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Engineering

Medición de la distribución de las microescenas a escala nanométrica a partir del muestreo

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

Se presenta aquí una técnica de moiré de muestreo con métodos de muestreo de 2 píxeles y multipíxeles para medidas de distribución de deformación de alta precisión a escala micro / nano.

Abstract

Este trabajo describe el procedimiento de medición y los principios de una técnica de muaré de muestreo para mediciones de deformación de campo completo de micro / nano escala. La técnica desarrollada puede realizarse de dos maneras: usando el método moiré de multiplicación reconstruido o el método moiré de muestreo de desplazamiento de fase espacial. Cuando el paso de rejilla de la muestra es de alrededor de 2 píxeles, se generan franjas de moiré de muestreo de 2 píxeles para reconstruir un patrón de multiplicación de moiré para una medición de deformación. Tanto las sensibilidades de desplazamiento como de deformación son dos veces más altas que en el método tradicional de moiré de exploración en el mismo amplio campo de visión. Cuando el paso de rejilla de la muestra es alrededor o mayor de 3 píxeles, se generan franjas de moiré de muestreo de múltiples píxeles y se combina una técnica de desplazamiento de fase espacial para una medición de deformación de campo completo. La precisión de medición de deformación se mejora significativamente y la medición automática de lotes es fácilmente alcanzable.Ambos métodos pueden medir las distribuciones de deformaciones bidimensionales (2D) a partir de una imagen de cuadrícula de un solo disparo sin girar las muestras o líneas de exploración, como en las técnicas de moiré tradicionales. Como ejemplos, se midieron las distribuciones de desplazamiento y de deformación 2D, incluidas las cepas cortantes de dos especímenes de plástico reforzado con fibra de carbono, en ensayos de flexión en tres puntos. Se espera que la técnica propuesta desempeñe un papel importante en las evaluaciones cuantitativas no destructivas de las propiedades mecánicas, las ocurrencias de grietas y las tensiones residuales de una variedad de materiales.

Introduction

Las medidas de deformación micro / nano escala son vitales para evaluar las propiedades mecánicas, comportamientos de inestabilidad, tensiones residuales y fenómenos de fisuras de materiales avanzados. Dado que las técnicas ópticas son sin contacto, de campo completo y no destructivas, se han desarrollado varios métodos ópticos para la medición de deformación durante las últimas décadas. En los últimos años, las técnicas de medición de deformación micro / nano escala incluyen principalmente los métodos moiré 1 , 2 , 3 , 4 , análisis de fase geométrica (GPA) 5 , 6 , transformación de Fourier (FT), correlación de imagen digital (DIC) Interferometría electrónica de patrones de manchas (ESPI). Entre estas técnicas, el GPA y el FT no son adecuados para mediciones de deformación complejas porque existen múltiples frecuencias. El método de DIC es simPero impotente contra el ruido porque el portador de la deformación es moteado al azar. Por último, ESPI es muy sensible a la vibración.

Entre los métodos de moiré micro / nano escala, los métodos más comúnmente utilizados actualmente son los métodos de moiré de escaneo con microscopio, como el moiré de exploración de electrones 7 , 8 , 9 , el moiré 10 , 11 de exploración láser y el moiré de fuerza atómica 12 , Y algunos métodos de moiré a base de microscopio, como el método de moiré digital / superpuesto 13 , 14 , 15 y el método de multiplicación / fracción de moiré 16 , 17 . El método moiré de exploración tiene muchas ventajas, tales como un amplio campo de visión, alto resoY la insensibilidad al ruido aleatorio. Sin embargo, el método de moiré de exploración tradicional es inconveniente para las mediciones de deformación 2D porque es necesario girar la etapa de muestreo o la dirección de escaneado en 90 ° y escanear dos veces para generar franjas de moiré en dos direcciones 18 . La rotación y los procesos de exploración dual introducen un error de rotación y tardan mucho tiempo, influyendo seriamente en la precisión de medición de la deformación 2D, especialmente para la deformación por cizallamiento. Aunque la técnica de desplazamiento de fase temporal 19 , 20 puede mejorar la precisión de medición de deformación, requiere tiempo y un dispositivo especial de cambio de fase inadecuado para ensayos dinámicos.

