Summary
마이크로 / 나노 스케일에서 고정밀 변형률 분포 측정을위한 2 픽셀 및 다중 픽셀 샘플링 방법을 특징으로하는 샘플링 모아레 기법이 여기에 제시됩니다.
Abstract
이 연구는 전장 마이크로 / 나노 스케일 변형 측정을위한 샘플링 모아레 기법의 측정 절차와 원리를 설명합니다. 개발 된 기법은 두 가지 방식으로 수행 될 수 있습니다 : 재구성 된 곱셈 모아레 법 또는 공간 위상 변이 샘플링 모아레 법 사용. 표본 그리드 피치가 약 2 픽셀 인 경우, 2- 픽셀 샘플링 모아레 무늬가 생성되어 변형 측정을위한 곱셈 모아레 패턴을 재구성합니다. 변위 및 변형 감도는 동일한 넓은 시야에서 기존 스캐닝 모아레 방법보다 두 배 높습니다. 표본 그리드 피치가 3 픽셀 이상이거나 또는 그보다 크면 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬가 생성되고 공간 위상 변이 기술이 전체 필드 변형 측정을 위해 결합됩니다. 변형률 측정 정확도가 크게 향상되고 자동 배치 측정을 쉽게 수행 할 수 있습니다.두 가지 방법 모두 기존의 모아레 기법과 같이 표본 또는 주사선을 회전시키지 않고 단일 샷 그리드 이미지에서 2 차원 (2D) 변형률 분포를 측정 할 수 있습니다. 예를 들어 두 탄소 섬유 강화 플라스틱 시험편의 전단 변형률을 포함한 2D 변위 및 변형률 분포를 3 점 굽힘 시험에서 측정했습니다. 제안 된 기술은 다양한 재료의 기계적 성질, 균열 발생 및 잔류 응력의 비파괴적인 정량 평가에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
Introduction
마이크로 / 나노 스케일 변형 측정은 기계적 특성, 불안정한 거동, 잔류 응력 및 첨단 소재의 균열 발생을 평가하는 데 필수적입니다. 광학 기술은 비접촉, 전계 및 비파괴이므로 지난 수십 년 동안 변형 측정을 위해 다양한 광학 방법이 개발되었습니다. 최근, 마이크로 / 나노 스케일 변형 측정 기술은 주로 모아레 법 1 , 2 , 3 , 4 , 기하 위상 분석 (GPA) 5 , 6 , 푸리에 변환 (FT), 디지털 이미지 상관 (DIC) 전자 스펙 클 패턴 간섭계 (ESPI). 이 기술들 중에서 GPA와 FT는 다중 주파수가 존재하기 때문에 복잡한 변형 측정에 적합하지 않습니다. DIC 방법은 sim입니다.변형 캐리어가 랜덤 스페 클 (random speckle)이기 때문에 소음에 대한 무력감. 마지막으로 ESPI는 진동에 매우 민감합니다.
마이크로 / 나노 스케일의 모아레 법 중에서 가장 일반적으로 사용되는 방법은 전자 스캐닝 모아레 7 , 8 , 9 , 레이저 스캐닝 모아레 10 , 11 및 원자 힘 현미경 (AFM) 모아레 12 와 같은 현미경 스캐닝 모아레 법입니다 , 디지털 / 겹침 모아레 13 , 14 , 15 방법 및 곱셈 / 분수 모아레 방법 16 , 17 과 같은 현미경 기반의 모아레 방법이 있습니다. 스캔 모아레 방법은 넓은 시야, 높은 해상도lution, 무작위 소음에 둔감합니다. 그러나 기존의 스캔 모아레 방법은 샘플 스테이지 또는 스캔 방향을 90 ° 회전시키고 두 방향으로 모아레 무늬를 생성하기 위해 두 번 스캔해야하기 때문에 2D 변형 측정에 불편합니다 18 . 회전 및 이중 스캐닝 프로세스는 회전 오차를 유발하고 오랜 시간이 걸리며 2D 변형의 측정 정확도, 특히 전단 응력에 심각하게 영향을 미칩니다. 시간 위상 시프트 기술 19 , 20 은 변형 측정 정확도를 향상시킬 수 있지만 동적 테스트에 부적합한 시간 및 특수 위상 시프트 장치가 필요합니다.
