Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Mikro / Nano-skala Stamfordelingsmåling fra prøveudtagning Moiré Fringes

Published: May 23, 2017 doi: 10.3791/55739
Automatic Translation
1, 1, 1
1Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Summary

En prøveudtagningsteknologi med 2-pixel og multimedieprøveudtagningsmetoder til højnøjagtighedstestfordelingsmålinger på mikro / nano-skalaen er præsenteret her.

Abstract

Dette værk beskriver måleproceduren og principperne for en prøveudtagningsteknik for fuldmåne mikro / nano-skala deformationsmålinger. Den udviklede teknik kan udføres på to måder: ved hjælp af den rekonstruerede multiplikation moiré metode eller den rumlige faseforskydning sampling moiré metode. Når prøvegitteret er omkring 2 pixel, genereres 2-pixel sampling moiré fringes for at rekonstruere et multiplikation moiré mønster til en deformationsmåling. Både forskydnings- og belastningsfølsomheden er dobbelt så høj som i den traditionelle scanning moiré-metode i samme brede synsfelt. Når prøvegitteret er omkring eller større end 3 pixel, genereres multipixel sampling moiré fringes, og en rumlig faseforskydningsteknik kombineres til en måling af fuldfeltdeformation. Tæthedsmålerens nøjagtighed er signifikant forbedret, og automatisk batchmåling er let opnåelig.Begge metoder kan måle de todimensionale (2D) stamfordelinger fra et single-shot-gitterbillede uden at rotere prøven eller scanningslinierne, som i traditionelle moiré-teknikker. Som eksempler blev 2D-forskydnings- og spændingsfordelingerne, inklusiv shearstammerne af to carbonfiberforstærkede plastikprøver, målt i trepunkts-bøjningstest. Den foreslåede teknik forventes at spille en vigtig rolle i de ikke-destruktive kvantitative vurderinger af mekaniske egenskaber, sprækkeforekomster og restspændinger af forskellige materialer.

Introduction

Mikro / nano-skala deformationsmålinger er afgørende for at evaluere de mekaniske egenskaber, ustabilitet adfærd, restspændinger og revne forekomster af avancerede materialer. Da optiske teknikker er kontaktfri, fuldfelt og ikke-destruktiv, er forskellige optiske metoder blevet udviklet til deformationsmåling i de sidste par årtier. I de senere år omfatter mikro-nano-skala deformationsmålingsteknikkerne primært moirémetoderne 1 , 2 , 3 , 4 , geometrisk faseanalyse (GPA) 5 , 6 , Fourier-transformation (FT), digital billedkorrelation (DIC) og Elektronisk speckle pattern interferometry (ESPI). Blandt disse teknikker er GPA og FT ikke velegnet til komplekse deformationsmålinger, fordi der findes flere frekvenser. DIC-metoden er simMen kraftløse mod støj, fordi deformationsbæreren er tilfældig speckle. Endelig er ESPI stærkt følsom over for vibrationer.

Blandt mikro / nano-skala moiré-metoder er de mest anvendte metoder i øjeblikket mikroskopscanning moiré-metoder, såsom elektroniske scannings moiré 7 , 8 , 9 , laserskanning moiré 10 , 11 og atomkraftmikroskop (AFM) moiré 12 , Og nogle mikroskopbaserede moirémetoder, såsom den digitale / overlappende moiré 13 , 14 , 15 fremgangsmåde og multiplikation / fraktional moiré-metoden 16 , 17 . Skanning moiré-metoden har mange fordele, såsom et bredt synsfelt, høj resoLution og ufølsomhed over for tilfældig støj. Den traditionelle scanning moiré-metode er imidlertid ubelejlig for 2D-stamme-målinger, fordi det er nødvendigt at rotere prøvefasen eller scanningsretningen med 90 ° og skanne to gange for at frembringe moiré-frynser i to retninger 18 . Rotation og de dobbelte scanningsprocesser introducerer rotationsfejl og tager lang tid, hvilket alvorligt påvirker målingsnøjagtigheden af ​​2D-stammen, især for shear-stammen. Skønt den tidsmæssige faseforskydningsteknik 19 , 20 kan forbedre deformationsmålingsnøjagtigheden, kræver det tid og en særlig faseforskydningsanordning uegnet til dynamiske test.