El método de muaré de muestreo 21 , 22 tiene una alta precisión en las mediciones de desplazamiento y ahora se usa principalmente para mediciones de deflexión en puentes cuando los vehículos pculo. Para extender el método de moiré de muestreo a mediciones de deformación micro / nano escala 2D, se ha desarrollado recientemente un método de moiré de multiplicación reconstruido 23 a partir de franjas de moiré de muestreo de 2 píxeles, en las que las mediciones son dos veces más sensibles y el amplio campo de visión del Se mantiene el método de escaneado moiré. Además, el método de moiré de muestreo de desplazamiento de fase espacial también se desarrolla a partir de franjas de moiré de muestreo de múltiples píxeles, lo que permite mediciones de deformación de alta precisión. Este protocolo introducirá el procedimiento detallado de medición de deformaciones y se espera que ayude a investigadores e ingenieros a aprender cómo medir deformaciones, mejorando los procesos de fabricación de materiales y productos.

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Protocol

1. Confirmación de la Rejilla de Micro / Nano escala en el espécimen

  1. Mecanizado de la muestra
    1. Cortar el espécimen al tamaño requerido por el dispositivo de carga específico utilizado bajo un microscopio ( por ejemplo, 1 x 5 x 30 mm 3 ), haciendo que la superficie a observar sea 1,5 veces mayor que la región de interés.
    2. Pulir la superficie de la muestra a observar ( por ejemplo, 1 x 30 mm 2 ), utilizando sucesivamente papel grueso y de arena fina en una máquina de pulir automática ( p. Ej., Utilizar papel de SiC 320 durante 3 min y luego 800 durante 1 min a 150 rpm Y 30 N). Limpie el espécimen con agua después de cada paso de pulido.
    3. Pulir la misma superficie del espécimen, utilizando sucesivamente soluciones de pulido grueso y fino en la máquina de pulir automática ( p. Ej., Utilizar DP-Spray P 15 μm durante 5 min, P 1 μm durante 8 min y P 0,25 μm durante 10 min a 150 rpm y 30 N). Limpie el espécimen con agua después de cada pulidoG paso.
  2. Fabricación de la rejilla Micro / Nano-scale si no existe patrón periódico en la muestra
    NOTA: Este paso puede ser omitido si existe un patrón periódico natural en la escala micro / nano en la superficie de la muestra. Elija el método de fabricación de la rejilla a partir de lo siguiente: litografía por ultravioleta (UV) o nanoimpresión por calor (NIL) 26 , litografía por haz de electrones (EBL) 2 y fresado por haz de iones enfocados (FIB) 6 .
    NOTA: El proceso de fabricación de la rejilla se introduce aquí, con UV NIL como ejemplo.
    1. Deje caer 2 mL de UV sobre la superficie de la muestra usando una pipeta.
    2. Recubrir la resistencia sobre la superficie del espécimen usando un revestidor giratorio a 1.500 rpm durante 60 s.
    3. Presione un molde de nanoimpresión a la capa de resistir a una presión de 0,2 MPa. Exponer la resistencia a UV con una longitud de onda de 375 nm durante 30 s.
    4. Separar el molde de nanoimpresión de la superficie de la muestra.
    5. Observación de la rejilla en la muestra usando un microscopio
      1. Recubrir una capa de platino o oro con un espesor de 3-10 nm sobre la superficie de la rejilla usando un recubridor de iones ( por ejemplo, revestimiento durante 30 s a 3 Pa con una corriente de pulverización de 30 mA).
      2. Colocar la muestra bajo un microscopio de escaneo láser (LSM) 23 .
        NOTA: También se pueden utilizar otros microscopios, como un microscopio electrónico de transmisión (TEM) 5 , un microscopio de fuerza atómica (AFM) 12 o un microscopio electrónico de barrido (SEM) 7 .
      3. Ajuste el enfoque y guarde una imagen de cuadrícula usando el microscopio haciendo clic en "Capturar" y "Archivo | Exportar archivo de imagen" en el software de grabación de imágenes del microscopio.
    6. Cálculo del paso de la rejilla (nm o μm) del espécimen de la imagen de la rejilla
      1. Calcular el valor medio de más de 10 grId en el área central de la imagen de rejilla para evitar la influencia potencial de la exploración o distorsión de la lente.
        NOTA: La rejilla de la muestra puede guardarse durante varios días a temperatura ambiente.