샘플링 모아레 법 (21 , 22) 은 변위 측정에서 높은 정확도를 가지며, 현재 자동차 p나귀. 샘플링 모아레 법을 마이크로 / 나노 스케일 2D 스트레인 측정으로 확장하기 위해 2 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 재구성 된 멀티 플라이어 모아레 법이 새로 개발되었으며이 측정법은 측정 값이 두 배로 민감하며 스캔 모아레 법이 유지된다. 또한 공간 위상 편이 샘플링 모아레 법은 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 개발되어 고정밀 변형률 측정이 가능합니다. 이 프로토콜은 상세한 변형률 측정 절차를 소개하며 연구원 및 엔지니어가 변형 측정 방법을 배우고 재료 및 제품의 제조 프로세스를 개선하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.
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Protocol
1. 시편의 미세 나노 눈금 확인
- 시편의 가공
- 현미경 ( 예 : 1x5x30mm3)에서 사용되는 특정 로딩 장치에 필요한 크기로 표본을 자르고 관찰 할 표면을 관심 영역보다 1.5x 크게 만듭니다.
- 자동 폴리싱 기계 ( 예 : SiC 호 320 번을 3 분간, # 800을 150 rpm으로 1 분간 사용)에 거친 미세한 모래지를 사용하여 관측 할 표본 표면을 관찰합니다 ( 예 : 1 x 30mm 2 ). 30 N). 각 연마 단계 후에 물을 사용하여 시험편을 청소하십시오.
- 동일한 시험편 표면을 자동 연마기 ( 예 : 5 분 동안 DP- 스프레이 P 15 μm, 8 분 동안 P 1 μm, 150 rpm에서 10 분 동안 P 0.25 μm 사용)에 대해 거친 연마제 및 미세 연마제를 사용하여 연속 연마합니다. 30 N). 각 연마 후 물로 표본을 닦으십시오.g 단계.
- 샘플에주기적인 패턴이 없다면 Micro / Nano-scale Grid의 제작
참고 : 자연스러운주기 패턴이 시편 표면의 마이크로 / 나노 스케일에 존재하는 경우이 단계를 생략 할 수 있습니다. 자외선 (UV) 또는 가열 나노 임프린트 리소그래피 (NIL) 26 , 전자 빔 리소그래피 (EBL) 2 및 집속 이온 빔 (FIB) 밀링 6 에서 그리드 제조 방법을 선택하십시오.
참고 : 예를 들어 UV NIL을 사용하여 그리드 제조 프로세스를 소개합니다.- 피펫을 사용하여 시료 표면에 UV 레지스트 2 mL를 떨어 뜨립니다.
- 스핀 코터를 사용하여 1,500 rpm에서 60 초 동안 시편 표면의 레지스트를 코팅합니다.
- 0.2 MPa의 압력에서 나노 임프린트 금형을 레지스트 층에 눌러 라. 30 초 동안 375 nm 파장의 UV에 레지스트를 노출 시키십시오.
- 나노 임프린트 금형을 시편 표면과 분리하십시오.
- 현미경을 이용한 시편 격자의 관찰
- 이온 코터를 사용하여 그리드 표면에 3-10 nm 두께의 백금 또는 금층을 코팅합니다 ( 예 : 3 Pa에서 30 초 동안 스퍼터링 전류 30 mA로 코팅).
- 표본을 레이저 스캐닝 현미경 (LSM) 23에 놓습니다.
참고 : 투과 전자 현미경 (TEM) 5 , 원자력 현미경 (AFM) 12 또는 주사 전자 현미경 (SEM) 7 과 같은 다른 현미경도 사용할 수 있습니다. - 현미경의 이미지 레코딩 소프트웨어에서 "Capture"및 "File | Export | Image File"을 클릭하여 현미경을 사용하여 포커스를 조정하고 하나의 격자 이미지를 저장합니다.
- 격자 이미지로부터 표본의 격자 피치 (nm 또는 μm) 계산
- 10 gr 이상의 평균값 계산ID는 주사 또는 렌즈 왜곡의 잠재적 인 영향을 피하기 위해 그리드 이미지의 중앙 영역에 투구됩니다.
참고 : 표본의 그리드는 실온에서 며칠 동안 저장할 수 있습니다.
- 10 gr 이상의 평균값 계산ID는 주사 또는 렌즈 왜곡의 잠재적 인 영향을 피하기 위해 그리드 이미지의 중앙 영역에 투구됩니다.
2. 적재 시험에서 격자 이미지 획득
- 현미경으로 하중 시험 준비
- 현미경으로 인장, 압축, 가열 또는 전기 적재 장치와 같은 로딩 장치에 시편을 고정시킵니다.
참고 : 그리드 피치가 20 nm보다 작 으면 TEM 또는 AFM을 사용해야합니다. 그리드 피치가 20nm 내지 10㎛이면, SEM이 사용될 수있다. 그리드 피치가 400 nm보다 크면 LSM을 사용할 수 있습니다. - 특정 요구 사항에 따라 하중 속도 ( 예 : 0.01 mm / s)와 하중 또는 변위 증분 단계 ( 예 : 0.5 N / 단계 또는 0.024 mm / 단계)를 설정하십시오. 하중과 변위를 모두 0으로 미리 설정하십시오.