Prøveudtagningsmoirémetoden 21 , 22 har en høj nøjagtighed i forskydningsmålinger og anvendes nu hovedsagelig til afbøjningsmålinger på broer, når biler prøv. For at udvide prøvetagning moiré-metoden til mikro / nano-skala 2D-stamme målinger er en rekonstrueret multiplikation moiré-metode blevet nyudviklet 23 fra 2-pixel sampling moiré fringes, hvor målingerne er dobbelt så følsomme og det brede synsfelt for Scanning moiré metode holdes. Desuden er den rumlige faseforskydende sampling moiré-metode også udviklet fra multipixel sampling moiré fringes, hvilket giver mulighed for høj nøjagtighed belastning målinger. Denne protokol vil introducere den detaljerede belastningsmålemetode og forventes at hjælpe forskere og ingeniører med at lære at måle deformation, forbedre fremstillingsprocesserne for materialer og produkter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bekræftelse af Micro / Nano-skalaen på prøven

  1. Bearbejdning af prøven
    1. Skær prøven til den størrelse, der kræves af den specifikke indlæsningsenhed, der anvendes under et mikroskop ( f.eks. 1 x 5 x 30 mm 3 ), hvilket gør overfladen til at blive observeret 1,5 gange større end det område, der er af interesse.
    2. Polere prøveoverfladen, der skal observeres ( f.eks. 1 x 30 mm 2 ), efterfølgende ved anvendelse af groft og fint sandpapir på en automatisk polermaskine ( f.eks. Brug SiC folie nr. 320 i 3 minutter og derefter # 800 i 1 min ved 150 omdr./min. Og 30 N). Rengør prøven med vand efter hvert poleringstrin.
    3. Polere samme prøveoverflade, efterhånden ved hjælp af grove og fine poleringsløsninger på den automatiske polermaskine ( fx brug DP-Spray P 15 μm i 5 minutter, P 1 μm i 8 minutter og P 0,25 μm i 10 minutter ved 150 omdrejninger pr. Minut og 30 N). Rengør prøven med vand efter hver poleringG trin.
  2. Fremstilling af Micro / Nano-skalaen, hvis der ikke findes et periodisk mønster på prøven
    BEMÆRK: Dette trin kan udelades, hvis der findes et naturligt periodisk mønster på mikro / nano skalaen på prøveoverfladen. Vælg gridfabrikationsmetoden fra følgende: ultraviolet (UV) eller varm nanoimprint litografi (NIL) 26 , elektronstråle litografi (EBL) 2 og FIB-fræsning 6 .
    BEMÆRK: Gitterfremstillingsprocessen introduceres her, med UV NIL som et eksempel.
    1. Sæt 2 ml UV-resist på prøveoverfladen ved hjælp af en pipette.
    2. Belæg resisten på prøveoverfladen ved hjælp af en spincoater ved 1500 rpm i 60 s.
    3. Tryk en nanoimpresform til resistlaget ved et tryk på 0,2 MPa. Udsæt resisten mod UV med en bølgelængde på 375 nm i 30 s.
    4. Adskil nanoimprint-støbeformen fra prøveoverfladen.
    5. Observation af gitteret på prøven ved anvendelse af et mikroskop
      1. Coat et platin eller guldlag med en tykkelse på 3-10 nm på gitteroverfladen ved hjælp af en ioncoater ( f.eks. Belægning i 30 s ved 3 Pa med en forstøvningsstrøm på 30 mA).
      2. Sæt prøven under et laserskanningsmikroskop (LSM) 23 .
        BEMÆRK: Andre mikroskoper kan også bruges, såsom et transmissionselektronmikroskop (TEM) 5 , et atomkraftmikroskop (AFM) 12 eller et scanningselektronmikroskop (SEM) 7 .
      3. Juster fokuset og gem et enkelt gitterbillede ved hjælp af mikroskopet ved at klikke på "Capture" og "File | Export | Image File" i mikroskopets billedoptagelsessoftware.
    6. Beregning af gridstanden (nm eller μm) af prøven fra gridbilledet
      1. Beregn gennemsnitsværdien på mere end 10 grId-pladser i det centrale område af gitterbilledet for at undgå den potentielle påvirkning af scanningen eller objektivforvrængningen.
        BEMÆRK: Gitteret på prøven kan gemmes i flere dage ved stuetemperatur.

