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Engineering

Medição de Distribuição de Estirpes Micro / Nano-escala a partir da Amostragem Frisos Moiré

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

Uma técnica de moiré de amostragem com métodos de amostragem de 2 pixels e multi-pixel para medições de distribuição de deformação de alta precisão na escala micro / nano é apresentada aqui.

Abstract

Este trabalho descreve o procedimento de medição e os princípios de uma técnica de moiré de amostragem para medições de deformação em campo completo de micro / nanotecnologia. A técnica desenvolvida pode ser realizada de duas maneiras: usando o método de moiré de multiplicação reconstruído ou o método de moiré de amostragem espacial de mudança de fase. Quando o passo da grade da amostra é de cerca de 2 pixels, são geradas franjas de moiré de amostragem de 2 pixéis para reconstruir um padrão de moiré de multiplicação para uma medição de deformação. Tanto as sensibilidades de deslocamento como de deformação são duas vezes mais elevadas do que no método tradicional de moiré de varredura, no mesmo campo de visão. Quando o passo da grelha da amostra é de cerca de ou superior a 3 pixels, são geradas franjas de moiré de amostragem de múltiplos pixéis, e uma técnica de mudança de fase espacial é combinada para uma medição de deformação de campo completo. A precisão da medição de tensão é significativamente melhorada, e a medição automática de lotes é facilmente alcançável.Ambos os métodos podem medir as distribuições de deformações bidimensionais (2D) a partir de uma imagem de grade de um único disparo sem rodar o espécime ou linhas de varredura, como nas técnicas de moiré tradicionais. Como exemplos, as distribuições de deslocamento e de deformação 2D, incluindo as estirpes de cisalhamento de dois espécimes de plástico reforçado com fibra de carbono, foram medidas em testes de flexão de três pontos. Espera-se que a técnica proposta desempenhe um papel importante nas avaliações quantitativas não destrutivas de propriedades mecânicas, ocorrências de fissuras e tensões residuais de uma variedade de materiais.

Introduction

Medições de deformação em micro / nano escala são vitalmente essenciais para avaliar as propriedades mecânicas, comportamentos de instabilidade, tensões residuais e ocorrências de quebra de materiais avançados. Uma vez que as técnicas ópticas são sem contato, full-field e não-destrutivas, vários métodos ópticos foram desenvolvidos para medição de deformação durante as últimas décadas. Nos últimos anos, as técnicas de medição de deformação em micro / nano escala incluem principalmente os métodos moiré 1 , 2 , 3 , 4 , análise de fase geométrica (GPA) 5 , 6 , transformação de Fourier (FT), correlação de imagem digital (DIC) e Interferometria eletrônica do padrão speckle (ESPI). Entre essas técnicas, GPA e FT não são bem adequados para medições complexas de deformação, porque existem múltiplas freqüências. O método DIC é simMas impotente contra o ruído porque a portadora de deformação é mancha aleatória. Finalmente, ESPI é fortemente sensível à vibração.

Entre os métodos de moiré micro / nano escala, os métodos mais utilizados atualmente são os métodos de moiré de varredura de microscópio, como o moiré de varredura eletrônica 7 , 8 , 9 , o moiré de varredura a laser 10 , 11 e o moiré de força atômica (AFM) moiré 12 , E alguns métodos de moiré baseados em microscópio, como o método de moiré digital / sobreposição 13 , 14 , 15 e o método de multiplicação / fracionamento moiré 16 , 17 . O método moiré de varredura tem muitas vantagens, como um amplo campo de visão,E insensibilidade ao ruído aleatório. No entanto, o método de moiré de varrimento tradicional é inconveniente para medições de deformação 2D porque é necessário rodar o estádio de amostra ou a direcção de varrimento em 90 ° e varrer duas vezes para gerar franjas de moiré em duas direcções 18 . A rotação e os processos de dupla digitalização introduzem erro de rotação e demoram muito tempo, influenciando seriamente a precisão da medição da tensão 2D, especialmente para a deformação por cisalhamento. Embora a técnica de mudança de fase temporal 19 , 20 possa melhorar a precisão da medição da deformação, requer tempo e um dispositivo especial de desvio de fase inadequado para testes dinâmicos.