- 그리드 서핑 만들기관측 평면에 에이스. 현미경의 샘플 스테이지를 움직이거나 회전시켜 낮은 배율에서 관심 영역을 선택하십시오.
- 이미지의 격자 피치를 1.8 x 1 픽셀 크기보다 크게하여 적절한 배율을 선택하십시오.
참고 : 일반적으로 이미지의 격자 피치를 2 픽셀 이상으로 만드는 것이 좋습니다. 하나의 격자 피치가 더 많은 픽셀에 해당할수록, 변형 측정의 정확도가 높아지지만 측정 시야가 더 작아집니다.
- 현미경으로 인장, 압축, 가열 또는 전기 적재 장치와 같은 로딩 장치에 시편을 고정시킵니다.
- 로딩 테스트에서 그리드 이미지 모음
- 현미경의 이미지 레코딩 소프트웨어에서 "Capture"및 "File | Export | Image File"을 클릭하여로드하기 전에 관심 영역의 그리드 이미지를 저장하십시오.
- 로드 장치의 운영 소프트웨어를 사용하여 첫 번째로드 단계 ( 예 : 0.5 N 또는 0.024 mm)를 실행하여 현미경에 시편을로드하기 시작합니다.
- 기록현미경의 이미지 기록 소프트웨어에서 "Capture"및 "File | Export | Image File"을 클릭하여 첫 번째로드 단계 ( 예 : 0.5 N 또는 0.024 mm) 후 관심 영역의 그리드 이미지를 정렬하십시오. 현미경의 배율과 작동 거리가 변하지 않도록하십시오.
- 적재 장치를 사용하여 각 적재 단계를 수행하여 시험편을 계속 적재하십시오. 시편이 깨지거나 일정 값에 도달 할 때까지 ( 예 : 1 N, 1.5 N, 2.0 N, ..., 10 N, 19 간격으로로드하고 0.5 간격으로 19 개 격자 이미지를 기록 할 때까지) N, 또는 0.048mm, 0.072mm, 0.096mm, ..., 0.48mm, 0.024mm 간격). 현미경의 배율과 작동 거리가 변하지 않았는지 확인하십시오.
참고 : 그리드 이미지는 임의의 시간 동안 저장할 수 있습니다.
3. Def 전후 모아레 무늬 샘플링 생성정사
- 격자 이미지의 격자 피치 (픽셀) 추정
- 이미지 처리 소프트웨어 ( 예 : Microsoft 그림판)에서 인접한 두 격자 점의 중심 사이의 거리를 측정하여로드하기 전에 격자 이미지의 격자 피치 (단위 : 픽셀)를 계산합니다.
- 최대 부하에서 그리드 이미지의 그리드 피치를 추정합니다.
- 샘플링 피치 (픽셀)의 결정
- 변형 전후의 그리드 피치가 1.8 ~ 2.5 픽셀 일 때 3.2.2 단계로 이동합니다. 변형 전후의 그리드 피치가 2.4 ~ 3.6 픽셀 인 경우 3.2.3 단계로 건너 뜁니다. 변형 전후의 그리드 피치가 3.2 픽셀보다 큰 경우 3.2.4 단계로 건너 뜁니다.
- 샘플링 피치를 T = 2 픽셀로 설정하십시오. 3.3 단계로 건너 뜁니다.
- 샘플링 피치를 T = 3 픽셀로 설정하십시오. 3.3 단계로 건너 뜁니다.
- 샘플링 피치 T 를 양수로 설정하십시오.풍부한 시뮬레이션 결과로 결정된, 변형 전후의 그리드 피치의 0.75 배와 1.25 배의 정수.
참고 : 3.2.1 및 3.2.4 단계의 요구 사항을 충족하는 2 개의 양의 정수가있는 경우 큰 정수를 샘플링 피치로 선택하는 것이 좋습니다. 요구 사항을 충족시키는 3 개 이상의 양의 정수가있는 경우 샘플링 피치보다 약간 큰 중간 정수를 선택하는 것이 좋습니다.
- 변형 전 샘플링 모아레 줄무늬 생성
- 변형되기 전에 그리드 이미지를 엽니 다. x 방향을 우측으로, y 방향을 수직 방향으로하고, 좌표 (0, 0)를 좌상 구석으로하고, x 방향의 화상 폭 W 및 y 방향의 상 높이 H 를 산출한다 .