    2. Opkøb af gitterbilleder i indlæsningstesten

    1. Forberedelse af indlæsningstesten under mikroskopet
      1. Fastgør prøven til en lastenhed, såsom en træk-, tryk-, opvarmnings- eller elektrisk påfyldningsenhed under mikroskopet.
        BEMÆRK: Hvis gitterhældningen er mindre end 20 nm, skal der anvendes en TEM eller AFM. Hvis gitterhældningen er 20 nm til 10 μm, kan en SEM anvendes. Hvis gitterhældningen er større end 400 nm, kan en LSM anvendes.
      2. Indstil belastningshastigheden ( f.eks. 0,01 mm / s) og trin for belastning eller forskydning ( f.eks. 0,5 N / trin eller 0,024 mm / trin) i henhold til de specifikke krav. Forindstillet både belastningen og forskydningen til nul.
      3. Gør gitteret surfeEss i observationsplanet. Vælg et område af interesse under en lav forstørrelse ved at flytte eller rotere mikroskopets prøvefase.
      4. Vælg en passende forstørrelse ved at gøre gitteret i billedet større end 1,8 × en pixelstørrelse.
        BEMÆRK: Det er normalt bedre at gøre gitterhøjden i billedet større end 2 pixels. Jo flere pixler en gitter pitch svarer, desto højere er deformationsmålingens nøjagtighed, men jo mindre måles synsfelt.
    2. Indsamling af gitterbilleder i indlæserprøven
      1. Gem et gitterbillede af det område, der er af interesse, inden du læser ved at klikke på "Capture" og "File | Export | Image File" i mikroskopets billedoptagelsessoftware.
      2. Begynd at lægge prøven in situ på mikroskopet ved at udøve det første belastningstrin ( f.eks. 0,5 N eller 0,024 mm) ved hjælp af driftsprogrammet på lastenheden.
      3. RecOrd et gitterbillede af det område, der er interesseret efter det første belastningstrin ( f.eks. Ved 0,5 N eller 0,024 mm) ved at klikke på "Capture" og "File | Export | Image File" i mikroskopets billedoptagelsessoftware. Sørg for, at mikroskopets forstørrelse og arbejdsafstand forbliver uændret.
      4. Fortsæt med at indlæse prøven ved at udøve hvert belastningstrin ved hjælp af lastenheden. Optag gridbilledet efter hvert belastningstrin, indtil prøven er brudt, eller indtil en bestemt værdi er nået ( fx indlæse 19 gange og optage 19 gitterbilleder ved 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, med intervaller på 0,5 N eller 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm i intervaller på 0,024 mm). Sørg for at mikroskopets forstørrelse og arbejdsstilling forbliver uændret.
        BEMÆRK: Gitterbillederne kan gemmes i en vilkårligt lang periode.

    3. Generering af prøveudtagning Moiré Fringes før og efter Defsninger

    1. Estimering af gitterplads (pixel) i Gitterbillederne
      1. Anslå gitterhøjden (enhed: pixel) i gitterbilledet før indlæsningen ved at måle afstanden mellem centrene af to tilstødende gitterpunkter i et billedbehandlingsprogram ( f.eks. Microsoft Paint).
      2. Anslå rutenettet i rutenettet ved den maksimale belastning.
    2. Bestemmelse af prøveudtagningspunkt (pixel)
      1. Flyt til trin 3.2.2, når gitterpladserne før og efter deformation er mellem 1,8 og 2,5 pixel. Spring til trin 3.2.3, når gitterpladserne før og efter deformationen er mellem 2,4 og 3,6 pixel. Spring til trin 3.2.4, når gitterpladserne før og efter deformationen er større end 3,2 pixel.
      2. Indstil prøveudtagningen til T = 2 pixels. Spring til trin 3.3.
      3. Indstil prøveudtagningen til T = 3 pixels. Spring til trin 3.3.
      4. Indstil prøveudtagningen T til en positivHeltal inden for 0,75x og 1,25x gitterpladserne før og efter deformation, bestemt fra rigelige simuleringsresultater 22 .
        BEMÆRK: Hvis der er 2 positive heltal, der opfylder kravene i trin 3.2.1 og 3.2.4, er det bedre at vælge det større heltal som prøveudtagningshøjde. Hvis der er 3 eller flere positive heltal, der opfylder kravene, er det bedre at vælge det midterste heltal, så længe det er lidt større end prøveudtagningen.
    3. Generering af prøveudtagning Moiré Fringes før deformation
      1. Åbn gitterbilledet før deformation. Forudsat at x- retningen er vandret til højre, er y- retningen lodret nedad, og koordinaten (0, 0) er øverst til venstre, beregner billedbredden W i x- retningen og billedhøjden H i y- retningen .
        BEMÆRK: Y- retningen kan også defineres somLodret opad.
      2. Flyt til trin 3.3.3 for at generere moiré fringes i y- retningen. Spring til trin 3.3.7 for at generere moiré fringes i x- retningen.
      3. Proces gitterbilledet til et gitterbillede ved hjælp af et lavpasfilter (LPF). Brug for eksempel en FT-algoritme til at undertrykke gitteret, med en hovedretning af x , hvor hovedretningen er defineret som retningen vinkelret på gitterlinierne. Indstil filterstørrelsen til at ligge tæt på gitterpladen.
      4. Tynd ud gridbilledet ved kun at udvinde de grå værdier i flere vandrette linjer med afstanden mellem prøveudtagningshøjden T ( T ≥2) fra y = k pixels ( k = 0) ( Figur 1 ) ( dvs. hold kun den grå Værdier i samplingslinjer af y = k pixels, y = k + T pixels, ..., y = k + iT pixels, hvor jeg er et poSigt heltal). Lav koordinatet for den sidste prøveudtagningslinje, k + iT , mindre end billedhøjden H.
      5. Generer et prøveudtag moiré mønster i y- retningen ved at udføre fuldfeltintensitetsinterpolation (lineær eller B-spline) af billedet med vandrette prøveudtagninger.
      6. Generer andre T -1 prøveudtag moiré mønstre i y- retningen ved at gentage trin 3.3.4 og 3.3.5 T -1 gange ved at ændre k ved trin i trin på 1 pixel ( dvs. skifte startpunktet for udtynding ud til y = k Pixels; k = 1, ..., T- 1).
      7. Brug de samme procedurer i trin 3.3.3-3.3.6 til at generere T- step rumlige faseskiftende sampling moiré-mønstre i x- retningen ved at ændre x til y i trin 3.3.3, ændre billedhøjde H til billedbredden W , Og ændre y til x i trin 3.3.4-3.3.6.
        BEMÆRK: Prøveudtagningshøjden i x- retningen kan være forskellig fra den i y- retningen.
    4. Generering af prøveudtagning Moiré Fringes efter deformation
      1. Åbn alle gitterbilleder ved forskellige belastninger. Antag antallet af gitterbilleder er N.
      2. Generer N grupper af T- step rumlige faseskiftende moiré fringes i y- retningen ved at gentage trin 3.3.3-3.3.6 N gange.
      3. Generer N grupper af T- spids rumlige faseforskydende moiré fringes i x- retningen ved at gentage trin 3.3.7 N gange.