    2. Adquisición de imágenes de cuadrícula en la prueba de carga

    1. Preparación de la prueba de carga bajo el microscopio
      1. Fijar el espécimen a un dispositivo de carga, como un dispositivo de tracción, compresión, calentamiento o carga eléctrica, bajo el microscopio.
        NOTA: Si el paso de la rejilla es inferior a 20 nm, debe utilizarse un TEM o AFM. Si el paso de la rejilla es de 20 nm a 10 μm, puede usarse un SEM. Si el paso de la rejilla es superior a 400 nm, puede utilizarse un LSM.
      2. Ajuste la velocidad de carga ( p. Ej. 0,01 mm / s) y el paso incremental de carga o desplazamiento ( p. Ej., 0,5 N / paso o 0,024 mm / paso) según los requisitos específicos. Preseleccione la carga y el desplazamiento a cero.
      3. Haz que la parrilla surfeAs en el plano de observación. Elija un área de interés bajo una ampliación baja moviendo o girando la etapa de muestra del microscopio.
      4. Seleccione una ampliación adecuada haciendo que el retículo de la cuadrícula en la imagen sea mayor que 1,8 × un tamaño de píxel.
        NOTA: Normalmente, es mejor hacer que el retardo de la cuadrícula en la imagen sea mayor de 2 píxeles. Cuanto más píxeles corresponda un cuadrícula, mayor será la precisión de la medición de deformación, pero menor será el campo de visión de la medición.
    2. Colección de imágenes de cuadrícula en la prueba de carga
      1. Guarde una imagen de cuadrícula del área de interés antes de cargar haciendo clic en "Capturar" y "Archivo | Exportar archivo de imagen" en el software de grabación de imágenes del microscopio.
      2. Comenzar a cargar la muestra in situ sobre el microscopio ejerciendo el primer paso de carga ( por ejemplo, 0,5 N o 0,024 mm) utilizando el software operativo del dispositivo de carga.
      3. Rec( P. Ej., A 0,5 N o 0,024 mm) haciendo clic en "Capturar" y "Archivo | Exportar archivo de imagen" en el software de grabación de imágenes del microscopio. Asegúrese de que la ampliación y la distancia de trabajo del microscopio permanecen sin cambios.
      4. Continúe cargando la muestra ejerciendo cada paso de carga usando el dispositivo de carga. Registre la imagen de la rejilla después de cada paso de carga hasta que se rompa la muestra o hasta que se alcance un cierto valor ( p. Ej., Cargue 19 veces y registre 19 imágenes de rejilla a 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, a intervalos de 0,5 N o a 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm, a intervalos de 0,024 mm). Asegúrese de que la ampliación y la distancia de trabajo del microscopio permanece sin cambios.
        NOTA: Las imágenes de cuadrícula se pueden guardar durante un período de tiempo arbitrariamente largo.