O método de moiré de amostragem 21 , 22 tem uma precisão elevada em medidas de deslocamento e é agora principalmente usado para medições de deflexão em pontes quando os automóveis pbunda. Para ampliar o método de moiré de amostragem para medições de deformação em micro / nanotecnologia 2D, foi recentemente desenvolvido um método de moiré de multiplicação reconstruído 23 a partir de franjas de moiré de amostragem de 2 pixéis, nas quais as medições são duas vezes mais sensíveis eo campo de visão largo do O método de moiré de varredura é mantido. Além disso, o método de moiré de amostragem de mudança de fase espacial também é desenvolvido a partir de franjas de moiré de amostragem de múltiplos pixels, permitindo medições de deformação de alta precisão. Este protocolo irá introduzir o procedimento detalhado de medição de deformação e é esperado para ajudar pesquisadores e engenheiros a aprender como medir deformação, melhorando os processos de fabricação de materiais e produtos.

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Protocol

1. Confirmação da grelha Micro / Nano-scale na amostra

  1. Usinagem do Espécime
    1. Cortar a amostra ao tamanho requerido pelo dispositivo de carregamento específico utilizado sob um microscópio ( por exemplo, 1 x 5 x 30 mm 3 ), tornando a superfície a ser observada 1,5x maior que a região de interesse.
    2. Polir a superfície do espécime a ser observada ( p. Ex., 1 x 30 mm 2 ), utilizando sucessivamente papel de areia grosseira e fina em uma máquina de polir automática ( por exemplo, use folha de SiC 320 durante 3 min e depois 800 durante 1 min a 150 rpm E 30 N). Limpe a amostra com água após cada passo de polimento.
    3. Polir a mesma superfície do provete, utilizando sucessivamente soluções de polimento grosseiro e fino na máquina de polimento automática ( p. Ex., Utilizar DP-Spray P 15 μm durante 5 min, P 1 μm durante 8 min e P 0,25 μm durante 10 min a 150 rpm e 30 N). Limpe a amostra com água após cada polimentoG passo.
  2. Fabricação da grade Micro / Nano-escala se nenhum padrão periódico existe na amostra
    NOTA: Este passo pode ser omitido se existir um padrão periódico natural na escala micro / nano na superfície da amostra. Escolha o método de fabricação da grade a partir dos seguintes: litografia por ultravioleta (UV) ou aquecimento por nanoimpressão (NIL) 26 , litografia por feixe de elétrons (EBL) 2 e fresagem por feixe de íons focalizado (FIB) 6 .
    NOTA: O processo de fabricação da grade é introduzido aqui, com UV NIL como um exemplo.
    1. Coloque 2 mL de UV sobre a superfície da amostra usando uma pipeta.
    2. Revestir o resist na superfície da amostra usando um revestidor giratório a 1.500 rpm por 60 s.
    3. Pressione um molde nanoimprint para a camada de resistir a uma pressão de 0,2 MPa. Exponha a resistência à UV com um comprimento de onda de 375 nm durante 30 s.
    4. Separe o molde nanoimprint da superfície do espécime.
    5. Observação da grade na amostra usando um microscópio
      1. Revestir uma camada de platina ou ouro com uma espessura de 3-10 nm na superfície da grelha utilizando um revestidor de iões ( por exemplo, revestimento durante 30 s a 3 Pa com uma corrente de pulverização de 30 mA).
      2. Coloque o espécime sob um microscópio de varredura a laser (LSM) 23 .
        NOTA: Outros microscópios também podem ser usados, como microscópio eletrônico de transmissão (TEM) 5 , microscópio de força atômica (AFM) 12 ou microscópio eletrônico de varredura (SEM) 7 .
      3. Ajuste o foco e salve uma imagem de grade usando o microscópio clicando em "Capturar" e "Arquivo | Exportar arquivo de imagem" no software de gravação de imagem do microscópio.
    6. Cálculo do Passo de Grade (nm ou μm) do Espécime da Imagem de Grade
      1. Calcule o valor médio de mais de 10 grId na área central da imagem de grade para evitar a influência potencial da varredura ou distorção da lente.
        NOTA: A grelha da amostra pode ser guardada durante vários dias à temperatura ambiente.