    4. Deformationsmåling af prøven i indlæsningstesten

    1. Bestemmelse af intensiteten af ​​Moiré Fringes før og efter deformation
      1. Udtræk intensiteterne af T- trin moiré frynserne før deformation i tHan y retning i trin 3.3.5 og 3.3.6; Bestemme de moiré-intensiteter i x- retningen i trin 3.3.7. Beskriv T- trin ( T ≥2) moiré-intensiteter inden deformation i j ( j = x , y ) retningen ved hjælp af følgende ligning 23 :
        Ligning 1 (1)
        Hvor p j er gitterhældningen inden deformation i j ( j = x , y ) retningen, er A den modulerede amplitude, og D indbefatter baggrunden og højfrekvensintensiteterne.
      2. Uddrag intensiteterne af T- trin moiré-frynser efter deformation i y- retningen i trin 3.4.2 og bestem disse moiré-intensiteter i x- retningen i trin 3.4.3. Beskriv T- trin ( T ≥ 2) moiré intensiteter efter deformationI j ( j = x , y ) retningen ved at anvende samme ligning som ovenfor (ligning 1) ved at ændre I m, j ( k ), pj , A og D til I ' m, j ( k ), p ' J , A 'og D ', hvor det superskriptive citat betyder efter deformation.
        BEMÆRK: Hvis prøveudtagningsstanden er T ≥ 3 pixels, ignorer dette trin og spring til trin 4.3.
      1. Rekonstruere multiplikation moiré fringer fra multiplikativ interferens mellem de to-trins prøveudtag moiré intensiteter ( Figur 1a ) før deformation ved anvendelse af følgende ligning 23
        Ligning 2 (2)
        Hvor jeg multi, j står for intensiteten oF de rekonstruerede multiplikation moiré frynser i j ( j = x , y ) retning før deformation.
      2. Behandle de rekonstruerede multiplikation moiré fringer før deformation ved hjælp af fryns centreringsteknik 24 . Tildel fortløbende heltal og halvtalte f j = [1, 1,5, 2, 2,5, ...] til frynsordrerne ved centerlinierne i den rekonstruerede multiplikation moiré.
        BEMÆRK: Hvis multiplikation moiré-frynser er for tætte, kan frynsordrerne af den to-trins prøveudtagning moiré bestemmes først ( dvs. f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] og F j (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). Fringrækkefølgen af ​​multiplikation moiré fringes vil være f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...]. Den stive kropsforskydning påvirker ikke belastningsresultatet.
      3. Mål den relative stamme af prøven før deformation i forhold til prøveudtagningshøjden ved hjælp af følgende ligninger 23
        Ligning 3 (3)
        Ligning 4 (4)
        Hvor u j _rela og ε j _rela repræsenterer den relative forskydning og den relative stamme af prøven inden deformation i henholdsvis j ( j = x , y ) retningen og y xy _rela udtrykker den relative forskydningsstamme før deformation.
      4. Gentag trin 4.2.1-4.2.3 for at bestemme de relative stammer af prøven efter deformation i x- og y-retningerne for N gange, ændre I multi, j , I m, j (0), I m, j pj , A , D, u j _rela ( j = x , y ), ε j _rela og γ xy _rela i ligninger (2) - (4) til I ' multi, j , I ' M, j (0), I 'm, j (1), p ' j , A ', D ', u ' jela (j = x, y), e ' j _rela og y ' xy _rela , Hvor det superskriptive citat betyder efter deformation.
      5. Bestem den faktiske normale stamme ε j i j ( j = x , y ) retningen, hvilket er den relative ændring af gitterhøjden og forskydningsstammen, y xy , hvilket er absolutE variation af gridvinklen af ​​prøven forårsaget af belastningen fra de relative stammer før og efter deformationen 20 .
        Ligning 5 (5)
        Ligning 6 (6)
    3. Deformationsmåling Når prøveudtagningspunktet er T ≥ 3 pixel
      1. Beregne fasen af ​​prøveudtag moiré fringes i j ( j = x , y ) retningen før deformation når k = 0 ( figur 1b ) ved hjælp af den rumlige faseforskydningsteknik 21
        Ligning 7 (7)
      2. Hent fasen af ​​prøveudtagningen moiré fringes i j ( j = x , y ) retningen efter deformation når k = 0 ved at erstatte φ m, j og I m, j ( k ) i ligning (7) med henholdsvis φ ' m, j og I ' m, j ( k ), hvor det superskriptive citat betyder efter deformation. Gentag N gange for N belastninger.
        BEMÆRK: Hvis der er for meget tilfældig støj i fasefordelingen i trin 4.3.1 og 4.3.2, kan et sin / cos-filter 25 anvendes til at jævne faser.
      3. Bestem faseforskellen mellem sampling moiré fringes i j ( j = x , y ) retning før og efter deformation ( dvs. Δφ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Mål fordelingen af ​​forskydning u j , normal belastning ε j i j = x , y ) retningen og forskydningsstammen yxy af prøven forårsaget af belastningen. Brug følgende ligninger 6 , 21
        Ligning 8 (8)
        Ligning 9 (9)
        Ligning 10 (10)
        BEMÆRK: Hvis der er for meget støj i spændingsfordelingen, kan der anvendes et gennemsnitligt udjævningsfilter med en filterstørrelse mindre end 2 gitterpladser.
    4. Resultatopbevaring
      1. Gem dataene fra moiré fringes, faser (når prøveudtagningshøjden er T ≥3 pixels), forskydninger og stammer i formularerne af billeder, f.eks. .tif eller .bmp-filer og tekst, f.eks. .txt eller .csv filer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