    3. Generación de las franjas de Moiré de muestreo antes y después de DefOración

    1. Estimación de Parcelas de cuadrícula (pixel) en las imágenes de cuadrícula
      1. Calcule el paso de la rejilla (unidad: píxel) en la imagen de cuadrícula antes de cargar midiendo la distancia entre los centros de dos puntos de cuadrícula adyacentes en un software de procesamiento de imágenes ( por ejemplo, Microsoft Paint).
      2. Calcule el paso de la rejilla en la imagen de rejilla a la carga máxima.
    2. Determinación del tono de muestreo (píxel)
      1. Pasar al paso 3.2.2 cuando los pasos de la rejilla antes y después de la deformación están entre 1,8 y 2,5 píxeles. Saltar al paso 3.2.3 cuando los pasos de la rejilla antes y después de la deformación están entre 2.4 y 3.6 pixeles. Pasar al paso 3.2.4 cuando los pasos de la rejilla antes y después de la deformación son mayores de 3,2 píxeles.
      2. Ajuste el paso de muestreo a T = 2 píxeles. Vaya al paso 3.3.
      3. Establezca el paso de muestreo a T = 3 píxeles. Vaya al paso 3.3.
      4. Ajuste el paso de muestreo T a un valor positivoEntero dentro de 0,75x y 1,25x la parrilla de lanzamientos antes y después de la deformación, determinada a partir de abundantes resultados de simulación [ 22] .
        NOTA: Si hay 2 enteros positivos que cumplen con los requisitos de los pasos 3.2.1 y 3.2.4, es mejor elegir el entero mayor como tono de muestreo. Si hay 3 o más números enteros positivos que cumplan los requisitos, es mejor elegir el entero medio, siempre y cuando sea un poco mayor que el tono de muestreo.
    3. Generación de muestreo de franjas de Moiré antes de la deformación
      1. Abra la imagen de la rejilla antes de la deformación. Suponiendo que la dirección x esté horizontalmente hacia la derecha, la dirección y es verticalmente hacia abajo y la coordenada (0, 0) está en la esquina superior izquierda, calcule el ancho de la imagen W en la dirección xy la altura de la imagen H en la dirección y .
        NOTA: La dirección y también se puede definir comoVerticalmente hacia arriba.
      2. Vaya al paso 3.3.3 para generar franjas de moiré en la dirección y . Pasar al paso 3.3.7 para generar franjas de moiré en la dirección x .
      3. Procese la imagen de rejilla a una imagen de rejilla usando un filtro de paso bajo (LPF). Por ejemplo, use un algoritmo FT para suprimir la rejilla, con una dirección principal de x , donde la dirección principal se define como la dirección perpendicular a las líneas de rejilla. Ajuste el tamaño del filtro para que esté cerca del paso de la rejilla.
      4. Extienda la imagen de la rejilla sólo extrayendo los valores de gris en varias líneas horizontales, con la separación del paso de muestreo T ( T ≥ 2) de y = k píxeles ( k = 0) ( es decir, sólo mantenga el gris Valores en las líneas de muestreo de y = k píxeles, y = k + T píxeles, ..., y = k + iT píxeles, donde i es un poEntero siero). Hacer la coordenada de la última línea de muestreo, k + iT , menor que la altura H de la imagen.
      5. Genere un patrón de muaré de muestreo en la dirección y realizando una interpolación de intensidad de campo completo (lineal o B-spline) de la imagen con líneas de muestreo horizontales.
      6. Genere otros patrones de moiré de muestreo T -1 en la dirección y repitiendo los pasos 3.3.4 y 3.3.5 T -1 veces cambiando k en el paso incremental de 1 píxel ( es decir, cambiando el punto de partida del adelgazamiento a y = k Píxeles, k = 1, ..., T $ ^ { - 1} $).
      7. Utilice los mismos procedimientos de los pasos 3.3.3-3.3.6 para generar patrones de moiré de muestreo de desplazamiento de fase espacial en T en la dirección x cambiando x a y en el paso 3.3.3 cambiando la altura de imagen H a la anchura de imagen W , Y cambiando y a x en los pasos 3.3.4-3.3.6.
        NOTA: El paso de muestreo en la dirección x puede ser diferente de aquel en la dirección y .
    4. Generación de las franjas de Moiré de muestreo después de la deformación
      1. Abra todas las imágenes de cuadrícula en diferentes cargas. Supongamos que el número de imágenes de cuadrícula es N.
      2. Genere N grupos de franjas de moiré espaciales de desplazamiento de fase T -paso en la dirección y repitiendo los pasos 3.3.3-3.3.6 N veces.
      3. Generar N grupos de franjas de moiré espaciales de desplazamiento de fase en T en la dirección x repitiendo paso 3.3.7 N veces.