    2. Aquisição de Grid Images no Teste de Carregamento

    1. Preparação do teste de carga sob o microscópio
      1. Fixar o espécime a um dispositivo de carregamento, como um dispositivo de tensão, compressão, aquecimento ou carga elétrica, sob o microscópio.
        NOTA: Se o passo da grelha for inferior a 20 nm, deve ser utilizado um TEM ou AFM. Se o passo da grelha for de 20 nm a 10 μm, pode ser utilizado um SEM. Se o passo da grelha for superior a 400 nm, pode ser utilizado um LSM.
      2. Ajustar a velocidade de carga ( p. Ex. 0,01 mm / s) eo passo incremental de carga ou deslocamento ( por exemplo, 0,5 N / passo ou 0,024 mm / passo) de acordo com os requisitos específicos. Predefinir a carga eo deslocamento para zero.
      3. Faça a grade surfarAce no plano de observação. Escolha uma área de interesse com uma ampliação baixa movendo ou girando o estágio de amostra do microscópio.
      4. Selecione uma ampliação apropriada, fazendo o tom da grade na imagem maior que 1,8 × um tamanho de pixel.
        NOTA: Geralmente, é melhor fazer o tom da grade na imagem maior que 2 pixels. Quanto mais pixels um passo de grelha corresponder, maior será a precisão da medição de deformação, mas menor será o campo de visão da medição.
    2. Coleção de imagens de grade no teste de carregamento
      1. Salve uma imagem da grade da área de interesse antes de carregar clicando em "Capturar" e "Arquivo | Exportar arquivo de imagem" no software de gravação de imagem do microscópio.
      2. Comece a carregar a amostra in situ no microscópio, exercendo o primeiro passo de carga ( por exemplo, 0,5 N ou 0,024 mm) utilizando o software de operação do dispositivo de carregamento.
      3. Rec( Por exemplo, 0,5 N ou 0,024 mm), clicando em "Capturar" e "Arquivo | Exportar arquivo de imagem" no software de gravação de imagem do microscópio. Certifique-se de que a ampliação ea distância de trabalho do microscópio permaneçam inalteradas.
      4. Continue a carregar a amostra, exercendo cada passo de carga usando o dispositivo de carregamento. Grave a imagem da grelha depois de cada passo de carga até que a amostra esteja quebrada ou até que um determinado valor seja atingido ( por exemplo, carregar 19 vezes e gravar 19 imagens de grelha a 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, a intervalos de 0,5 N ou a 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm, a intervalos de 0,024 mm). Certifique-se de que a ampliação ea distância de trabalho do microscópio permanece inalterada.
        NOTA: As imagens da grelha podem ser guardadas durante um período de tempo arbitrariamente longo.