2D-forskydning og spændingsfordeling af to carbonfiberforstærkede plastiske (CFRP) prøver (nr. 1 og nr. 2) blev målt i overensstemmelse med moirédannelsesprincippet 23 og måleprocessen ( figur 1 ). CFRP-prøverne blev fremstillet af 10-11 μm-diameter K13D-carbonfibre og epoxyharpikser. Deformationen af ​​CFRP # 1 blev bestemt under anvendelse af den rekonstruerede multiplikation moiré-metode fra to-trins prøveudtag moiré fringes, og den for CFRP # 2 blev målt under anvendelse af den rumlige faseforskydende prøveudtag moiré-metode fra tre-trins prøveudtag moiré fringes.

A) Deformationsmåling af CFRP # 1

Tykkelsen, længden og bredden af ​​CFRP # 1 var henholdsvis 1 mm, 22 mm og 4 mm ( figur 2a ). Længden dOpretning af alle fibre var vinkelret på overfladen 1 × 22 mm 2 , som blev poleret ved anvendelse af sandpapir og poleringsopløsninger. Et gitter med en hældning på 3,0 μm blev fremstillet på den polerede overflade ved brug af UV nanoimprint litografi ( figur 2b ). En spændemåler blev klistret på bunden 4 × 22 mm 2 overflade for at overvåge den største trækstamme.

En 3-punkts bøjningstest blev udført på CFRP # 1 ved anvendelse af en belastningsjig med et understøtningsspænd på 16 mm under et laserscanningsmikroskop. Spændviddeforholdet var 16 i henhold til American Society for Testing and Materials (ASTM) standarder. Gitterbillederne, når spændviddeværdierne var 0 og 0,00533 ( figur 2b ) blev registreret. Forstørrelsen af ​​objektivet af mikroskopet var 5 ×, og scanningsopløsningen var 1.024 x 1.024. X- retningen er vandretHøjre og y retningen er lodret opad.

