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Engineering

Mikro- / Nanometer-Dehnungsverteilungsmessung von Sampling 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

Eine Stichproben-Moiré-Technik mit 2-Pixel- und Mehrpixel-Abtastverfahren für hochpräzise Dehnungsverteilungsmessungen im Mikro- / Nanoskala wird hier vorgestellt.

Abstract

Diese Arbeit beschreibt das Messverfahren und die Prinzipien einer Probenahme-Moiré-Technik für Vollfeld-Mikro / Nano-Skalen-Deformationsmessungen. Die entwickelte Technik kann auf zwei Arten durchgeführt werden: unter Verwendung der rekonstruierten Multiplikations-Moiré-Methode oder der räumlichen Phasenverschiebungs-Probenahme-Moiré-Methode. Wenn die Probenrasterhöhe etwa 2 Pixel beträgt, werden 2-Pixel-Sampling-Moiré-Fransen erzeugt, um ein Multiplikations-Moiré-Muster für eine Deformationsmessung zu rekonstruieren. Sowohl die Verschiebungs- als auch die Dehnungsempfindlichkeiten sind doppelt so hoch wie bei der traditionellen Scan-Moiré-Methode im selben Weitfeld. Wenn die Probengitterteilung um oder mehr als 3 Pixel beträgt, werden Mehrpixel-Abtast-Moiré-Fransen erzeugt und eine räumliche Phasenverschiebungstechnik wird für eine Vollfeld-Deformationsmessung kombiniert. Die Dehnungsmessgenauigkeit wird deutlich verbessert und die automatische Chargenmessung ist leicht erreichbar.Beide Methoden können die zweidimensionalen (2D) Dehnungsverteilungen aus einem Einzelbild-Gitterbild messen, ohne die Proben- oder Abtastlinien zu drehen, wie bei herkömmlichen Moiré-Techniken. Als Beispiele wurden die 2D-Verschiebungs- und Dehnungsverteilungen einschließlich der Scherstämme von zwei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffproben in Dreipunkt-Biegeversuchen gemessen. Die vorgeschlagene Technik wird voraussichtlich eine wichtige Rolle bei der zerstörungsfreien quantitativen Auswertung von mechanischen Eigenschaften, Rissauftreten und Restspannungen einer Vielzahl von Materialien spielen.

Introduction

Mikro- / nanoskalige Verformungsmessungen sind für die Bewertung der mechanischen Eigenschaften, des Instabilitätsverhaltens, der Restspannungen und des Rissauftretens von fortgeschrittenen Materialien von entscheidender Bedeutung. Da optische Techniken berührungslos, vollfeld- und zerstörungsfrei sind, wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene optische Methoden für die Deformationsmessung entwickelt. In den letzten Jahren umfassen die mikro- / nanoskaligen Deformationsmesstechniken vor allem die Moiré-Methoden 1 , 2 , 3 , 4 , die geometrische Phasenanalyse (GPA) 5 , 6 , die Fourier-Transformation (FT), die digitale Bildkorrelation (DIC) und Elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI). Unter diesen Techniken sind GPA und FT nicht gut für komplexe Deformationsmessungen geeignet, da mehrere Frequenzen existieren. Die DIC-Methode ist simAber machtlos gegen Lärm, weil der Verformungsträger zufällige Flecken ist. Schließlich ist ESPI stark empfindlich gegenüber Vibrationen.

Unter den mikro- / nanoskaligen Moiré-Methoden sind derzeit die am häufigsten verwendeten Methoden die Mikroskop-Scanning-Moiré-Methoden wie Elektronen-Scanning-Moiré 7 , 8 , 9 , Laserscanning Moiré 10 , 11 und Atomkraftmikroskop (AFM) Moiré 12 , Und einige mikroskopbasierte Moiré-Verfahren, wie das digitale / überlappende Moiré 13 , 14 , 15- Verfahren und das Multiplikations- / Fraktions-Moiré-Verfahren 16 , 17 . Die Scan-Moiré-Methode hat viele Vorteile, wie ein breites Sichtfeld, hohe ResoLution und Unempfindlichkeit gegenüber zufälligem Rauschen. Jedoch ist das herkömmliche Abtast-Moiré-Verfahren für 2D-Dehnungsmessungen unpraktisch, da es notwendig ist, die Probenstufe oder die Abtastrichtung um 90 ° zu drehen und zweimal zu scannen, um Moiré-Fransen in zwei Richtungen 18 zu erzeugen. Rotation und die Dual-Scanning-Prozesse führen Rotationsfehler ein und nehmen eine lange Zeit, die die Messgenauigkeit des 2D-Stammes, insbesondere für die Scherbeanspruchung, ernsthaft beeinflusst. Obwohl die zeitliche Phasenverschiebungstechnik 19 , 20 die Deformationsmessgenauigkeit verbessern kann, benötigt sie Zeit und eine spezielle Phasenverschiebungsvorrichtung, die für dynamische Tests ungeeignet ist.

