e., locale) ed illustrare le mutue relazioni tra i comportamenti osservati alle diverse scale. Le potenzialità del dispositivo di test biassiale sono state messe in luce attraverso lo studio preliminare del comportamento meccanico di un biomateriale, nello specifico di un tessuto a base di seta naturale con applicazione nel campo dei graft vascolari.