    3. Geração de amostragem Frisos Moiré antes e depois DefOração

    1. Estimativa de Parcelas de Grelha (pixel) nas Imagens da Grelha
      1. Estimar o pitch da grade (unidade: pixel) na imagem da grade antes do carregamento, medindo a distância entre os centros de dois pontos de grade adjacentes em um software de processamento de imagem ( por exemplo, Microsoft Paint).
      2. Estime o passo da grelha na imagem da grelha na carga máxima.
    2. Determinação do passo de amostragem (pixel)
      1. Mova para o passo 3.2.2 quando os intervalos de grade antes e depois da deformação estiverem entre 1,8 e 2,5 pixels. Passar para o passo 3.2.3 quando a grelha pitches antes e depois de deformação estão entre 2,4 e 3,6 pixels. Passar para o passo 3.2.4 quando a grelha pitches antes e depois da deformação são superiores a 3,2 pixels.
      2. Defina o passo de amostragem para T = 2 pixels. Vá para o passo 3.3.
      3. Defina o passo de amostragem para T = 3 pixels. Vá para o passo 3.3.
      4. Defina o passo de amostragem T como positivoInteiro dentro de 0.75x e 1.25x os arremessos da grade antes e depois da deformação, determinados de resultados abundantes da simulação 22 .
        NOTA: Se houver 2 inteiros positivos que atendam aos requisitos nos passos 3.2.1 e 3.2.4, é melhor escolher o inteiro maior como o passo de amostragem. Se houver 3 ou mais números inteiros positivos que atendam aos requisitos, é melhor escolher o inteiro intermediário, desde que seja um pouco maior que o passo de amostragem.
    3. Geração de amostragem Moiré franjas antes da deformação
      1. Abra a imagem da grade antes da deformação. Assumindo que a direção x é horizontalmente para a direita, a direção y é verticalmente para baixo ea coordenada (0, 0) está no canto superior esquerdo, calcule a largura da imagem W na direção x ea altura da imagem H na direção y .
        NOTA: A direção y também pode ser definida comoVerticalmente para cima.
      2. Mova para o passo 3.3.3 para gerar franjas de moiré na direção y . Salte para o passo 3.3.7 para gerar franjas de moiré na direção x .
      3. Processar a imagem de grade para uma imagem de grade usando um filtro passa-baixa (LPF). Por exemplo, use um algoritmo FT para suprimir a grade, com uma direção principal de x , onde a direção principal é definida como a direção perpendicular às linhas de grade. Defina o tamanho do filtro para que fique próximo ao passo da grade.
      4. Diminua a imagem da grade extraindo apenas os valores de cinza em várias linhas horizontais, com o espaçamento do passo de amostragem T ( T ≥ 2) de y = k pixels ( k = 0) ( isto é, mantenha apenas o cinza Valores em linhas de amostragem de y = k pixels, y = k + T pixels, ..., y = k + iT pixels, onde i é um poInteiro inteiro). Faça a coordenada da última linha de amostragem, k + iT , menor que a altura da imagem H.
      5. Gerar um padrão de moiré de amostragem na direção y executando interpolação de intensidade de campo completo (linear ou B-spline) da imagem com linhas de amostragem horizontais.
      6. Gere outros padrões de moiré de amostragem T -1 na direção y repetindo os passos 3.3.4 e 3.3.5 T -1 vezes alterando k no passo incremental de 1 pixel ( isto é, deslocando o ponto inicial de desbaste para y = k Pixels, k = 1, ..., T -1).
      7. Utilize os mesmos procedimentos nos passos 3.3.3-3.3.6 para gerar padrões de moiré de amostragem de mudança de fase espacial de T- passo na direção x, alterando x para y na etapa 3.3.3, alterando a altura da imagem H para a largura da imagem W , E mudando y para x nos passos 3.3.4-3.3.6.
        NOTA: O passo de amostragem na direção x pode ser diferente daquele na direção y .
    4. Geração de amostragem Frisos de Moiré após deformação
      1. Abra todas as imagens de grade em cargas diferentes. Suponha que o número de imagens de grade seja N.
      2. Gere N grupos de franjas de moiré espaciais com deslocamento de fase em T na direção y , repetindo os passos 3.3.3-3.3.6 N vezes.
      3. Gere N grupos de fraturas de moiré espacial de mudança de fase em T na direção x , repetindo o passo 3.3.7 N vezes.