Das Probenahme-Moiré-Verfahren 21 , 22 hat eine hohe Genauigkeit bei Verschiebungsmessungen und wird nun hauptsächlich für Umlenkmessungen an Brücken verwendet, wenn Automobile pArsch. Um das Probenahme-Moiré-Verfahren auf mikro- / nanoskalige 2D-Dehnungsmessungen zu erweitern, wurde eine rekonstruierte Multiplikations-Moiré-Methode von 2-Pixel-Sampling-Moiré-Fransen neu entwickelt, bei denen die Messungen doppelt so empfindlich sind und das weite Sichtfeld der Scan-Moiré-Methode wird gehalten. Darüber hinaus wird die räumliche Phase-Shifting-Sampling Moiré-Methode auch aus Multi-Pixel-Sampling Moiré Fransen entwickelt, so dass hochgenaue Dehnungsmessungen. Dieses Protokoll wird die detaillierte Belastung Messverfahren vorstellen und wird erwartet, dass Forscher und Ingenieure lernen, wie man Deformation zu messen, die Verbesserung der Herstellungsprozesse von Materialien und Produkten.

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Protocol

1. Bestätigung des Micro / Nano-Raster auf der Probe

  1. Bearbeitung der Probe
    1. Schneiden Sie die Probe auf die Größe, die von der spezifischen Ladevorrichtung benötigt wird, die unter einem Mikroskop verwendet wird ( z. B. 1 x 5 x 30 mm 3 ), wobei die Oberfläche 1,5x größer als die interessierende Region zu sehen ist.
    2. Polieren Sie die zu beobachtende Probenoberfläche ( z. B. 1 x 30 mm 2 ) nacheinander mit grobem und feinem Sandpapier auf einer automatischen Poliermaschine ( z. B. SiC-Folie Nr. 320 für 3 min und dann # 800 für 1 min bei 150 U / min Und 30 N). Reinigen Sie die Probe nach jedem Polierschritt mit Wasser.
    3. Polieren Sie die gleiche Probenoberfläche nacheinander mit groben und feinen Polierlösungen auf der automatischen Poliermaschine ( z. B. DP-Spray P 15 μm für 5 min, P 1 μm für 8 min und P 0,25 μm für 10 min bei 150 U / min und 30 N). Reinigen Sie die Probe mit Wasser nach jedem PolnischG Schritt
  2. Herstellung des Mikro- / Nanometer-Rasters Wenn kein Periodisches Muster auf der Probe vorhanden ist
    HINWEIS: Dieser Schritt kann weggelassen werden, wenn ein natürliches periodisches Muster auf der Mikro / Nano-Skala auf der Probenoberfläche vorhanden ist. Wählen Sie die Gitterherstellungsmethode aus den folgenden: Ultraviolett- (UV-) oder Heiznanoimprint-Lithographie (NIL) 26 , Elektronenstrahl-Lithographie (EBL) 2 und fokussiertes Ionenstrahl (FIB) -Fräsen 6 .
    HINWEIS: Das Rasterherstellungsverfahren wird hier mit UV NIL als Beispiel vorgestellt.
    1. 2 ml UV-Resist auf die Probenoberfläche mit einer Pipette fallen lassen.
    2. Den Resist auf der Probenoberfläche mit einem Schleuderbeschichter auf 1.500 U / min für 60 s beschichten.
    3. Drücken Sie eine Nanoimprint-Form auf die Resistschicht bei einem Druck von 0,2 MPa. Setzen Sie den Resist UV mit einer Wellenlänge von 375 nm für 30 s aus.
    4. Trennen Sie die Nanoimprint-Form von der Probenoberfläche.
    5. Beobachtung des Gitters auf der Probe mit einem Mikroskop
      1. Eine Platin- oder Goldschicht mit einer Dicke von 3-10 nm auf der Gitteroberfläche mit einem Ionenbeschichter ( z. B. Beschichtung für 30 s bei 3 Pa mit einem Sputterstrom von 30 mA) beschichten.
      2. Setzen Sie die Probe unter ein Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) 23 .
        HINWEIS: Es können auch andere Mikroskope verwendet werden, wie zB ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) 5 , ein Atomkraftmikroskop (AFM) 12 oder ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) 7 .
      3. Passen Sie den Fokus an und speichern Sie ein Rasterbild mit dem Mikroskop, indem Sie in der Bildaufnahmesoftware des Mikroskops auf "Capture" und "File | Export | Image File" klicken.
    6. Berechnung des Rasterfeldes (nm oder μm) der Probe aus dem Rasterbild
      1. Berechnen Sie den Mittelwert von mehr als 10 grID-Tonhöhen im zentralen Bereich des Rasterbildes, um den möglichen Einfluss der Abtast- oder Linsenverzerrung zu vermeiden.
        HINWEIS: Das Gitter auf der Probe kann für mehrere Tage bei Raumtemperatur gespeichert werden.