Da gitterpladserne på CFRP # 1 i både x- og y- retningerne var omkring 2 pixel i det optagne billede, blev nedsamplingstallene i de to retninger sat til at være T = 2 pixels for deformationsmåling. For at undgå den potentielle indflydelse af scanningsforvrængning blev et centralt område med en størrelse på 1,26 x 0,53 mm 2 valgt som det område af interesse. Fra 2-pixel nedsampling og ligning (2) blev 2-trins prøveudtagning moiré mønstre og det rekonstruerede multiplikation moiré mønster genereret efter deformation ( Figur 2c ). Ved anvendelse af ligninger (3) og (4) blev deformationen i forhold til prøveudtagningshøjden, når belastningsmåleværdien var 0,00533, beregnet. Tilsvarende blev den relative deformation, når belastningsmåleværdien var 0 også opnået. Endelig er de faktiske deformationsfordelinger, inkLuding 2D forskydningerne ( figur 2d ), 2D normale stammer og shear stammen ( figur 2e ) blev målt under anvendelse af ligninger (5) og (6).

Fra forskydningsfordelingen ( Figur 2d ) er x- retningsforskydningen positiv i øverste venstre og højre hjørne, men negativ ved de andre to hjørner. Y- retningsforskydningen er negativ i hele området og i det mindste i det centrale område. Dette stemmer godt overens med deformationsegenskaberne i en bøjningsprøve. Fra spændingsfordelingen ( figur 2e ) bærer det øvre område kompressionsstammen i x- retningen, men trækstramningen i y- retningen, og det nedre område bærer trækstramning i x- retningen, men kompressionsspændingen i y- retningen, hvilket viser en interessant deformation characteristic. Skærebelastningen er negativ i venstre område og positiv i det rigtige område i overensstemmelse med bøjningsegenskaben.

B) Deformationsmåling af CFRP # 2

Tykkelsen, længden og bredden af ​​den laminerede CFRP # 2 var henholdsvis henholdsvis 1 mm, 30 mm og 5 mm ( figur 3a ). Der var 8 lag, og tykkelsen af ​​hvert lag var 0,13 mm. Længderetningen af ​​alle fibre var vinkelret på overfladen 1 x 30 mm 2 , som blev poleret ved anvendelse af sandpapir og poleringsopløsninger. Et gitter med en tone på 3,7 μm blev derefter fremstillet på den polerede overflade ved anvendelse af UV nanoimprint litografi ( figur 3b ).

En trepunkts-bøjningstest blev udført ved anvendelse af en belastningsjig med en understøttelse på 16 mm under et laserscanningsmikroskop. Span-to-dEpth forholdet var også 16. Gitterbilledet ved 0,2 N preload blev først registreret. Når belastningen var 10,8 N og afbøjningen var -200 μm, blev også det deformerede gitterbillede registreret ( figur 3b ). Forstørrelsen af ​​objektivet af mikroskopet var 5x, billeddannelseszoomet var 120%, og scanningsopløsningen var 1.024 x 1.024 pixel. X- retningen er vandret til højre og y- retningen er lodret opad.

Da gridpladserne på CFRP # 2 i både x- og y- retningerne var omkring 3 pixel i det optagne billede, blev nedsamplingspositionerne i de to retninger sat til at være T = 3 pixels for deformationsmåling. For at undgå den potentielle indflydelse af scanningsforvrængningen blev et centralt område med en størrelse på 1,15 x 0,49 mm 2 valgt som det område af interesse. Ved anvendelse af metoden beskrevet i trin 4.3 dispergeres moiréfasenFordelinger ved 0,2 N og 10,8 N i både x- og y- retningerne blev opnået ( figur 3c ). Fordelingen af ​​2D i flyets forskydninger ( Figur 3d ), 2D normale stammer og shear-stammen ( Figur 3e ) blev bestemt.

Fordelingsfordelingsfordelingen ( Figur 3d ) ved CFRP # 2 ligner dem i CFRP # 1 ( Figur 2d ), bortset fra at y- retningsforskydningen er lidt anderledes. Funktionerne af x- retningsstrømmen og forskydningsstammen af ​​CFRP # 2 ( figur 3e ) ligner også dem af CFRP # 1 ( figur 2e ), idet de accepterer deformationsegenskaberne i en bøjningsprøve. Imidlertid er y- retningsstrømmen af ​​CFRP # 2 ( Figur 3e ) diffErent end CFRP # 1's fordi CFRP # 2 er en lamineret prøve. Flere lag kan observeres fra fordelingen af y- retningsstammen, som er næsten negativ i hele området.