    4. Medición de deformación de la muestra en la prueba de carga

    1. Determinación de las intensidades de las franjas de Moiré antes y después de la deformación
      1. Extraer las intensidades de las franjas de moiré T- step antes de la deformación en tLa dirección y en los pasos 3.3.5 y 3.3.6; Determine las intensidades de moiré en la dirección x en el paso 3.3.7. Describir las intensidades de moiré en T ( T ≥ 2) antes de la deformación en la dirección j ( j = x , y ) usando la siguiente ecuación 23 :
        Ecuación 1 (1)
        Donde p j es el paso de la rejilla antes de la deformación en la dirección j ( j = x , y ), A es la amplitud modulada, y D incluye las intensidades de fondo y de mayor frecuencia.
      2. Extraer las intensidades de las franjas de moiré T- step después de la deformación en la dirección y en el paso 3.4.2 y determinar las intensidades de moiré en la dirección x en el paso 3.4.3. Describir las intensidades de moiré de T-step ( T ≥ 2) después de la deformaciónEn la dirección j ( j = x , y ) usando la misma ecuación que la anterior (ecuación 1) cambiando I m, j ( k ), p j , A y D a I ' m, j ( k ), p ' J , A 'y D ', respectivamente, donde el sobrescrito cita simple significa después de la deformación.
        NOTA: Si el paso de muestreo es T ≥ 3 píxeles, ignore este paso y pase al paso 4.3.
      1. Reconstruir franjas de moiré de multiplicación a partir de la interferencia multiplicativa entre las intensidades de moiré de muestreo en dos etapas ( Figura 1a ) antes de la deformación usando la siguiente ecuación 23
        Ecuación 2 (2)
        Donde i multi, j representa la intensidad oF el moiré de multiplicación reconstruido fringe en la dirección j ( j = x , y ) antes de la deformación.
      2. Proceso de la reconstrucción de la multiplicación moiré franjas antes de la deformación mediante la técnica de centrado franja 24 . Asigne números enteros y enteros consecutivos fj = [1, 1.5, 2, 2.5, ...] a los órdenes marginales en las líneas centrales del moiré de multiplicación reconstruido.
        NOTA: Si las franjas de moiré de multiplicación son demasiado densas, los órdenes de franja del moiré de muestreo de dos etapas se pueden determinar primero ( es decir, fj ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] y F _ { j } (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). El orden marginal de las franjas de moiré de multiplicación será f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...]. El desplazamiento del cuerpo rígido no afectará el resultado de la deformación.
      3. Mida la deformación relativa del espécimen antes de la deformación con respecto al paso de muestreo usando las siguientes ecuaciones 23
        Ecuación 3 (3)
        Ecuación 4 (4)
        Donde u j _rela y ε j _rela representan el desplazamiento relativo y la deformación relativa del espécimen antes de la deformación en la dirección j ( j = x , y ), respectivamente, y γ xy _rela expresa la deformación relativa antes de la deformación.
      4. Repita los pasos 4.2.1-4.2.3 para determinar las tensiones relativas de la muestra después de la deformación en las direcciones xey para N veces, cambiando I multi, j , Im, j (0), I m, j p j , A , D, u j _rela ( j = x , y ), ε j _rela y γ xy _rela en las ecuaciones (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 y γ ' xy _rela , respectivamente , Donde el sobrescrito cita simple significa después de la deformación.
      5. Determine la deformación real real ε j en la dirección j ( j = x , y ), que es el cambio relativo del paso de la rejilla y de la deformación por cizalla, γ xy , que es el absolutE variación del ángulo de rejilla de la muestra causada por la carga de las deformaciones relativas antes y después de la deformación 20 .
        Ecuación 5 (5)
        Ecuación 6 (6)
    3. Medición de deformación Cuando el paso de muestreo es T ≥ 3 píxeles
      1. Calcular la fase de las franjas de moiré de muestreo en la dirección j ( j = x , y ) antes de la deformación cuando k = 0 ( Figura 1b ) usando la técnica espacial de desplazamiento de fase 21
        Ecuación 7 (7)
      2. Obtener la fase de las franjas de moiré de muestreo en la dirección j ( j = x , y ) después de la deformación cuando k = 0 reemplazando φ m, j e I m, j ( k ) en la ecuación (7) con φ ' m, j e I ' m, j ( k ), respectivamente, donde el sobrescrito cita simple significa después de la deformación. Repita N veces para N cargas.
        NOTA: Si hay un ruido aleatorio excesivo en las distribuciones de fase en los pasos 4.3.1 y 4.3.2, se puede utilizar un filtro sin / cos 25 para suavizar las fases.
      3. Determine la diferencia de fase de las franjas de moiré de muestreo en la dirección j ( j = x , y ) antes y después de la deformación ( es decir, Δ φ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Medir las distribuciones de desplazamiento u j , deformación normal ε j en el j = x , y ), y la deformación por cizalla γ xy de la muestra causada por la carga. Utilice las siguientes ecuaciones 6 , 21
        Ecuación 8 (8)
        Ecuación 9 (9)
        Ecuación 10 (10)
        NOTA: Si hay demasiado ruido en las distribuciones de tensión, se puede usar un filtro de suavizado promedio, con un tamaño de filtro menor de 2 pasos de rejilla.
    4. Almacenamiento de resultados
      1. Guardar los datos de las franjas de moiré, fases (cuando el paso de muestreo es T ≥ 3 píxeles), desplazamientos y tensiones en las formas de imágenes, como archivos .tif o .bmp y texto, como .txt o .csv Archivos.