    2. Erfassung von Rasterbildern im Beladetest

    1. Vorbereitung des Beladetests unter dem Mikroskop
      1. Fixieren Sie die Probe zu einer Ladevorrichtung, wie z. B. einer Zug-, Druck-, Heiz- oder elektrischen Ladevorrichtung, unter dem Mikroskop.
        HINWEIS: Wenn der Rasterabstand weniger als 20 nm beträgt, sollte ein TEM oder AFM verwendet werden. Wenn der Gitterabstand 20 nm bis 10 μm beträgt, kann ein SEM verwendet werden. Wenn der Rasterabstand größer als 400 nm ist, kann ein LSM verwendet werden.
      2. Stellen Sie die Lastgeschwindigkeit ( zB 0,01 mm / s) und die Last- oder Verschiebungsschrittweite ( z. B. 0,5 N / Schritt oder 0,024 mm / Schritt) entsprechend den spezifischen Anforderungen ein. Preset sowohl die Last als auch die Verschiebung auf Null.
      3. Machen Sie das Raster surfenAce in der Beobachtungsebene. Wählen Sie einen Bereich von Interesse unter einer geringen Vergrößerung durch Bewegen oder Drehen der Stichprobe des Mikroskops.
      4. Wählen Sie eine entsprechende Vergrößerung aus, indem Sie die Rasterteilung im Bild größer als 1,8 × ein Pixelgröße machen.
        HINWEIS: Normalerweise ist es besser, die Rasterhöhe im Bild größer als 2 Pixel zu machen. Je mehr Pixel ein Rasterabstand entspricht, desto höher die Genauigkeit der Deformationsmessung, desto kleiner ist das Sichtfeld der Messung.
    2. Sammlung von Rasterbildern im Loading Test
      1. Sparen Sie ein Rasterbild des interessanten Bereichs vor dem Laden, indem Sie in der Bildaufnahmesoftware des Mikroskops auf "Capture" und "File | Export | Image File" klicken.
      2. Beginnen Sie, die Probe in situ auf das Mikroskop zu laden, indem Sie den ersten Belastungsschritt ( zB 0,5 N oder 0,024 mm) mit der Betriebssoftware des Ladegeräts ausüben.
      3. RecEin Rasterbild des interessierenden Bereichs nach dem ersten Lastschritt ( z. B. bei 0,5 N oder 0,024 mm) durch Klicken auf "Capture" und "File | Export | Image File" in der Bildaufnahmesoftware des Mikroskops. Stellen Sie sicher, dass die Vergrößerung und der Arbeitsabstand des Mikroskops unverändert bleiben.
      4. Setzen Sie fort, die Probe zu beladen, indem Sie jeden Lastschritt mit dem Ladegerät ausüben. Aufzeichnen des Rasterbildes nach jedem Lastschritt, bis die Probe gebrochen ist oder bis ein bestimmter Wert erreicht ist ( z. B. 19 Mal laden und 19 Rasterbilder bei 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N in Intervallen von 0,5 aufzeichnen N oder bei 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm, in Intervallen von 0,024 mm). Vergewissern Sie sich, dass die Vergrößerung und der Arbeitsabstand des Mikroskops unverändert bleibt.
        HINWEIS: Die Rasterbilder können für einen beliebig langen Zeitraum gespeichert werden.