참고 : y 방향은 다음과 같이 정의 할 수도 있습니다.수직 상향으로. - 3.3.3 단계로 이동하여 모아레 무늬를 y 방향으로 생성합니다. x 방향으로 모아레 무늬를 생성하려면 3.3.7 단계로 건너 뜁니다.
- 저역 통과 필터 (LPF)를 사용하여 그리드 이미지를 격자 이미지로 처리합니다. 예를 들어 FT 알고리즘을 사용하여 주 방향이 x 인 격자를 억제합니다. 주 방향은 격자 선에 수직 인 방향으로 정의됩니다. 필터 크기를 그리드 피치에 가깝게 설정하십시오.
- y = k 픽셀 ( k = 0) ( 그림 1 )에서 샘플링 피치 T ( T ≥2)의 간격을 사용하여 여러 가로선의 회색 값만 추출하여 그리드 이미지를 엷게 만듭니다. y = k 픽셀, y = k + T 픽셀, ..., y = k + iT 픽셀의 샘플링 라인에서의 값, 여기서 i 는 a양의 정수). 마지막 샘플링 라인 k + iT 의 좌표를 이미지 높이 H 보다 작게 만듭니다.
- 수평 샘플링 라인으로 이미지의 전계 강도 보간 (선형 또는 B 스플라인)을 수행하여 y 방향으로 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다.
- 1 픽셀의 증분 단계에서 k 를 변경하여 3.3.4 및 3.3.5 T -1 번 단계를 반복하여 y 방향으로 다른 T -1 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다 ( 예 : 시닝의 시작점을 y = k로 이동). k = 1, ..., T -1)을 생성한다.
- 단계 3.3.3에서 x 를 y 로 변경하고, 이미지 높이 H 를 이미지 너비 W 로 변경하여 3.3.3-3.3.6 단계와 동일한 절차를 사용하여 x 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다 단계 3.3에서 y 를 x 로 변경합니다.4-3.3.6.
참고 : x 방향의 샘플링 피치는 y 방향의 샘플링 피치와 다를 수 있습니다.
- 변형되기 전에 그리드 이미지를 엽니 다. x 방향을 우측으로, y 방향을 수직 방향으로하고, 좌표 (0, 0)를 좌상 구석으로하고, x 방향의 화상 폭 W 및 y 방향의 상 높이 H 를 산출한다 .
- 변형 후 샘플링 모아레 줄무늬의 생성
- 다른로드에서 모든 그리드 이미지를 엽니 다. 격자 이미지의 수가 N 이라고 가정합니다.
- 3.3.3-3.3.6 단계를 반복하여 Y 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 모아레 무늬의 N 그룹을 생성합니다.
- 3.3.7 N 단계를 반복하여 x 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 모아레 무늬의 N 그룹을 생성합니다.
4. 하중 시험시 시편의 변형 측정
- 변형 전후의 모아레 무늬의 강도 측정
- t에서 변형되기 전에 T- step 모아레 무늬의 강도를 추출합니다.3.3.5 및 3.3.6 단계에서 y 방향; 단계 3.3.7에서 x 방향의 므와 르 강도를 결정한다. 다음 방정식 23을 사용하여 j ( j = x , y ) 방향으로 변형하기 전의 T- 스텝 (T≥2) 모아레 강도를 기술하십시오.
(1)
여기서 p j 는 j ( j = x , y ) 방향에서 변형되기 전의 그리드 피치, A 는 변조 된 진폭, D 는 배경 및 고주파 강도를 포함합니다. - 단계 3.4.2에서 y 방향 변형 후 T- 스텝 모아레 무늬의 강도를 추출하고 3.4.3 단계에서 x 방향의 모아레 강도를 결정합니다. 변형 후 T- step (T≥2) 모아레 강도를 기술하십시오.J ( k ), pj, A 및 D 를 I 'm, j ( k ), p '로 변경함으로써 상기 식 (식 1)과 동일한 방정식을 사용하여 j ( j = x , y ) j , A ', D '와 같이 나타낼 수있다.
참고 : 샘플링 피치가 3 픽셀 이상인 경우이 단계를 무시하고 4.3 단계로 건너 뜁니다.
- t에서 변형되기 전에 T- step 모아레 무늬의 강도를 추출합니다.3.3.5 및 3.3.6 단계에서 y 방향; 단계 3.3.7에서 x 방향의 므와 르 강도를 결정한다. 다음 방정식 23을 사용하여 j ( j = x , y ) 방향으로 변형하기 전의 T- 스텝 (T≥2) 모아레 강도를 기술하십시오.