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Representative Results

Se midieron las distribuciones de desplazamiento y deformación 2D de dos especímenes de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) (# 1 y # 2) según el principio de formación de moiré 23 y el proceso de medición ( Figura 1 ). Los especímenes de CFRP estaban formados por fibras de carbono K13D de 10-11 μm de diámetro y resinas epoxi. La deformación de CFRP # 1 se determinó utilizando el método de moiré de multiplicación reconstruido a partir de franjas de moiré de muestreo de dos etapas, y la de CFRP # 2 se midió usando el método de moiré de muestreo de desplazamiento de fase espacial a partir de franjas de moiré de muestreo de tres etapas.

A) Medición de Deformación de CFRP # 1

El espesor, longitud y anchura de CFRP # 1 fueron 1 mm, 22 mm y 4 mm, respectivamente ( Figura 2a ). La longitud dLa dirección de todas las fibras era perpendicular a la superficie de 1 × 22 mm 2 , que se pulió utilizando papeles de arena y soluciones de pulido. Se fabricó una rejilla con un paso de 3,0 μm sobre la superficie pulida usando litografía de nanoimpresión UV ( Figura 2b ). Se pegó un medidor de deformación en la superficie inferior de 4 x 22 mm2 para monitorizar la mayor tensión de tracción.

Se realizó una prueba de flexión de tres puntos sobre CFRP # 1 usando una plantilla de carga, con un espacio de apoyo de 16 mm, bajo un microscopio de barrido láser. La relación span-a-profundidad fue de 16 según la American Society for Testing and Materials (ASTM). Las imágenes de cuadrícula cuando los valores de calibre de deformación fueron 0 y 0,00533 ( Figura 2b ) se registraron. La ampliación de la lente objetivo del microscopio fue de 5 ×, y la resolución de escaneo fue de 1.024 x 1.024. La dirección x es horizontalHacia la derecha y la dirección y es verticalmente hacia arriba.

Dado que los retıculos de la rejilla en el CFRP # 1 en ambas direcciones xey estaban alrededor de 2 pixels en la imagen grabada, los pasos de muestreo descendente en las dos direcciones se fijaron para ser T = 2 pixels para la medición de deformación. Para evitar la influencia potencial de la distorsión de exploración, se eligió como área de interés un área central con un tamaño de 1,26 x 0,53 mm2. A partir del muestreo descendente de 2 píxeles y de la ecuación (2), se generaron después de la deformación patrones de moiré de muestreo de 2 etapas y el patrón de moiré de multiplicación reconstruido ( Figura 2c ). Utilizando las ecuaciones (3) y (4), se calculó la deformación relativa al paso de muestreo cuando el valor del strain gauge era 0,00533. De forma similar, también se obtuvo la deformación relativa cuando el valor del strain gauge fue 0. Finalmente, las distribuciones de deformación reales, incSe midieron los desplazamientos 2D ( Figura 2d ), las cepas normales 2D y la deformación por cizallamiento ( Figura 2e ), utilizando las ecuaciones (5) y (6).

A partir de las distribuciones de desplazamiento ( figura 2d ), el desplazamiento de la dirección x es positivo en las esquinas superior izquierda e inferior derecha, pero negativo en las otras dos esquinas. El desplazamiento de la dirección y es negativo en toda la zona y, como mínimo, en la zona central. Esto concuerda bien con las características de deformación de un espécimen de flexión. A partir de las distribuciones de deformación ( Figura 2e ), el área superior soporta la deformación por compresión en la dirección x, pero la deformación por tracción en la dirección y, y la zona inferior soporta la deformación por tracción en la dirección x, pero la deformación compresiva en la dirección y , doCaracterístico La deformación por esfuerzo cortante es negativa en el área izquierda y positiva en el área derecha, de acuerdo con la propiedad de flexión.

B) Medición de deformación de CFRP # 2

El espesor, la longitud y el ancho del laminado CFRP # 2 fueron 1 mm, 30 mm y 5 mm, respectivamente ( Figura 3a ). Había 8 capas, y el grosor de cada capa era de 0,13 mm. La dirección de la longitud de todas las fibras era perpendicular a la superficie de 1 x 30 mm2, que se pulió utilizando papeles de arena y soluciones de pulido. A continuación, se fabricó una rejilla con un paso de 3,7 μm sobre la superficie pulida usando litografía de nanoimpresión UV ( Figura 3b ).