    3. Erzeugung von Probenahme Moiré Fringes vor und nach DefOrmation

    1. Schätzung der Rasterpitches (Pixel) in den Rasterbildern
      1. Schätzen Sie die Rasterhöhe (Einheit: Pixel) im Rasterbild vor dem Laden, indem Sie den Abstand zwischen den Zentren zweier benachbarter Rasterpunkte in einer Bildverarbeitungssoftware ( zB Microsoft Paint) messen.
      2. Schätzung der Rasterhöhe im Rasterbild bei maximaler Belastung.
    2. Bestimmung der Stichprobenhöhe (Pixel)
      1. Fahren Sie zu Schritt 3.2.2, wenn die Rasterabstände vor und nach der Deformation zwischen 1,8 und 2,5 Pixeln liegen. Fahren Sie mit Schritt 3.2.3 fort, wenn die Rasterhöhe vor und nach der Deformation zwischen 2,4 und 3,6 Pixeln liegen. Fahren Sie mit Schritt 3.2.4 fort, wenn die Rasterhöhe vor und nach der Verformung größer als 3,2 Pixel sind.
      2. Setzen Sie die Sampling-Tonhöhe auf T = 2 Pixel. Weiter mit Schritt 3.3.
      3. Setzen Sie die Sampling-Tonhöhe auf T = 3 Pixel. Weiter mit Schritt 3.3.
      4. Setzen Sie den Abtastton T auf positivInteger innerhalb von 0,75x und 1,25x die Rasterhöhen vor und nach Verformung, bestimmt aus reichlich vorhandenen Simulationsergebnissen 22 .
        HINWEIS: Wenn es 2 positive ganze Zahlen gibt, die die Anforderungen in den Schritten 3.2.1 und 3.2.4 erfüllen, ist es besser, die größere Ganzzahl als Stichprobenabstand zu wählen. Wenn es 3 oder mehr positive ganze Zahlen gibt, die die Anforderungen erfüllen, ist es besser, die mittlere Integer zu wählen, solange es ein bisschen größer ist als das Sampling-Pitch.
    3. Erzeugung von Probenahme Moiré Fringes vor Verformung
      1. Öffnen Sie das Rasterbild vor Verformung. Unter der Annahme, dass die x- Richtung horizontal nach rechts ist, ist die y- Richtung vertikal nach unten und die Koordinate (0, 0) befindet sich in der oberen linken Ecke, berechnet die Bildbreite W in x- Richtung und die Bildhöhe H in y- Richtung .
        HINWEIS: Die y- Richtung kann auch als definiert werdenSenkrecht nach oben
      2. Gehen Sie zu Schritt 3.3.3, um Moiré-Fransen in y- Richtung zu erzeugen. Gehen Sie zu Schritt 3.3.7, um Moiré-Fransen in x- Richtung zu erzeugen.
      3. Verarbeiten Sie das Gitterbild mit einem Tiefpassfilter (LPF) zu einem Gitterbild. Verwenden Sie zum Beispiel einen FT-Algorithmus, um das Gitter mit einer Hauptrichtung von x zu unterdrücken, wobei die Hauptrichtung als die Richtung senkrecht zu den Gitterlinien definiert ist. Stellen Sie die Filtergröße so ein, dass sie sich in der Nähe des Rasterfeldes befindet.
      4. Dünn aus dem Gitterbild, indem man die Grauwerte in mehreren horizontalen Linien mit dem Abstand der Abtasttonhöhe T ( T ≥2) von y = k Pixel ( k = 0) (Abbildung 1) extrahiert ( dh nur die Grau beibehalten) Werte in Abtastzeilen von y = k Pixel, y = k + T Pixel, ..., y = k + iT Pixel, wobei i ein po istStellige ganze Zahl). Machen Sie die Koordinate der letzten Abtastzeile, k + iT , kleiner als die Bildhöhe H.
      5. Erzeugen Sie ein Mustermuster in der y- Richtung, indem Sie die Vollfeld-Intensitätsinterpolation (linear oder B-Spline) des Bildes mit horizontalen Abtastlinien durchführen.
      6. Generieren Sie andere T -1-Probenahme-Moiré-Muster in y- Richtung, indem Sie die Schritte 3.3.4 und 3.3.5 T -1-mal durch Ändern von k im Schritt 1-Pixel ( dh Verschieben des Ausgangspunktes der Ausdünnung auf y = k) wiederholen Pixel, k = 1, ..., T -1).
      7. Verwenden Sie dieselben Vorgehensweisen in den Schritten 3.3.3-3.3.6, um T- stufige räumliche Phasenverschiebungs-Probenahme-Moiré-Muster in x- Richtung zu erzeugen, indem Sie in Schritt 3.3.3 x auf y umschalten und die Bildhöhe H auf die Bildbreite W ändern , Und wechselt y zu x in den Schritten 3.3.4-3.3.6.
        HINWEIS: Die Abtastung in der x- Richtung kann sich von der in der y- Richtung unterscheiden.
    4. Erzeugung von Sampling Moiré Fransen nach Deformation
      1. Öffnen Sie alle Rasterbilder bei verschiedenen Lasten. Angenommen, die Anzahl der Rasterbilder ist N.
      2. Erzeugung von N Gruppen von T- stufigen räumlichen phasenverschiebenden Moiré-Fransen in y- Richtung durch Wiederholen der Schritte 3.3.3-3.3.6 N- mal.
      3. Erzeugung von N Gruppen von T- stufigen räumlichen phasenverschiebenden Moiré-Fransen in x- Richtung durch Wiederholen von Schritt 3.3.7 N- mal.