    4. Medição de deformação da amostra no teste de carga

    1. Determinação das intensidades das franjas de Moiré antes e depois da deformação
      1. Extrair as intensidades das franjas do moiré T- step antes da deformação em tA direcção Y nos passos 3.3.5 e 3.3.6; Determinar as intensidades de moiré na direcção x no passo 3.3.7. Descrever as intensidades de moiré T- passo ( T ≥ 2) antes da deformação na direção j ( j = x , y ) usando a seguinte equação 23 :
        Equação 1 (1)
        Onde p j é o passo da grelha antes da deformação na direcção j ( j = x , y ), A é a amplitude modulada e D inclui as intensidades de fundo e de frequência mais elevada.
      2. Extrair as intensidades das franjas de moiré T- step após a deformação na direcção y no passo 3.4.2 e determinar as intensidades de moiré na direcção x no passo 3.4.3. Descrever as intensidades de moiré T- passo ( T ≥ 2) após a deformaçãoNa direção j ( j = x , y ) usando a mesma equação acima (Equação 1), mudando I m, j ( k ), p j , A e D para I ' m, j ( k ), p ' J , A 'e D ', respectivamente, onde o sobrescrito cita simples significa após deformação.
        NOTA: Se o passo de amostragem for T ≥ 3 pixels, ignore este passo e passe para o passo 4.3.
      1. Reconstruir franjas de moiré de multiplicação a partir da interferência multiplicativa entre as intensidades de moiré de amostragem em duas etapas ( Figura 1a ) antes da deformação usando a seguinte equação 23
        Equação 2 (2)
        Onde eu multi, j representa a intensidade oF as franjas de moiré de multiplicação reconstruídas na direção j ( j = x , y ) antes da deformação.
      2. Processar as franjas de moiré de multiplicação reconstruídas antes da deformação utilizando a técnica de centralização da franja 24 . Atribuir inteiros consecutivos e meia inteiros f j = [1, 1,5, 2, 2,5, ...] para as ordens de franja nas linhas centrais da moiré de multiplicação reconstruída.
        NOTA: Se as franjas de moiré de multiplicação são muito densas, as ordens de franja do moiré de amostragem de duas etapas podem ser determinadas primeiro ( isto é, fj ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] e F j (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). A ordem marginal das franjas de moiré de multiplicação será f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...]. O deslocamento do corpo rígido não afetará o resultado da deformação.
      3. Medir a deformação relativa da amostra antes da deformação em relação ao passo de amostragem utilizando as seguintes equações 23
        Equação 3 (3)
        Equação 4 (4)
        Onde u j _rela e ε j _rela representam o deslocamento relativo e a tensão relativa do espécime antes da deformação na direção j ( j = x , y ), respectivamente, e γ xy _rela expressa a tensão de cisalhamento relativa antes da deformação.
      4. Repita os passos 4.2.1-4.2.3 para determinar as tensões relativas da amostra após a deformação nas direcções x e y para N vezes, alterando I multi, j , I m, j (0), I m, j p j , A , D, u j _rela ( j = x , y ), ε j _rela e γ xy _rela nas equações (2) - (4) a I ' multi, j , M, j (0), I ' m, j (1), p ' j , A ', D ', u ' j _rela (j = x, y), ε ' j _rela e γ ' xy _rela , respectivamente , Onde o sobrescrito cita simples significa após a deformação.
      5. Determine a tensão normal real ε j na direção j ( j = x , y ), que é a mudança relativa do passo da grade e da tensão de cisalhamento, γ xy , que é a absolutE variação do ângulo da malha da amostra causada pela carga das tensões relativas antes e depois da deformação 20 .
        Equação 5 (5)
        Equação 6 (6)
    3. Medição de deformação Quando o passo de amostragem é T ≥ 3 pixels
      1. Calcule a fase das franjas de moiré de amostragem na direção j ( j = x , y ) antes da deformação quando k = 0 ( Figura 1b ) usando a técnica espacial de desvio de fase 21
        Equação 7 7)
      2. Obtenha a fase da amostragem de franjas de moiré na direção j ( j = x , y ) após deformação quando k = 0 substituindo φ m, j e I m, j ( k ) na equação (7) com φ ' m, j e I ' m, j ( k ), respectivamente, onde o sobrescrito cita simples significa após deformação. Repita N vezes para N cargas.
        NOTA: Se houver muito ruído aleatório nas distribuições de fase nos passos 4.3.1 e 4.3.2, um filtro sin / cos 25 pode ser usado para suavizar as fases.
      3. Determine a diferença de fase das franjas de moiré de amostragem na direção j ( j = x , y ) antes e depois da deformação ( isto é, Δ φ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Medir as distribuições de deslocamento u j , deformação normal ε j na j = x , y ) ea tensão de cisalhamento γ xy da amostra causada pela carga. Utilize as seguintes equações 6 , 21
        Equação 8 (8)
        Equação 9 (9)
        Equação 10 (10)
        NOTA: Se houver muito ruído nas distribuições de tensão, pode ser utilizado um filtro de alisamento médio, com um tamanho de filtro menor do que 2 intervalos de grelha.
    4. Armazenamento de resultados
      1. Salve os dados das franjas de moiré, fases (quando o passo de amostragem é T ≥ 3 pixels), deslocamentos e tensões nas formas de imagens, como arquivos .tif ou .bmp e texto, como .txt ou .csv arquivos.