- 다음의 식 23을 사용하여 변형 이전에 2 단계 샘플링 모아레 강도 ( 그림 1a ) 간의 곱셈 간섭으로부터 곱셈 모아레 무늬를 재구성합니다
(2)
여기서 나는 멀티, j 는 강도 o를 의미한다.f : 변형 전의 j ( j = x , y ) 방향으로 재구성 된 곱셈 모아레 줄무늬. - 프린지 센터링 기술을 사용하여 변형하기 전에 재구성 된 다중화 모아레 줄무늬를 처리합니다 24 . 연속 된 정수와 반 정수 fj = [1, 1.5, 2, 2.5, ...]를 재구성 된 곱셈 모아레의 중심선에서 프린지 순서에 할당하십시오.
참고 : 곱셈 모아레 무늬가 너무 조밀하면 두 단계 샘플링 모아레의 프린지 순서가 먼저 결정될 수 있습니다 ( 즉, f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] 및 fj (1) = [0, 1.5, 0, 2.5, 0, 3.5, ...]). 곱셈 모아레 줄무늬의 프린지 순서는 fj = fj (0) + fj (1) = [1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, ...]가 될 것이다. 강체 변위는 변형률 결과에 영향을 미치지 않습니다. - 다음 식 23을 사용하여 샘플링 피치에 대한 변형 이전의 시험편의 상대 변형률을 측정합니다
(삼)
(4)
여기서 u j _rela 와 ε j _rela 는 각각 j ( j = x , y ) 방향에서의 변형 전의 시편의 상대 변위와 상대 변형률을 나타내고, γ xy _rela는 변형 전의 상대 전단 변형률을 나타낸다. - I multi, j , I m, j (0), I m, j를 변화시켜 N 회 동안 x 및 y 방향으로 변형시킨 후 시험편의 상대 변형을 결정하기 위해 4.2.1-4.2.3 단계를 반복 한다. (2) - (4)에서 I ' multi, j , I ' , j ' , j ' , j ' y '), ε'j_rela , 및 γ ' xy_rela 를 각각 사용하여, 각각 m, j (0), I 'm, j (1), p'j , A ', D ' 여기서 위 첨자 단일 인용 부호는 변형 이후를 의미합니다.
- j ( j = x , y ) 방향의 실제 수직 변형량 ε j 를 결정합니다.이 방향은 격자 피치와 전단 변형률 γ xy 의 상대 변화입니다.e 변형 전후의 상대 변형률에 의한 하중에 의한 시험편의 그리드 각도 변화 20 .
(5)
(6)
- 다음의 식 23을 사용하여 변형 이전에 2 단계 샘플링 모아레 강도 ( 그림 1a ) 간의 곱셈 간섭으로부터 곱셈 모아레 무늬를 재구성합니다
- 변형 측정 샘플링 피치가 T ≥ 3 픽셀 인 경우
- 공간 위상 이동 기술을 사용하여 k = 0 일 때 변형 이전에 j ( j = x , y ) 방향으로 샘플링 모아레 무늬의 위상을 계산합니다 ( 그림 1b ).
(7) - φ = m 을 대입하여 k = 0 일 때 변형 후 j ( j = x , y ) 방향으로 샘플링 모아레 무늬의 위상을 얻는다 .
φ ' m, j 및 I 'm, j ( k )로 각각 식 (7)에서 I m, j 및 I m, j ( k ) N 개의 로드에 대해 N 번 반복합니다.
참고 : 4.3.1 및 4.3.2 단계의 위상 분포에 너무 많은 무작위 노이즈가있는 경우 sin / cos 필터 25 를 사용하여 위상을 평활화 할 수 있습니다. - 변형 전후의 j ( j = x , y ) 방향 ( 즉, Δ φ m, j = φ m, j - φ m, j )에서의 샘플링 모아레 무늬의 위상차를 결정한다.
- 변위의 분포 u j , 정상 변형 ε j 를 j = x , y ) 방향과 하중에 의한 시편의 전단 변형률 γ xy 를 구한다. 다음 방정식 6 , 21을 사용하십시오.
(8)
(9)
(10)
참고 : 변형률 분포에 너무 많은 노이즈가있는 경우 필터 크기가 2 그리드 피치보다 작은 평균 평활화 필터를 사용할 수 있습니다.
- 공간 위상 이동 기술을 사용하여 k = 0 일 때 변형 이전에 j ( j = x , y ) 방향으로 샘플링 모아레 무늬의 위상을 계산합니다 ( 그림 1b ).
- 결과 저장소
- .tif 또는 .bmp 파일과 같은 이미지 형식 및 .txt 또는 .csv와 같은 텍스트의 모아레 무늬, 위상 (샘플링 피치가 T ≥3 픽셀 일 때), 변위 및 변형을 저장합니다. 파일.