    4. Verformung Messung der Probe im Beladetest

    1. Bestimmung der Intensitäten von Moiré Fringes vor und nach Deformation
      1. Extrahieren Sie die Intensitäten der T- Step Moiré Fransen vor Verformung in tEr in Richtung 3.3.5 und 3.3.6; Bestimmen die Moiré-Intensitäten in x- Richtung in Schritt 3.3.7. Beschreiben Sie die T- Step- ( T ≥2) Moiré-Intensitäten vor der Deformation in der j ( j = x , y ) -Richtung unter Verwendung der folgenden Gleichung 23 :
        Gleichung 1 (1)
        Wobei p j die Gitterteilung vor der Deformation in der Richtung j ( j = x , y ) ist, A die modulierte Amplitude ist und D den Hintergrund und die höherfrequenten Intensitäten enthält.
      2. Extrahieren Sie die Intensitäten der T- Step-Moiré-Fransen nach Verformung in y- Richtung in Schritt 3.4.2 und bestimmen Sie die Moiré-Intensitäten in x- Richtung in Schritt 3.4.3. Beschreiben Sie die T- Step ( T ≥ 2) Moiré-Intensitäten nach VerformungIn der j ( j = x , y ) -Richtung unter Verwendung der gleichen Gleichung wie oben (Gleichung 1) durch Ändern von I m, j ( k ), p j , A und D zu I ' m, j ( k ), p ' J , A 'und D ', wobei das hochgestellte, einfache Zitat nach Verformung bedeutet.
        HINWEIS: Wenn die Abtasthöhe T ≥ 3 Pixel beträgt, ignorieren Sie diesen Schritt und fahren mit Schritt 4.3 fort.
      1. Rekonstruieren Sie die Multiplikations-Moiré-Fransen aus der multiplikativen Interferenz zwischen den zweistufigen Proben-Moiré-Intensitäten (Abbildung 1a ) vor der Deformation mit der folgenden Gleichung 23
        Gleichung 2 (2)
        Wo ich viel , j steht für die Intensität oF die rekonstruierten Multiplikation Moiré Fransen in der j ( j = x , y ) Richtung vor Verformung.
      2. Verarbeiten Sie die rekonstruierten Multiplikation Moiré Fransen vor Verformung mit der Randzentrierung Technik 24 . Zuordnen von aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen und halben Integern fj = [1, 1,5, 2, 2,5, ...] zu den Randaufträgen an den Mittellinien des rekonstruierten Multiplikations-Moiré.
        HINWEIS: Wenn die Multiplikations-Moiré-Fransen zu dicht sind, können zuerst die Streifenordnungen des zweistufigen Stichproben-Moiré bestimmt werden ( dh fj ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] und Fj (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). Die Randreihenfolge der Multiplikations-Moiré-Fransen ist f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...]. Die starre Körperverlagerung wird das Belastungsergebnis nicht beeinträchtigen.
      3. Messen Sie die relative Belastung der Probe vor der Verformung relativ zum Abtastabstand unter Verwendung der folgenden Gleichungen 23
        Gleichung 3 (3)
        Gleichung 4 (4)
        Wobei u j _rela und ε j _rela die relative Verschiebung und die relative Verformung der Probe vor der Verformung in der j ( j = x , y ) -Richtung darstellen und γ xy _rela die relative Scherbeanspruchung vor Verformung ausdrückt.
      4. Wiederholen Sie die Schritte 4.2.1-4.2.3, um die relativen Stämme der Probe nach Verformung in den x- und y-Richtungen für N- mal zu bestimmen, wobei I mult , j , I m, j (0), I m, j p j , A , D, u j _rela ( j = x , y ), ε j _rela und γ xy _rela in den Gleichungen (2) - (4) bis I ' multi, j , I ' M, j (0), I ' m, j (1), p ' j , A ', D ', u ' j _rela (j = x, y), ε ' j _rela und γ ' xy _rela , Wo das hochgestellte einfache Zitat nach Verformung bedeutet.
      5. Bestimmen Sie die tatsächliche normale Dehnung ε j in der Richtung j ( j = x , y ), die die relative Änderung der Gitterteilung und der Scherdehnung γ xy ist , was absolut istE Veränderung des Gitterwinkels der Probe, die durch die Belastung aus den relativen Stämmen vor und nach der Verformung 20 verursacht wird.
        Gleichung 5 (5)
        Gleichung 6 (6)
    3. Deformationsmessung Wenn der Sampling Pitch T ≥ 3 Pixel ist
      1. Berechnen Sie die Phase der Probenahme-Moiré-Fransen in der j ( j = x , y ) -Richtung vor der Verformung, wenn k = 0 (Abbildung 1b ) unter Verwendung der räumlichen Phasenverschiebungstechnik 21 ist
        Gleichung 7 (7)
      2. Erhalten Sie die Phase der Probenahme Moiré-Fransen in der j ( j = x , y ) Richtung nach Verformung, wenn k = 0 durch Ersetzen von φ m, j und I m, j ( k ) in Gleichung (7) mit φ ' m, j und I ' m, j ( k ), wobei das hochgestellte einzelne Zitat nach Verformung bedeutet. Wiederholen Sie N mal für N Lasten.
        HINWEIS: Wenn in den Phasenverteilungen in den Schritten 4.3.1 und 4.3.2 zu viel zufälliges Rauschen vorhanden ist, kann ein sin / cos-Filter 25 verwendet werden, um die Phasen zu glätten.
      3. Bestimmen Sie die Phasendifferenz der Abtast-Moiré-Fransen in der j ( j = x , y ) -Richtung vor und nach der Deformation ( dh Δ φ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Messen Sie die Verteilung der Verschiebung u j , normale Dehnung ε j in der j = x , y ) und die Scherdehnung γ xy der Probe, die durch die Last verursacht wird. Verwenden Sie die folgenden Gleichungen 6 , 21
        Gleichung 8 (8)
        Gleichung 9 (9)
        Gleichung 10 (10)
        HINWEIS: Wenn in den Dehnungsverteilungen zu viel Rauschen vorhanden ist, kann ein durchschnittlicher Glättungsfilter verwendet werden, bei einer Filtergröße kleiner als 2 Rasterabstände.
    4. Ergebnis Lagerung
      1. Speichern Sie die Daten der Moiré-Fransen, Phasen (wenn die Stichprobenhöhe T ≥3 Pixel), Verschiebungen und Belastungen in den Formen von Bildern, wie z. B. .tif- oder .bmp-Dateien und Text, wie z. B. .txt oder .csv Dateien.

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Representative Results

Die 2D-Verschiebungs- und Dehnungsverteilungen von zwei Kohlefaser-verstärkten Kunststoff (CFRP) -Proben (# 1 und # 2) wurden nach dem Moiré-Formationsprinzip 23 und dem Messverfahren (Abbildung 1 ) gemessen. Die CFK-Proben bestanden aus 10-11 μm Durchmesser K13D-Kohlenstofffasern und Epoxidharzen. Die Verformung von CFK # 1 wurde unter Verwendung der rekonstruierten Multiplikations-Moiré-Methode aus zweistufigen Probenahme-Moiré-Fransen bestimmt, und die von CFRP # 2 wurde unter Verwendung der räumlichen Phasenverschiebungs-Probenahme-Moiré-Methode aus dreistufigen Probenahme-Moiré-Fransen gemessen.