figur 1
Figur 1: Prøveudtagning moiréformationsprincip og måleproces. ( A ) Genereringsprincip for rekonstrueret moiré fra 2-pixel sampling moiré fringes, når prøveudtagningen er T = 2 pixels. ( B ) Formationsprincip for fler-trins faseforskydende prøveudtag moiré fringes og måleprocessen for moiréfasen, når prøveudtagningshøjden er T ≥3 pixels. Klik her for at se en større version af denne figur.

p-together.within-side = "1"> Figur 2
Figur 2: Deformationsmålingsresultater af CFRP # 1. ( A ) Eksperimentel opsætning af trepunktsbøjningstesten under et lasermikroskop og prøvediagrammet. ( B ) Den observerede overflade af CFRP # 1 med et mikrogitter. ( C ) To-trins prøveudtag moiré mønstre og det rekonstruerede multiplikation moiré mønster, når belastningsmåleren værdi var 0.00533. ( D ) De målte forskydningsfordelinger i x- og y- retningerne. ( E ) De målte fordelinger af x- retningen, y- retningen og forskydningsstammerne for CFRP # 1. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
Figur 3: Deformationsmålingsresultater af lamineret CFRP # 2. ( A ) Diagram over trepunkts-bøjningstesten under et lasermikroskop. ( B ) Den observerede overflade af CFRP # 2 med et mikrogitter. ( C ) Den indpaklede fase (rækkevidde: -π ~ π) fordelinger af prøveudtagningsmoiré fringerne ved 0,2 N preload og 10,8 N belastningen i x og y retningerne. ( D ) De målte forskydningsfordelinger i x- og y- retningerne, hvor afbøjningen (-200 μm) i y- retningen ikke blev vist. ( E ) De målte fordelinger af x- retningen, y- retningen og forskydningsstammerne for CFRP # 2. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I den beskrevne teknik er et udfordrende trin mikro / nano-skala gitter eller gitter (forkortet som gitter) fabrikation 26, hvis der ikke findes et periodisk mønster på prøven. Gitterhældningen skal være ensartet inden deformation, fordi det er en vigtig parameter for deformationsmåling. Hvis materialet er et metal, en metallegering eller en keramisk, UV- eller opvarmningsnanoimprint-litografi (NIL) 27 , elektronstråle-lithografi (EBL) 2 , fokuseret ionbjælke (FIB) -fræsning 6 , eller gitter-duplikatmetoden 26 kan være Brugt. Hvis materialet indeholder en svag polymer, foreslås EBL- og FIB-fræsning ikke. Når en komponent af materialet ikke er varmebestandig, kan opvarmning NIL ikke anvendes. Hvis prøven er en tynd film, er grid-duplikatmetoden vanskelig at anvende, fordi det ikke er let at adskille prøven.

Det kritiske trin forBelastningsmåling af gitterbilledet før og efter deformation under anvendelse af den foreslåede teknik er genereringen af ​​prøveudtag moiré fringer 22 , hvis princip er forskellig fra dannelsesprincippet for konventionelle interferensmiré fringer. For at generere forskellige sampling moiré fringes, foreslås et lavpasfilter, såsom en FT-algoritme, for at undertrykke uønskede linjer eller punkter. Hvis sampling moiré fringes er usynlige efter nedsampling ( dvs. udtynding af gitterbilledet) og lineærintensitetsinterpolering, kan et udjævningsfilter, såsom et gennemsnitfilter, vedtages før nedsampling. En anden eller endog tredje ordens B-spline interpolationsalgoritme kan anvendes til intensitetsinterpolation til dannelse af forskellige sampling moiré fringes.

Sammenlignet med de traditionelle moiré-metoder har den foreslåede prøveudtagningsteknologi til belastningsfordelingsmåling fordelene ved at væreIndfører en simpel 2D stamme måling og har enkel behandling, høj hastighed, høj deformation følsomhed og høj måle nøjagtighed 23 . 2D-stammeindstillingen kan let udføres uden at rotere prøvefasen eller scanningslinierne i mikroskopet, hvilket er nødvendigt ved konventionelle metoder. Derudover kan dynamisk deformation måles, da den krævede information kun er et single-shot-gitterbillede ved hver belastning. Dette kan ikke gøres med den tidsmæssige faseskiftende moiré-metode, fordi der kræves flere grid- eller moirébilleder sammen med tiden ved hver belastning.