Se realizó un ensayo de flexión de tres puntos utilizando un dispositivo de carga, con un espacio de soporte de 16 mm, bajo un microscopio de barrido láser. El span-to-dEpth fue también 16. La imagen de la rejilla en la precarga de 0,2 N se registró por primera vez. Cuando la carga era de 10,8 N y la deflexión era de -200 mu m, también se registró la imagen de rejilla deformada ( Figura 3b ). La ampliación de la lente objetivo del microscopio fue de 5x, el zoom de imagen fue de 120%, y la resolución de escaneo fue de 1.024 x 1.024 píxeles. La dirección x está horizontalmente hacia la derecha y la dirección y está verticalmente hacia arriba.

Dado que los retıculos de la rejilla en el CFRP # 2 en ambas direcciones xey estaban alrededor de 3 pixels en la imagen grabada, los pasos de muestreo descendente en las dos direcciones se establecieron para ser T = 3 pixels para la medición de deformación. Para evitar la influencia potencial de la distorsión de exploración, se eligió como área de interés un área central con un tamaño de 1,15 x 0,49 mm2. Utilizando el método descrito en el paso 4.3, la fase moiréSe obtuvieron 0,2 N y 10,8 N en ambas direcciones x e y ( Figura 3c ). Se determinaron las distribuciones de los desplazamientos en el plano 2D ( Figura 3d ), las cepas normales 2D y la deformación por cizallamiento ( Figura 3e ).

Las características de distribución de desplazamiento ( Figura 3d ) de CFRP # 2 son similares a las de CFRP # 1 ( Figura 2d ), excepto que el desplazamiento de dirección y es ligeramente diferente. Las características de la cepa de direccionamiento x y de la cepa de corte de CFRP # 2 ( Figura 3e ) son también similares a las de CFRP # 1 ( Figura 2e ), de acuerdo con las características de deformación de una muestra de flexión. Sin embargo, la cepa de dirección y de CFRP # 2 ( Figura 3e ) es diffMayor que el de CFRP # 1 porque CFRP # 2 es un espécimen laminado. Se pueden observar varias capas a partir de la distribución de la cepa de dirección y, que es casi negativa en toda la zona.

Figura 1
Figura 1: Principio de formación del moiré de muestreo y proceso de medición. (A) Principio de generación del moiré reconstruido a partir de franjas de moiré de muestreo de 2 píxeles cuando el paso de muestreo es T = 2 píxeles. ( B ) Principio de formación de las franjas de moiré de muestreo de desplazamiento de fase de múltiples etapas y el proceso de medición para la fase de moiré cuando el paso de muestreo es T ≥ 3 píxeles. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

P-together.within-page = "1"> Figura 2
Figura 2: Resultados de medición de deformación de CFRP # 1. (A) Configuración experimental de la prueba de flexión de tres puntos bajo un microscopio láser y el diagrama de muestra. ( B ) La superficie observada de CFRP # 1 con una micro-rejilla. ( C ) Patrones de muaré de muestreo en dos etapas y el patrón de moiré de multiplicación reconstruido cuando el valor de medidor de deformación era 0,00533. ( D ) Las distribuciones de desplazamiento medidas en las direcciones xey . ( E ) Las distribuciones medidas de la dirección x , dirección y cepas de cizallamiento de CFRP # 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 "class =" xfigimg "src =" / archivos / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
Figura 3: Resultados de la medición de deformación de CFRP laminado # 2. (A) Diagrama de la prueba de flexión de tres puntos bajo un microscopio láser. ( B ) La superficie observada de CFRP # 2 con una micro-rejilla. ( C ) Las distribuciones de fase envuelta (rango: -π ~ π) de las franjas de moiré de muestreo en la precarga de 0,2 N y la carga de 10,8 N en las direcciones xey . ( D ) Las distribuciones de desplazamiento medidas en las direcciones xey , donde no se visualizó la deflexión (-200 μm) en la dirección y . ( E ) Las distribuciones medidas de la dirección x , la dirección y, y las cepas de corte de CFRP # 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

En la técnica descrita, un paso desafiante es la fabricación de rejilla o rejilla de micro / nano escala (abreviada como rejilla) 26 si no existe un patrón periódico en la muestra. El paso de la rejilla debe ser uniforme antes de la deformación porque es un parámetro importante para la medición de la deformación. Si el material es un metal, una aleación metálica o una litografía de nanoimpresión cerámica, UV o de calefacción (NIL) 27 , litografía de haz de electrones (EBL) 2 , fresado de haz de iones enfocado (FIB) 6 o el método de duplicado de rejilla 26 pueden ser usado. Si el material contiene un polímero débil, no se sugiere la molienda de EBL y FIB. Cuando un componente del material no es resistente al calor, el calentamiento NIL no se puede utilizar. Si el espécimen es una película delgada, el método de duplicado de rejilla es difícil de aplicar porque no es fácil separar el espécimen.