A) Deformationsmessung von CFK # 1

Die Dicke, Länge und Breite von CFK # 1 betrugen 1 mm, 22 mm bzw. 4 mm (Abbildung 2a ). Die Länge dDie Ausrichtung aller Fasern war senkrecht zur 1 × 22 mm 2 Oberfläche, die mit Sandpapieren und Polierlösungen poliert wurde. Ein Gitter mit einer Teilung von 3,0 μm wurde auf der polierten Oberfläche unter Verwendung von UV-Nanoimprint-Lithographie hergestellt (Abbildung 2b ). Ein Dehnungsmessstreifen wurde auf der Unterseite 4 × 22 mm 2 Oberfläche aufgeklebt, um die größte Zugspannung zu überwachen.

Ein Dreipunkt-Biegeversuch wurde auf CFRP # 1 unter Verwendung einer Beladevorrichtung mit einer Stützweite von 16 mm unter einem Laserscanningmikroskop durchgeführt. Die Spanne-Tiefe-Verhältnis betrug 16 nach den Standards der American Society for Testing and Materials (ASTM). Die Gitterbilder, wenn die Dehnungsmesswerte 0 und 0,00533 waren (Abbildung 2b ), wurden aufgezeichnet. Die Vergrößerung der Objektivlinse des Mikroskops betrug 5 × und die Abtastauflösung betrug 1.024 x 1.024. Die x- Richtung ist horizontalRechts und die y- Richtung ist vertikal nach oben.

Da die Gitterabstände auf CFK # 1 sowohl in der x- als auch in der y- Richtung etwa 2 Pixel im aufgezeichneten Bild waren, wurden die Abwärtsabtastabstände in den beiden Richtungen auf T = 2 Pixel für die Deformationsmessung eingestellt. Um den möglichen Einfluss der Abtastverzerrung zu vermeiden, wurde ein zentraler Bereich mit einer Größe von 1,26 x 0,53 mm 2 als interessanter Bereich gewählt. Von 2-Pixel-Down-Sampling und Gleichung ( 2 ) wurden nach der Deformation 2-stufige Probenahme-Moiré-Muster und das rekonstruierte Multiplikations-Moiré-Muster erzeugt (Abbildung 2c ). Unter Verwendung der Gleichungen (3) und (4) wurde die Verformung relativ zu dem Abtastabstand, wenn der Dehnungsmeßwert 0,00533 betrug, berechnet. Ähnlich wurde auch die relative Verformung, wenn der Dehnungsmeßwert 0 war, erhalten. Schließlich sind die tatsächlichen Verformungsverteilungen, incDie 2D-Verschiebungen ( Fig. 2d ), die 2D-Normalstämme und die Scherdehnung ( Fig . 2e ) wurden unter Verwendung der Gleichungen (5) und (6) gemessen.

Aus den Verschiebungsverteilungen (Abbildung 2d ) ist die x- Richtungsverschiebung an den oberen linken und unteren rechten Ecken positiv, aber an den beiden anderen Ecken negativ. Die y- Richtung-Verschiebung ist im gesamten Bereich negativ und im mittleren Bereich minimal. Dies stimmt gut mit den Verformungsmerkmalen einer Biegeprobe überein. Von den Dehnungsverteilungen ( Fig. 2e ) trägt der obere Bereich eine Druckspannung in der x- Richtung, aber die Zugspannung in der y- Richtung, und der untere Bereich trägt eine Zugspannung in der x- Richtung, jedoch eine Druckspannung in der y- Richtung, was eine interessante Verformung zeigt CHaracteristic Die Scherbeanspruchung ist im linken Bereich negativ und im rechten Bereich positiv, entsprechend der Biegeeigenschaft.

B) Deformationsmessung von CFK # 2

Die Dicke, Länge und Breite des laminierten CFRP # 2 betrug 1 mm, 30 mm bzw. 5 mm (Abbildung 3a ). Es gab 8 Schichten, und die Dicke jeder Schicht betrug 0,13 mm. Die Längenrichtung aller Fasern war senkrecht zur 1 x 30 mm 2 Oberfläche, die mit Sandpapieren und Polierlösungen poliert wurde. Ein Gitter mit einer Teilung von 3,7 um wurde dann auf der polierten Oberfläche unter Verwendung von UV-Nanoimprint-Lithographie hergestellt ( Fig. 3b ).

Ein Dreipunkt-Biegeversuch wurde mit einer Belastungslehre mit einer Spannweite von 16 mm unter einem Laserscanningmikroskop durchgeführt. Die Spanne zu dEcht-Verhältnis war auch 16. Das Gitterbild bei der 0,2 N Vorspannung wurde zuerst aufgezeichnet. Wenn die Last 10,8 N betrug und die Ablenkung -200 μm betrug, wurde auch das deformierte Gitterbild aufgezeichnet (Abbildung 3b ). Die Vergrößerung der Objektivlinse des Mikroskops betrug 5x, der Bildgebungszoom betrug 120% und die Abtastauflösung betrug 1.024 x 1.024 Pixel. Die x- Richtung ist horizontal nach rechts und die y- Richtung ist vertikal nach oben.