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Representative Results
2 개의 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP) 시편 (# 1 및 # 2)의 2D 변위 및 변형률 분포는 모아레 형성 원리 23 및 측정 프로세스 ( 그림 1 )에 따라 측정되었습니다. CFRP 시험편은 직경이 10-11 μm 인 K13D 탄소 섬유와 에폭시 수지로 만들어졌다. CFRP # 1의 변형은 2 단계 샘플링 모아레 무늬에서 재구성 된 곱셈 모아레 법을 사용하여 결정되었고, CFRP # 2의 것은 3 단계 샘플링 모아레 무늬로부터 공간 위상 변이 샘플링 모아레 법을 사용하여 측정되었다.
A) CFRP # 1의 변형 측정
CFRP # 1의 두께, 길이 및 폭은 각각 1 mm, 22 mm 및 4 mm입니다 ( 그림 2a ). 길이 d모든 섬유의 방향은 1x22mm2 표면에 수직이었으며, 이는 샌드 페이퍼 및 연마 용액을 사용하여 연마되었다. 3.0μm 피치의 그리드는 UV 나노 임프린트 리소그래피를 사용하여 연마 된 표면 상에 제조되었다 ( 그림 2b ). 가장 큰 인장 변형을 모니터링하기 위해 스트레인 게이지를 바닥 4x22mm 2 표면에 붙여 넣었다.
3 점 굽힘 시험은 레이저 스캐닝 현미경 하에서 16 mm의지지 간격을 갖는 하중 지그를 사용하여 CFRP # 1에서 수행되었다. 스팬 - 심도 비율은 미국 재료 시험 협회 (ASTM) 표준에 따라 16이었다. 스트레인 게이지 값이 0과 0.00533 일 때 그리드 이미지 ( 그림 2b )가 기록되었습니다. 현미경의 대물 렌즈의 배율은 5 배이고, 스캐닝 해상도는 1,024 x 1,024이다. x 방향은 가로 방향입니다.y 방향은 수직 상향이다.
x 와 y 방향 모두에서 CFRP # 1의 그리드 피치는 기록 된 이미지에서 약 2 픽셀 이었기 때문에 두 방향의 다운 샘플링 피치는 변형 측정을 위해 T = 2 픽셀로 설정됩니다. 스캐닝 왜곡의 잠재적 영향을 피하기 위해 1.26 x 0.53 mm 2 크기의 중앙 영역이 관심 영역으로 선택되었습니다. 2- 픽셀 다운 샘플링과 식 (2)에서 2 단계 샘플링 모아레 패턴과 재구성 된 곱셈 모아레 패턴이 변형 후 생성되었습니다 ( 그림 2c ). 방정식 (3) 및 (4)를 사용하여, 변형 게이지 값이 0.00533 일 때 샘플링 피치에 대한 변형이 계산되었다. 유사하게, 변형 게이지 값이 0 일 때의 상대적 변형이 또한 얻어졌다. 마지막으로, 실제 변형 분포, inc방정식 (5)와 (6)을 사용하여 2D 변위 ( 그림 2d ), 2D 법선 변형률 및 전단 변형률 ( 그림 2e )을 측정했습니다.
변위 분포 ( 그림 2d )에서 x- 방향 변위는 왼쪽 위와 오른쪽 아래 모서리에서는 양의 값이지만 다른 두 모서리에서는 음수 값입니다. y- 방향 변위는 전체 영역에서 음이며 중앙 영역에서 최소이다. 이것은 굽힘 시험편의 변형 특성과 잘 일치합니다. 변형률 분포 ( 그림 2e )로부터 상부 영역은 x 방향으로 압축 변형을 가지지 만 y 방향으로는 인장 변형을 지니고 하부 영역은 x 방향에서 인장 변형을 가지지 만 y 방향에서 압축 변형을 가지며, 이는 흥미로운 변형을 나타낸다 기음독 특성. 전단 변형률은 굽힘 특성에 따라 왼쪽 영역에서는 음이며 오른쪽 영역에서는 양수입니다.
B) CFRP # 2의 변형 측정
적층 CFRP # 2의 두께, 길이 및 폭은 각각 1 mm, 30 mm 및 5 mm이다 ( 그림 3a ). 8 층이 있고, 각 층의 두께는 0.13mm이다. 모든 섬유의 길이 방향은 1 x 30 mm 2 표면에 직각이었으며,이 표면은 모래 종이와 연마 용액을 사용하여 연마되었습니다. 3.7μm 피치의 그리드는 UV 나노 임프린트 리소그래피 ( 그림 3b )를 사용하여 연마 된 표면에 가공되었습니다.