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Representative Results

As distribuições de deslocamento e de deformação 2D de dois espécimes de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) (# 1 e # 2) foram medidas de acordo com o princípio de formação de moiré 23 eo processo de medição ( Figura 1 ). Os espécimes CFRP foram constituídos por fibras de carbono K13D de 10-11 μm de diâmetro e resinas epoxi. A deformação do CFRP # 1 foi determinada utilizando o método de moiré de multiplicação reconstruído a partir de franjas de moiré de amostragem de duas etapas e a de CFRP # 2 foi medida utilizando o método de moiré de amostragem de mudança de fase espacial a partir de franjas de moiré de amostragem de três passos.

A) Medição da Deformação do CFRP # 1

A espessura, comprimento e largura da CFRP # 1 foram de 1 mm, 22 mm e 4 mm, respectivamente ( Figura 2a ). O comprimento dA direcção de todas as fibras foi perpendicular à superfície de 1 × 22 mm 2 , que foi polida utilizando papéis de areia e soluções de polimento. Uma grade com um passo de 3,0 μm foi fabricada na superfície polida usando a litografia de nanoimpressão UV ( Figura 2b ). Colocou-se uma espessura de tensão na superfície inferior de 4 x 22 mm2 para monitorizar a maior tensão de tensão.

Realizou-se um ensaio de flexão de três pontos no CFRP # 1 utilizando um gabarito de carga, com uma extensão de suporte de 16 mm, sob um microscópio de varrimento a laser. A relação span-to-depth foi de 16 segundo a American Society for Testing and Materials (ASTM). As imagens da grelha quando os valores do strain-gauge foram 0 e 0,00533 ( Figura 2b ) foram registados. A ampliação da lente objetiva do microscópio foi 5x, ea resolução de varredura foi de 1,024 x 1,024. A direção x é horizontalmenteDireita ea direção y está verticalmente para cima.

Uma vez que os passos de grade no CFRP # 1 em ambas as direcções x e y eram de cerca de 2 pixels na imagem gravada, os passos de amostragem para baixo nas duas direcções foram ajustados para serem T = 2 pixels para a medição da deformação. Para evitar a influência potencial da distorção de varrimento, foi escolhida uma área central com tamanho de 1,26 x 0,53 mm2 como área de interesse. A partir da amostragem e equação (2) de 2 pixels, foram gerados, após deformação, padrões de moiré de amostragem de 2 etapas e o padrão de moiré de multiplicação reconstruído ( Figura 2c ). Utilizando as equações (3) e (4), calculou-se a deformação relativa ao passo de amostragem quando o valor do strain gauge foi 0,00533. De forma semelhante, a deformação relativa quando o valor do strain gauge foi igual a 0 também foi obtida. Finalmente, as distribuições de deformação reais, incUtilizando as equações (5) e (6), as distensões 2D ( Figura 2d ), as estirpes 2D normais e a de cisalhamento ( Figura 2e ).

A partir das distribuições de deslocamento ( Figura 2d ), o deslocamento da direção x é positivo nos cantos superior esquerdo e inferior direito, mas negativo nos outros dois cantos. O deslocamento da direção y é negativo em toda a área e, no mínimo, na área central. Isto concorda bem com as características de deformação de um espécime de flexão. A partir das distribuições de deformação ( Figura 2e ), a área superior apresenta deformação compressiva na direção x, mas tensão na direção y , ea área inferior tem tensão de tensão na direção x, mas tensão compressiva na direção y , demonstrando uma deformação interessante CHaracteristic. A deformação do cisalhamento é negativa na área esquerda e positiva na área direita, de acordo com a propriedade de flexão.

B) Medição da Deformação do CFRP # 2

A espessura, comprimento e largura do laminado CFRP # 2 foram 1 mm, 30 mm e 5 mm, respectivamente ( Figura 3a ). Havia 8 camadas, ea espessura de cada camada era de 0,13 mm. A direcção do comprimento de todas as fibras foi perpendicular à superfície de 1 x 30 mm2, que foi polida utilizando papéis de areia e soluções de polimento. Uma grelha com passo de 3,7 μm foi então fabricada na superfície polida usando a litografia de nanoimpressão UV ( Figura 3b ).