Da die Gitterabstände auf CFRP # 2 sowohl in der x- als auch in der y- Richtung etwa 3 Pixel im aufgezeichneten Bild waren, wurden die Abwärtsabtastabstände in den beiden Richtungen auf T = 3 Pixel für die Deformationsmessung eingestellt. Um den möglichen Einfluss der Abtastverzerrung zu vermeiden, wurde als interessanter Bereich ein zentraler Bereich mit einer Größe von 1,15 x 0,49 mm 2 gewählt. Unter Verwendung des in Schritt 4.3 beschriebenen Verfahrens wird die Moiré-Phase disTributionen bei 0,2 N und 10,8 N sowohl in der x- als auch in y- Richtung erhalten ( Fig. 3c ). Die Verteilungen der 2D-in-plane-Verschiebungen (Abbildung 3d ), der 2D-Normalstämme und der Scherdehnung (Abbildung 3e ) wurden bestimmt.

Die Verschiebungsverteilungsmerkmale von CFRP # 2 sind ähnlich denen von CFRP # 1 (Abbildung 2d ), mit der Ausnahme, dass die y- Richtungsverschiebung etwas unterschiedlich ist. Die Merkmale der x- Richtung-Dehnung und der Scherdehnung von CFRP # 2 ( Fig. 3e ) sind ebenfalls ähnlich denen von CFRP # 1 ( Fig. 2e ), wobei sie mit den Verformungsmerkmalen einer Biegeprobe übereinstimmen. Jedoch ist die y- Richtungsdehnung von CFRP # 2 ( Fig. 3e ) diffAls CFRP # 1, da CFK # 2 ein laminiertes Exemplar ist. Aus der Verteilung des y- Richtungs-Stamms, der im ganzen Gebiet fast negativ ist, können mehrere Schichten beobachtet werden.

Abbildung 1
Abbildung 1: Probenahme-Moiré-Formationsprinzip und Messverfahren. ( A ) Erzeugungsprinzip rekonstruierter Moiré aus 2-Pixel-Sampling-Moiré-Fransen, wenn die Sampling-Tonhöhe T = 2 Pixel beträgt. ( B ) Formationsprinzip von mehrstufigen Phasenverschiebungs-Probenahme-Moiré-Fransen und dem Messvorgang für die Moiré-Phase, wenn die Abtasthöhe T ≥ 3 Pixel beträgt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

P-zusammen.within-page = "1"> Figur 2
Abbildung 2: Deformationsmesswerte von CFK # 1. ( A ) Experimenteller Aufbau des Dreipunkt-Biegeversuchs unter einem Lasermikroskop und dem Prüfplan. ( B ) Die beobachtete Oberfläche von CFRP # 1 mit einem Mikrogitter. ( C ) zweistufige Probenahme-Moiré-Muster und das rekonstruierte Multiplikations-Moiré-Muster, wenn der Dehnungsmeßwert 0,00533 betrug. ( D ) Die gemessenen Verschiebungsverteilungen in x- und y- Richtung. ( E ) Die gemessenen Verteilungen der x- Richtung, y- Richtung und der Scherstämme von CFRP # 1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 3: Verformungsmessergebnisse von laminiertem CFK # 2. ( A ) Diagramm des Dreipunkt-Biegeversuchs unter einem Lasermikroskop. ( B ) Die beobachtete Oberfläche von CFRP # 2 mit einem Mikrogitter. ( C ) Die verpackten Phasen (Bereich: -π ~ π) Verteilungen der Probenahme Moiré-Fransen bei der 0,2 N Vorspannung und 10,8 N Last in der x- und y- Richtung. ( D ) Die gemessenen Verschiebungsverteilungen in x- und y- Richtung, wobei die Ablenkung (-200 μm) in y- Richtung nicht angezeigt wurde. ( E ) Die gemessenen Verteilungen der x- Richtung, y- Richtung und der Scherstämme von CFRP # 2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

In der beschriebenen Technik ist ein anspruchsvoller Schritt das Mikro- / Nanoskalige-Gitter oder Gitter (abgekürzt als Gitter) -Fertigung 26, wenn kein periodisches Muster auf der Probe existiert. Der Rasterabstand sollte vor Verformung einheitlich sein, da es ein wichtiger Parameter für die Deformationsmessung ist. Wenn das Material ein Metall, eine Metalllegierung oder eine keramische, UV- oder Heiznanoimprint-Lithographie (NIL) 27 ist , können die Elektronenstrahl-Lithographie (EBL) 2 , das fokussierte Ionenstrahl (FIB) -Fräsen 6 oder das Gitter-Duplikatverfahren 26 sein benutzt. Wenn das Material ein schwaches Polymer enthält, werden EBL- und FIB-Fräsen nicht vorgeschlagen. Wenn eine Komponente des Materials nicht hitzebeständig ist, kann die Heizung NIL nicht verwendet werden. Wenn die Probe ein dünner Film ist, ist die Gitter-Duplikat-Methode schwierig anzuwenden, da es nicht leicht ist, die Probe zu trennen.