3 점 굽힘 시험은 레이저 스캐닝 현미경 하에서 16 mm의지지 간격을 갖는 하중 지그를 사용하여 수행되었다. span-to-d깊이의 비율은 또한 16이었다. 0.2 N 예압에서 그리드 이미지가 처음으로 기록되었다. 하중이 10.8 N이고 처짐이 -200 μm 일 때 변형 된 격자 이미지도 기록되었습니다 ( 그림 3b ). 현미경의 대물 렌즈의 배율은 5 배이고, 결상 줌은 120 %이고, 스캐닝 해상도는 1,024 x 1,024 픽셀이다. x 방향은 수평 방향 오른쪽이고 y 방향은 수직 방향 상향입니다.
CFRP # 2의 x 방향 과 y 방향의 그리드 피치는 기록 된 이미지에서 약 3 픽셀 이었으므로 두 방향의 다운 샘플링 피치는 변형 측정을 위해 T = 3 픽셀로 설정됩니다. 스캐닝 왜곡의 잠재적 영향을 피하기 위해 1.15 x 0.49 mm 2 크기의 중앙 영역을 관심 영역으로 선택했습니다. 단계 4.3에 설명 된 방법을 사용하여 모아레 위상 차이x 방향 과 y 방향으로 0.2N과 10.8N의 번짐이 얻어졌다 ( 그림 3c ). 2D 평면 내 변위 ( 그림 3D ), 2D 법선 변형 및 전단 변형 ( 그림 3e )의 분포가 결정되었습니다.
CFRP # 2의 변위 분포 ( 그림 3d )는 y 방향 변위가 약간 다르다는 점을 제외하면 CFRP # 1 ( 그림 2d )과 유사합니다. x- 방향 변형과 CFRP # 2의 전단 변형 ( 그림 3e )의 특징은 CFRP # 1 ( 그림 2e )의 것과 유사하며 굽힘 시험편의 변형 형상과 일치합니다. 그러나, CFRP # 2의 y- 방향 변형 ( 그림 3e )은 다르다CFRP # 1은 CFRP # 2가 라미네이트 된 시험편이기 때문에 CFRP # 1의 것보다 빠르다. y- 방향 변형의 분포로부터 여러 층이 관찰 될 수 있는데, 이는 전체 영역에서 거의 음의 값을 갖는다.
그림 1 : 모아레 형성 원리 및 측정 과정 샘플링. ( a ) 샘플링 피치가 T = 2 픽셀 인 경우 2 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 재구성 된 모아레의 생성 원리. ( b ) 샘플링 피치가 T ≥3 픽셀 일 때 다단계 위상 시프트 샘플링 모아레 프린지의 형성 원리 및 모아레 위상에 대한 측정 프로세스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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그림 2 : CFRP # 1의 변형 측정 결과. ( a ) 레이저 현미경 및 시편 다이어그램에서의 3 점 굽힘 시험의 실험 설정. ( b ) 마이크로 그리드가있는 CFRP # 1의 표면 관찰. ( c ) 스트레인 게이지 값이 0.00533 일 때 2 단계 샘플링 모아레 패턴과 재구성 된 곱셈 모아레 패턴. ( d ) x 와 y 방향으로 측정 된 변위 분포. ( e ) CFRP # 1의 x 방향, y 방향 및 전단 변형의 측정 된 분포. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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그림 3 : 적층 CFRP # 2의 변형 측정 결과. ( a ) 레이저 현미경을 이용한 3 점 굽힘 시험도. ( b ) 마이크로 그리드가있는 CFRP # 2의 표면 관찰. ( c ) x 및 y 방향으로 0.2 N 예압 및 10.8 N 하중에서 샘플링 모아레 무늬의 래핑 된 위상 (범위 : -π ~ π) 분포. ( d ) x 방향 과 y 방향으로 측정 된 변위 분포. y 방향의 처짐 (-200 μm)이 표시되지 않았습니다. ( e ) CFRP # 2의 x 방향, y 방향 및 전단 변형의 측정 된 분포. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
설명 된 기술에서 표본에 주기적 패턴이없는 경우 도전 과제 중 하나는 도전 과제 인 마이크로 / 나노 스케일 그리드 또는 격자 (그리드로 약칭 ) 입니다. 그리드 피치는 변형 측정에 중요한 매개 변수이기 때문에 변형 전에 일정해야합니다. 재료가 금속, 금속 합금 또는 세라믹 인 경우, UV 또는 가열 나노 임프린트 리소그래피 (NIL) ( 27) , 전자빔 리소그래피 (EBL) 2 , 집속 이온빔 (FIB) 밀링 ( 6 ) 또는 그리드 복제 법 (26) 익숙한. 재료에 약한 폴리머가 포함되어 있으면 EBL 및 FIB 밀링이 제안되지 않습니다. 재료의 구성 요소가 내열성이 아닌 경우 NIL을 사용할 수 없습니다. 시험편이 박막 인 경우, 시험편을 분리하는 것이 쉽지 않기 때문에 그리드 복제 방법을 적용하기 어렵다.