Realizou-se um ensaio de flexão de três pontos utilizando um gabarito de carga, com um vão de suporte de 16 mm, sob um microscópio de varrimento a laser. O span-to-dEpth também foi de 16. A imagem da grade na pré-carga de 0,2 N foi registrada pela primeira vez. Quando a carga era de 10,8 N ea deflexão era de -200 μm, a imagem de grade deformada também foi registada ( Figura 3b ). A ampliação da lente objetiva do microscópio foi 5x, o zoom de imagem foi de 120% ea resolução de digitalização foi de 1.024 x 1.024 pixels. A direção x é horizontalmente para a direita ea direção y é verticalmente para cima.

Uma vez que os passos de grade no CFRP # 2 em ambas as direcções x e y eram de cerca de 3 pixels na imagem gravada, os passos de amostragem para baixo nas duas direcções foram ajustados para serem T = 3 pixels para a medição da deformação. Para evitar a influência potencial da distorção de varrimento, foi escolhida como área de interesse uma área central com um tamanho de 1,15 x 0,49 mm2. Utilizando o método descrito no passo 4.3, a fase moiréForam obtidas taxas de 0,2 N e 10,8 N nas duas direções x e y ( Figura 3c ). As distribuições dos deslocamentos em plano 2D ( Figura 3d ), das estirpes normais 2D e da deformação por cisalhamento ( Figura 3e ) foram determinadas.

As características de distribuição de deslocamento ( Figura 3d ) do CFRP # 2 são semelhantes às do CFRP # 1 ( Figura 2d ), excepto que o deslocamento da direcção y é ligeiramente diferente. As características da estirpe de direcção x e da estirpe de cisalhamento de CFRP # 2 ( Figura 3e ) são também semelhantes às da CFRP # 1 ( Figura 2e ), concordando com as características de deformação de um espécime de flexão. No entanto, a estirpe de direcção y de CFRP # 2 ( Figura 3e ) é diffDo CFRP # 1 porque o CFRP # 2 é um espécime laminado. Várias camadas podem ser observadas a partir da distribuição da tensão de direcção y , que é quase negativa em toda a área.

figura 1
Figura 1: Princípio de formação do moiré de amostragem e processo de medição. (A) Princípio de geração do moiré reconstruído a partir de 2-pixel de amostragem moiré franjas quando o passo de amostragem é T = 2 pixels. ( B ) Princípio de formação de franjas de moiré de amostragem de desvio de fase de múltiplos estágios eo processo de medição para a fase de moiré quando o passo de amostragem é T ≥ 3 pixels. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

P-together.within-page = "1"> Figura 2
Figura 2: Resultados de medição de deformação de CFRP # 1. (A) Configuração experimental do teste de flexão de três pontos sob um microscópio a laser e o diagrama de amostra. ( B ) A superfície observada de CFRP # 1 com uma micro grelha. ( C ) Padrões de moiré de amostragem em duas etapas e o padrão de moiré de multiplicação reconstruído quando o valor do strain gauge foi 0,00533. ( D ) As distribuições de deslocamento medidas nas direções xey . ( E ) As distribuições medidas da direção x , direção y , e estirpes de cisalhamento de CFRP # 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3: Resultados de medição de deformação de CFRP laminado # 2. (A) Diagrama do teste de flexão de três pontos sob um microscópio a laser. ( B ) A superfície observada de CFRP # 2 com uma micro grelha. ( C ) As distribuições de fase envolvida (intervalo: -π ~ π) das franjas de moiré de amostragem na carga de 0,2 N e carga de 10,8 N nas direções xey . ( D ) As distribuições de deslocamento medidas nas direções xey , onde a deflexão (-200 μm) na direção y não foi exibida. ( E ) As distribuições medidas da direção x , direção y e estirpes de cisalhamento de CFRP # 2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Na t�nica descrita, um passo desafiador �a grelha de micro / nano escala ou grelha (abreviada como grelha) de fabrica�o 26 se n� existir padr� peri�ico na amostra. O passo da grade deve ser uniforme antes da deformação, pois é um parâmetro importante para a medição da deformação. Se o material for um metal, uma liga metálica, ou uma litografia de nanoimpressão cerâmica, UV ou de aquecimento (NIL) 27 , litografia por feixe de electrões (EBL) 2 , fresagem de feixe de iões focalizado (FIB) 6 ou o método de duplicado de grelha 26 podem ser usava. Se o material contiver um polímero fraco, a moagem EBL e FIB não é sugerida. Quando um componente do material não é resistente ao calor, o aquecimento NIL não pode ser usado. Se a amostra é uma película fina, o método de duplicata de grade é difícil de aplicar porque não é fácil separar a amostra.