Der kritische Schritt für dieDehnungsmessung des Gitterbildes vor und nach der Verformung mit der vorgeschlagenen Technik ist die Erzeugung von Probenahme-Moiré-Fransen 22 , deren Prinzip sich von dem Entstehungsprinzip herkömmlicher Interferenz-Moiré-Fransen unterscheidet. Zur Erzeugung unterschiedlicher Probenahme-Moiré-Fransen wird ein Tiefpassfilter wie ein FT-Algorithmus vorgeschlagen, um unerwünschte Linien oder Punkte zu unterdrücken. Wenn die Probenahme-Moiré-Fransen nach dem Down-Sampling ( dh Ausdünnen des Rasterbildes) und der Linear-Intensity-Interpolation unklar sind, kann vor dem Down-Sampling ein Glättungsfilter, wie ein Durchschnittsfilter, angewendet werden. Ein zweiter oder sogar der B-Spline-Interpolationsalgorithmus der dritten Ordnung kann für die Intensitätsinterpolation verwendet werden, um unterschiedliche Probenahme-Moiré-Fransen zu erzeugen.

Im Vergleich zu den traditionellen Moiré-Methoden hat die vorgeschlagene Probenahme-Moiré-Technik zur Dehnungsverteilungsmessung den VorteilEine einfache 2D-Dehnungsmessung und eine einfache Verarbeitung, hohe Geschwindigkeit, hohe Deformationsempfindlichkeit und hohe Messgenauigkeit 23 . Die 2D-Dehnungsmessung kann problemlos durchgeführt werden, ohne die Probenstufe oder die Abtastlinien des Mikroskops zu drehen, was bei herkömmlichen Methoden erforderlich ist. Darüber hinaus kann eine dynamische Verformung gemessen werden, da bei jeder Last nur ein einzelnes Rasterbild erforderlich ist. Dies geschieht nicht mit dem zeitlichen Phasenverschiebungs-Moiré-Verfahren, da mehrere Gitter- oder Moiré-Bilder benötigt werden, zusammen mit der Zeit bei jeder Last.

Obwohl die beschriebene Technik einfache 2D-Dehnungsmessungen an den Mikro- / Nano-Skalen ermöglicht, hat sie ihre eigenen Einschränkungen 23 , wie auch jede andere Technik. Die Rasterteilung in einem aufgezeichneten Bild sollte größer als 1,8 Pixel sein, um 2-Pixel- oder Mehrpixel-Sampling-Moiré-Fransen zu erzeugen. Wenn die Rasterhöhe im Bild etwa 2 pi beträgtXels können die 2-Pixel-Sampling-Moiré-Fransen als Ersatz für die Mikroskop-Scan-Moiré-Fransen dienen, mit dem gleichen Gesichtsfeld bei gleicher Vergrößerung. Wenn jedoch die Gitterteilung in einem Bild bei der höchsten Abtastauflösung des Mikroskops bei etwa 1 Pixel liegt, wenn deutliche Abtast-Moiré-Fransen direkt beobachtbar sind, können sich Probenahme-Moiré-Fransen nicht in der gleichen Vergrößerung bilden. Obwohl bei der Erhöhung der Mikroskop-Vergrößerung Moiré-Fransen erzeugt werden können, nimmt das Sichtfeld für die Deformationsmessung ab. Glücklicherweise sind die Scan-Auflösungen von kommerziellen Mikroskopen zu verbessern, und Probenahme Moiré-Fransen können in den meisten Fällen erzeugt werden. Je höher die Abtastauflösung, desto größer die Pixelzahl eines Rasterabstandes und je höher die Dehnungsmessgenauigkeit.

Im Gegensatz zur rekonstruierten Multiplikation Moiré-Methode aus 2-Pixel-Sampling Moiré FrDie räumliche Phase-Shifting-Sampling-Moiré-Methode aus Multipixel-Sampling-Moiré-Fransen hat eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit und eine höhere Messgenauigkeit, aber ein kleineres Sichtfeld. Die Wahl der Methode hängt von der Pixelzahl der Probengitterteilung oder von der erforderlichen Messgenauigkeit und Sichtfeld ab, wenn die Pixelanzahl des Prüfgitterabstandes steuerbar ist. Beide Methoden sind nützlich, um zerstörungsfreie Deformationsmessungen durchzuführen und quantitative Auswertungen von mechanischen Eigenschaften, Rissauftreten und -wachstum, Restspannungen, Defektdetektion, Strukturcharakterisierung usw. durchzuführen .

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI unterstützt, die Nummern JP16K17988 und JP16K05996 sowie das von der Kabinettsbüro betriebene interministerielle Strategie für strategische Innovationsförderung, Referat D66, Innovative Messungen und Analysen für Strukturmaterialien (SIP-IMASM). Die Autoren sind auch Drs dankbar. Satoshi Kishimoto und Kimiyoshi Naito bei NIMS für ihr CFK-Material.

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

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References

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Ingenieurwesen Ausgabe 123 Verformungsverteilung Dehnungsmessung Probenahme Moiré Bildverarbeitung optische Methode Mikro / Nano-Skala Verbundwerkstoffe
Mikro- / Nanometer-Dehnungsverteilungsmessung von Sampling Moiré Fringes
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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).

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