基于采样莫尔条纹的微/纳米尺度应变分布测量

摘要

本文介绍了一种采用2像素和多像素采样方法的采样莫尔技术，用于在微/纳米尺度上进行高精度应变分布测量。

摘要

本文介绍了用于全场微/纳米尺度变形测量的采样莫尔技术的测量步骤与原理。该技术可通过两种方式实现：采用重构乘法莫尔法或空间相移采样莫尔法。当试样栅格节距约为2个像素时，生成2像素采样莫尔条纹，用于重构乘法莫尔图样以进行变形测量。此时，在相同的宽视场下，位移与应变灵敏度均为传统扫描莫尔法的两倍。当试样栅格节距约为3个像素或更大时，生成多像素采样莫尔条纹，并结合空间相移技术实现全场变形测量。该方法显著提高了应变测量精度，且易于实现自动批量测量。两种方法均可仅凭单幅栅格图像测量二维（2D）应变分布，无需像传统莫尔技术那样旋转试样或扫描线条。作为示例，本文在三点弯曲试验中测量了两种碳纤维增强塑料试样的二维位移与应变分布，包括剪切应变。该技术有望在多种材料的力学性能、裂纹产生及残余应力的无损定量评估中发挥重要作用。

引言

微/纳米尺度的变形测量对于评估先进材料的力学性能、失稳行为、残余应力及裂纹产生至关重要。由于光学技术具有非接触、全场和无损的特点，过去几十年已发展出多种用于变形测量的光学方法。近年来，微/纳米尺度变形测量技术主要包括莫尔法^1,2,3,4、几何相位分析法（GPA）^5,6、傅里叶变换（FT）、数字图像相关法（DIC）以及电子散斑干涉测量法（ESPI）。在这些技术中，GPA 和 FT 因存在多个频率成分而不适用于复杂的变形测量；DIC 方法虽然简单，但由于其变形载体为随机散斑，抗噪能力较差；而 ESPI 则对振动极为敏感。

在微/纳米尺度莫尔方法中，目前最常用的方法是显微镜扫描莫尔法，例如电子扫描莫尔^7,8,9、激光扫描莫尔^10,

方案

1. 样品上微/纳米级网格的确认

1. 试样的加工
   1. 在显微镜下将样品切割至所用加载装置要求的尺寸（例如， 1 × 5 × 30 mm³），使得待观察表面区域比感兴趣区域大1.5倍。
   2. 打磨待观察的样品表面（例如， 1 × 30 mm²），在自动抛光机上依次使用粗砂纸和细砂纸进行抛光例如， 使用碳化硅砂纸#320打磨3分钟，然后使用#800打磨1分钟，转速为150 rpm，压力为30 N。每次抛光步骤后用水清洗样品。
   3. 使用自动抛光机，依次采用粗抛光液和细抛光液对同一试样表面进行抛光例如， 使用 DP-Spray P 15 µm 5 分钟，P 1 µm 8 分钟，以及 P 0.25 µm 在150 rpm和30 N条件下持续10分钟。每次抛光步骤后用水清洁样品。
2. 若样品上无周期性图案时微/纳米级网格的制备
   注意：如果样品表面在微米/纳米尺度上已存在天然的周期性结构，则可省略此步骤。可从以下方法中选择一种进行网格制备：紫外（UV）或加热纳米压印光刻（NIL）²⁶，电子束光刻（EBL）²，以及聚焦离子束（FIB）刻蚀

结果

根据莫尔条纹形成原理²³及测量流程（图1），对两种碳纤维增强塑料（CFRP）试样（#1 和 #2）的二维位移与应变分布进行了测量。CFRP 试样由直径为 10-11 µm 的 K13D 碳纤维和环氧树脂制成。CFRP #1 的变形通过两步采样莫尔条纹的重构乘法莫尔法确定，而 CFRP #2 的变形则通过三步采样莫尔条纹的空间相移采样莫尔法进行测量。

A) 碳纤维增强复合材料 #1 的变形测量

CFRP #1 的厚度、长度和宽度分别为 1 mm、22 mm 和 4 mm（图 2a）。所有纤维的长度方向垂直于 1 × 22 mm² 表面，该表面使用砂纸和抛.......

讨论

在所述技术中，若试样上不存在周期性图案，则微/纳米级网格或光栅（简称网格）的制备²⁶是一个具有挑战性的步骤。变形前网格节距必须均匀，因为这是变形测量的重要参数。如果材料为金属、金属合金或陶瓷，可采用紫外或加热纳米压印光刻（NIL）²⁷、电子束光刻（EBL）²、聚焦离子束（FIB）刻蚀⁶或网格复制法²⁶。如果材料含有弱聚合物，则不建议使用EBL和FIB刻蚀。当材料的某一组分不耐热时，不能使用加热NIL。若试样为薄膜，由于难以分离试样，网格复制法难以应用。

使用所提出技术在变形前后对网格图像进行应变测量的关键步骤是生成采样莫尔条纹²²，其原理不同于传统干涉莫尔条纹的形成原理。为生成清晰的采样莫尔条纹，建议采用低通滤波器（如傅里叶变换算法）以抑制不必要的线条或斑点。若在下采样后采样莫尔条纹仍不清晰（

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
自动抛光机	Marumoto Struers K.K.	LaboPol-30, Labor Force-100
碳纤维增强塑料	Mitsubishi Plastics, Inc.	HYEJ16M95DHX1
计算机	DELL Japan	VOSTRO	可用支持 C++ 编程语言的其他计算机替代
图像记录软件	Lasertec Corporation	LMEYE7	安装于激光扫描显微镜中
离子镀膜仪	Japan Electron Optics Laboratory Ltd.	JEC3000F
激光扫描显微镜	Lasertec Corporation	OPTELICS HYBRID
纳米压印设备	Japan Laser Corporation	EUN-4200	可用电子束光刻设备或聚焦离子束刻蚀设备替代
纳米压印模具	SCIVAX Corporation	3.0μm 节距	定制
纳米压印抗蚀剂	Toyo Gosei Co., Ltd	PAK01
抛光液	Marumoto Struers K.K.	DP-Spray P 15μm, 1μm, 0.25μm	由粗到细依次使用
移液管	AS ONE Corporation	10 mL
砂纸	Marumoto Struers K.K.	SiC Foil #320, #800	由粗到细依次使用
旋涂仪	MIKASA Corporation	MS-A100