O passo crítico para aA medição de tensão da imagem da grelha antes e depois da deformação utilizando a técnica proposta é a geração de amostragem de franjas de moiré 22 , cujo princípio é diferente do princípio de formação de franjas de moiré de interferência convencionais. Para gerar franjas de moiré de amostragem distintas, um filtro passa-baixa, como um algoritmo FT, é sugerido para suprimir linhas ou pontos indesejados. Se as franjas de moiré de amostragem são indistintas após a amostragem descendente ( ou seja, diluindo a imagem da grade) ea interpolação de intensidade linear, um filtro de suavização, como um filtro médio, pode ser adotado antes da amostragem. Um algoritmo de interpolação de segunda ou mesmo terceira ordem B-spline pode ser usado para a interpolação de intensidade para gerar franjas de moiré de amostragem distintas.

Comparado com os métodos tradicionais de moiré, a técnica de moiré de amostragem proposta para a medição da distribuição de deformação tem a vantagem de serCom uma simples medição de deformação 2D e com processamento simples, alta velocidade, alta sensibilidade à deformação e alta precisão de medição 23 . A medição da deformação 2D pode ser facilmente realizada sem rodar o estádio da amostra ou as linhas de varrimento do microscópio, o que é necessário nos métodos convencionais. Além disso, a deformação dinâmica pode ser medida, já que a informação necessária é apenas uma imagem de grade de um único disparo em cada carga. Isso não pode ser feito com o método de moiré de mudança de fase temporal porque são necessárias várias imagens de grade ou moiré, juntamente com o tempo em cada carga.

Embora a técnica descrita permita medições de tensão 2D simples nas escalas micro / nano, tem suas próprias limitações 23 , como qualquer outra técnica. O tom de grade em uma imagem gravada deve ser maior que 1,8 pixels para gerar franjas de moiré de amostragem de 2 pixels ou multi-pixel. Se o espaçamento da grade na imagem é de cerca de 2 piXels, as franjas de moiré de amostragem de 2 pixels podem servir como substituto para o microscópio de varredura de franjas de moiré, com o mesmo campo de visão com a mesma ampliação. No entanto, se o passo de grade em uma imagem é de cerca de 1 pixel na resolução mais alta varredura do microscópio quando franjas de moiré varredura distintos são diretamente observáveis, amostragem moiré franjas será incapaz de formar com a mesma ampliação. Embora a amostragem de franjas de moiré possa ser gerada ao aumentar a ampliação do microscópio, o campo de visão para a medição da deformação diminuirá. Felizmente, as resoluções de varredura de microscópios comerciais estão melhorando, e amostragem moiré franjas podem ser geradas na maioria dos casos. Quanto maior a resolução de varredura, maior será o número de pixels de um passo de grade e maior será a precisão de medição de deformação.

Ao contrário do método de moiré de multiplicação reconstruído de 2-pixel sampling moiré friO método moiré de amostragem de mudança de fase espacial a partir de franjas de moiré de amostragem multi-pixel tem uma velocidade de processamento mais alta e uma maior precisão de medição, mas um campo de visão menor. A escolha do método depende do número de pixel do passo da grelha da amostra, ou da precisão de medição e do campo de visão necessários se o número de pixel do passo da grelha da amostra for controlável. Ambos os métodos são úteis para a realização de medições de deformação não-destrutivas e avaliação quantitativa de propriedades mecânicas, ocorrência e crescimento de rachaduras, tensões residuais, detecção de defeitos, caracterização estrutural, etc.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado por JSPS KAKENHI, os números de subsídios JP16K17988 e JP16K05996, e pelo Programa Interministerial de Promoção de Inovação Estratégica, Unidade D66, Medição e Análise Inovadoras para Materiais Estruturais (SIP-IMASM), operado pelo gabinete. Os autores também agradecem aos Drs. Satoshi Kishimoto e Kimiyoshi Naito no NIMS por seu material CFRP.

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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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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