El paso crítico para laLa medición de deformación de la imagen de rejilla antes y después de la deformación usando la técnica propuesta es la generación de franjas de moiré de muestreo 22 , cuyo principio es diferente del principio de formación de franjas de moiré de interferencia convencionales. Para generar franjas de moiré de muestreo distintas, se sugiere un filtro de paso bajo, como un algoritmo FT, para suprimir líneas o puntos no deseados. Si las franjas de moiré de muestreo son indistintas después de muestreo descendente ( es decir, adelgazamiento de la imagen de rejilla) e interpolación de intensidad lineal, se puede adoptar un filtro de suavizado, tal como un filtro promedio, antes de muestreo descendente. Se puede utilizar un algoritmo de interpolación B-spline de segundo o incluso tercer orden para la interpolación de intensidad para generar franjas de moiré de muestreo distintas.

En comparación con los métodos moiré tradicionales, la técnica de muaré de muestreo propuesta para la medición de la distribución de las deformaciones tiene la ventaja de serCon una simple medición de deformación 2D y con un procesamiento simple, alta velocidad, alta sensibilidad a la deformación y alta precisión de medición 23 . La medición de la deformación 2D puede realizarse fácilmente sin girar la etapa de muestra o las líneas de exploración del microscopio, lo que es necesario en métodos convencionales. Además, se puede medir la deformación dinámica, ya que la información requerida es sólo una imagen de cuadrícula de un solo disparo en cada carga. Esto no puede hacerse con el método de desplazamiento de fase temporal moiré porque se necesitan varias imágenes de rejilla o moiré, junto con el tiempo en cada carga.

Aunque la técnica descrita permite mediciones de deformación 2D sencillas a escala micro / nano, tiene sus propias limitaciones 23 , al igual que cualquier otra técnica. El paso de rejilla en una imagen grabada debe ser mayor que 1,8 píxeles para generar franjas de moiré de muestreo de 2 píxeles o de múltiples píxeles. Si el retardo de la cuadrícula en la imagen es de alrededor de 2 piXels, las franjas de moiré de muestreo de 2 píxeles pueden servir como sustituto para el microscopio que escanea las franjas de moiré, con el mismo campo de visión con la misma ampliación. Sin embargo, si el paso de la rejilla en una imagen es de alrededor de 1 píxel en la resolución de exploración más alta del microscopio cuando se observan directamente franjas de moiré de exploración distintas, las franjas de moiré de muestreo no podrán formarse con la misma ampliación. Aunque se pueden generar franjas de moiré de muestreo al aumentar la ampliación del microscopio, el campo de visión para la medición de deformación disminuirá. Afortunadamente, las resoluciones de escaneado de los microscopios comerciales están mejorando, y el muestreo de franjas de moiré puede ser generado en la mayoría de los casos. Cuanto mayor sea la resolución de escaneo, mayor será el número de píxeles de un paso de retícula y mayor será la precisión de medición de deformación.

A diferencia del método moiré de multiplicación reconstruido de muestreo de 2 píxeles moiré friEl método moiré de muestreo de desplazamiento de fase espacial a partir de franjas de muaré de muestreo multipíxeles tiene una velocidad de procesamiento más alta y una precisión de medición más alta pero un campo de visión más pequeño. La elección del método depende del número de píxeles del paso de rejilla de la muestra, o de la exactitud de medida y del campo de visión requeridos si el número de píxeles del paso de rejilla de la muestra es controlable. Ambos métodos son útiles para tomar medidas de deformación no destructiva y realizar evaluaciones cuantitativas de propiedades mecánicas, aparición y crecimiento de grietas, tensiones residuales, detección de defectos, caracterización estructural, etc.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI, los números de subvención JP16K17988 y JP16K05996, y por el Programa Interministerial de Promoción de Innovación Estratégica, Unidad D66, Medición y Análisis Innovadores para Materiales Estructurales (SIP-IMASM), operado por la oficina del gabinete. Los autores también agradecen a los Dres. Satoshi Kishimoto y Kimiyoshi Naito en NIMS por su 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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