의 중요한 단계는제안 된 기법을 사용하여 변형 전후의 그리드 이미지의 변형률 측정은 종래의 간섭 모아레 무늬의 형성 원리와 다른 원리 인 샘플링 모아레 무늬 (22 )의 생성이다. 명료 한 샘플링 모아레 무늬를 생성하기 위해 FT 알고리즘과 같은 저역 통과 필터를 사용하여 원하지 않는 선이나 점을 억제 할 수 있습니다. 샘플링 모아레 줄무늬가 다운 샘플링 ( 예 : 격자 이미지 thin아 내기) 및 선형 강도 보간 후에 불규칙한 경우 평균 필터와 같은 평활화 필터를 다운 샘플링 전에 채택 할 수 있습니다. 두 번째 또는 세 번째 B- 스플라인 보간 알고리즘을 사용하여 뚜렷한 샘플링 모아레 무늬를 생성하는 강도 보간에 사용할 수 있습니다.
전통적인 모아레 법과 비교할 때, 스트레인 분포 측정을 위해 제안 된 샘플링 모아레 기법은간단한 2D 변형 측정 및 간단한 가공, 고속, 높은 변형 민감도 및 높은 측정 정확도 23 . 2D 스트레인 측정은 종래의 방법에서 필요로하는 현미경의 샘플 스테이지 또는 스캐닝 라인을 회전시키지 않고도 용이하게 수행 될 수있다. 또한 필요한 정보가 각 하중에서 단일 샷 그리드 이미지이기 때문에 동적 변형을 측정 할 수 있습니다. 이것은 시간상 위상 변이 모아레 방법으로는 수행 할 수 없으며, 각 그리드 또는 모아레 이미지는 각 부하에서의 시간과 함께 필요하기 때문입니다.
설명 된 기술로 마이크로 / 나노 저울에서 2D 변형 측정을 쉽게 할 수 있지만 다른 기술과 마찬가지로 한계가 있습니다. 기록 된 이미지의 격자 피치는 2 픽셀 또는 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬를 생성하기 위해 1.8 픽셀보다 커야합니다. 이미지의 격자 피치가 약 2 pi 인 경우2 픽셀 샘플링 모아레 줄무늬는 같은 배율에서 동일한 시야로 현미경 스캐닝 모아레 줄무늬 대신 사용할 수 있습니다. 그러나 이미지의 격자 피치가 고유 한 스캐닝 모아레 경계를 직접 관찰 할 수있는 경우 현미경의 최고 스캐닝 해상도에서 약 1 픽셀 인 경우 샘플링 모아레 무늬가 동일한 배율로 형성 될 수 없습니다. 현미경 배율을 높이면 모아레 무늬 샘플링이 생성 될 수 있지만 변형 측정을위한 시야가 감소합니다. 다행히 상업용 현미경의 스캐닝 해상도가 향상되고 있으며 대부분의 경우 모아레 무늬를 샘플링 할 수 있습니다. 스캐닝 해상도가 높을수록 그리드 피치 하나의 픽셀 수가 커지고 변형 측정 정확도가 높아집니다.
2 픽셀 샘플링 모아레 fri에서 재구성 된 곱셈 모아레 방법과 반대되는 점다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 공간 위상 시프트 샘플링 모아레 방법은 처리 속도가 빨라지고 측정 정확도는 더 높지만 시야는 더 작아진다. 방법 선택은 표본 그리드 피치의 픽셀 수 또는 표본 그리드 피치의 픽셀 수를 제어 할 수있는 경우 필요한 측정 정확도 및 시야각에 따라 달라집니다. 두 가지 방법 모두 비파괴 변형 측정을하고 기계적 특성, 균열 발생 및 성장, 잔류 응력, 결함 탐지, 구조적 특성 등을 정량적으로 평가하는 데 유용합니다 .
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작업은 JSPS KAKENHI, 교부금 번호 JP16K17988 및 JP16K05996 및 내각부가 운영하는 구조적 재료 (SIP-IMASM)에 대한 혁신적인 측정 및 분석의 D66 부서 간 전략적 혁신 진흥 프로그램에 의해 지원되었습니다. 저자는 또한 Drs에게 감사하고 있습니다. NIMS의 Kishimoto Satoshi와 Naito Kimiyoshi의 CFRP 자료.
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 |
References
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