Selvom den beskrevne teknik muliggør nem 2D-stamme-måling ved mikro / nano-skalaerne, har den sine egne begrænsninger 23 , ligesom enhver anden teknik. Gitterhøjden i et optaget billede skal være større end 1,8 pixels for at generere 2 pixel eller multipixel sampling moiré fringes. Hvis rutenettet i billedet er omkring 2 piXels, kan de 2 pixel sampling moiré fringes tjene som erstatning for mikroskop scanning moiré fringes, med samme synsfelt i samme forstørrelse. Men hvis gitterhøjden i et billede er omkring 1 pixel ved mikroskopets højeste scanningsopløsning, når der er direkte observerbare scannings moiré fringes, kan prøveudtagning moiré fringes ikke formes ved samme forstørrelse. Selvom prøveudtagning moiré fringes kan genereres, når mikroskop forstørrelse, vil synspunktet for deformation måling falde. Heldigvis forbedrer scanningsopløsningerne af kommercielle mikroskoper, og der kan i de fleste tilfælde genereres prøvetagning af moiré fringes. Jo højere scanningsopløsningen er, desto større pixelnummer er det for en gitterhøjde, og jo højere målespændingsnøjagtigheden.

I modsætning til den rekonstruerede multiplikation moiré metode fra 2-pixel sampling moiré friNges, den rumlige faseforskydende sampling moiré-metode fra multi-pixel sampling moiré fringes har en højere behandlingshastighed og en højere målingsnøjagtighed, men et mindre synsfelt. Metodevalg afhænger af pixelnummeret på prøvegitteret eller på den krævede målingsnøjagtighed og synsfelt, hvis pixelnummeret på prøvegitteret kan styres. Begge metoder er nyttige til at tage ikke destruktive deformationsmålinger og foretage kvantitative vurderinger af mekaniske egenskaber, sprækkeforekomst og vækst, restspændinger, defektdetektion, strukturel karakterisering osv.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af JSPS KAKENHI, tildelingsnumre JP16K17988 og JP16K05996, og af det tværministerielle strategiske innovationsfremmende program, Enhed D66, Innovativ måling og analyse for strukturelle materialer (SIP-IMASM), der drives af kabinettet. Forfatterne er også taknemmelige for Drs. Satoshi Kishimoto og Kimiyoshi Naito på NIMS for deres CFRP materiale.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Automatic Polishing Machine Marumoto Struers K.K. LaboPol-30, Labor Force-100
Carbon Fiber Reinforced Plastic Mitsubishi Plastics, Inc.  HYEJ16M95DHX1
Computer DELL Japan VOSTRO Can be replaced with another computer with C++ programming language
Image Recording Software Lasertec Corporation LMEYE7 Installed in a laser scanning microscope
Ion Coater Japan Electron Optics Laboratory Ltd. JEC3000F
Laser Scanning Microscope Lasertec Corporation OPTELICS HYBRID
Nanoimprint Device Japan Laser Corporation  EUN-4200 Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device
Nanoimprint Mold SCIVAX Corporation 3.0μm pitch Customized
Nanoimprint Resist Toyo Gosei Co., Ltd  PAK01
Polishing Solution Marumoto Struers K.K. DP-Spray P 15μm, 1μm, 0.25μm Use from coarse to fine
Pipet AS ONE Corporation 10mL
Sand Paper Marumoto Struers K.K. SiC Foil #320, #800 Use from coarse to fine
Spin Coater MIKASA Corporation MS-A100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
  2. Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. Microcreep deformation measurements by a moiré method using electron beam lithography and electron beam scan. Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).
  3. Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
  4. Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. A curved surface micro-moiré method and its application in evaluating curved surface residual stress. Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002 (2014).
  5. Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images. Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).
  6. Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis. Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).
  7. Wang, Q., Kishimoto, S. Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moiré fringes. J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021 (2012).
  8. Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moiré method. Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).
  9. Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
  10. Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moiré method and its application in the structure of butterfly wing. J. Appl. Phys. 101 (10), 103511 (2007).
  11. Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moiré method and its applications. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110 (2010).
  12. Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moiré method. Nanotechnology. 11 (1), 24 (2000).
  13. Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. A study on the digital nano-moiré method and its phase shifting technique. Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716 (2004).
  14. Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moiré method. Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).
  15. Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
  16. Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. Theoretical analysis of moiré fringe multiplication under a scanning electron microscope. Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301 (2010).
  17. Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).
  18. Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., et al. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. Yoshida, S., et al. 3, Springer. 251-259 (2017).
  19. Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
  20. Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moiré method. Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).
  21. Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
  22. Ri, S., Muramatsu, T. Theoretical error analysis of the sampling moiré method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis. Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).
  23. Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Digital sampling Moiré as a substitute for microscope scanning Moiré for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales. Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).
  24. Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
  25. Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
  26. Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography. Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).
  27. Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography. Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101 (2012).

Tags

Engineering udgave 123 deformationsfordeling belastningsmåling prøvetagning moiré billedbehandling optisk metode mikro / nano-skala kompositmaterialer
Mikro / Nano-skala Stamfordelingsmåling fra prøveudtagning Moiré Fringes
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H.… More

Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moiré Fringes. J. Vis. Exp. (123), e55739, doi:10.3791/55739 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter