Summary
Hier wordt een monstername moiré-techniek met 2-pixel- en multi-pixel bemonsteringsmethoden voor nauwkeurige strainverdelingsmetingen op de micro / nano-schaal weergegeven.
Abstract
Dit werk beschrijft de meetprocedure en de principes van een steekproef moiré-techniek voor volumebelasting micro / nano-schaal vervorming metingen. De ontwikkelde techniek kan op twee manieren worden uitgevoerd: gebruik maken van de gereconstrueerde vermenigvuldigde moiré-methode of de ruimtelijke faseverschuivende monstername moiré-methode. Wanneer de specimen roosterhoogte ongeveer 2 pixels is, worden 2-pixel sampling moiré fringes gegenereerd om een vermenigvuldiging moiré patroon te reconstrueren voor een vervormingsmeting. Zowel de verplaatsings- als strain gevoeligheden zijn tweemaal zo hoog als in de traditionele scan moiré methode in hetzelfde brede gezichtsveld. Wanneer de monstergraad rond of meer dan 3 pixels is, worden multipixel sampling moiré fringes gegenereerd, en een ruimtelijke faseverschuivingstechniek wordt gecombineerd voor een full-field deformation meting. De nauwkeurigheid van de meetmethode is aanzienlijk verbeterd en de automatische batchmeting is gemakkelijk te bereiken.Beide methoden kunnen de tweedimensionale (2D) stamverdelingen meten van een single-shot-rasterbeeld zonder de specimen of scanlijnen te roteren, zoals bij traditionele moiré-technieken. Als voorbeeld werden de 2D-verplaatsings- en spanverdelingen, inclusief de schuifstammen van twee koolstofvezelversterkte kunststofmonsters, gemeten in driepunt buigende tests. De voorgestelde techniek zal naar verwachting een belangrijke rol spelen in de niet-destructieve kwantitatieve evaluaties van mechanische eigenschappen, kraakgevallen en restspanning van een verscheidenheid aan materialen.
Introduction
Deformatiemetingen van micro / nano-schaal zijn van vitaal belang voor de evaluatie van de mechanische eigenschappen, instabiliteitsgedrag, restspanning en kraakgevallen van geavanceerde materialen. Aangezien optische technieken niet contact hebben, volledig veld en niet destructief zijn, zijn er gedurende de laatste decennia verschillende optische methoden ontwikkeld voor deformatiemeting. In de afgelopen jaren omvatten de metingstechnieken voor de micro / nano-schaal vervorming hoofdzakelijk de moiré-methoden 1 , 2 , 3 , 4 , geometrische faseanalyse (GPA) 5 , 6 , Fourier-transformatie (FT), digitale beeldcorrelatie (DIC) Elektronische spekpatroon interferometrie (ESPI). Onder deze technieken zijn GPA en FT niet goed geschikt voor complexe vervormingsmetingen omdat er meerdere frequenties bestaan. De DIC-methode is simPle maar machteloos tegen geluid omdat de vervormingsdrager willekeurig is. Ten slotte is ESPI sterk gevoelig voor trillingen.
Onder de methoden van micro / nano-schaal moiré zijn de meest gebruikte methoden momenteel de methoden voor het scannen van microscoopzoeken, zoals elektronische scanning moiré 7 , 8 , 9 , laser scanning moiré 10 , 11 en atoomkrachtmicroscoop (AFM) moiré 12 , En sommige microscoop gebaseerde moiré methoden, zoals de digitale / overlappende moiré 13 , 14 , 15 methode en de vermenigvuldiging / fractionele moiré methode 16 , 17 . De scanning moiré methode heeft vele voordelen, zoals een breed gezichtsveld, hoge resoLut, en ongevoeligheid voor willekeurig geluid. De traditionele scanning moiré methode is echter ongemakkelijk voor 2D-stammetingen, omdat het nodig is om de steekproefstadium of de aftastrichting te draaien met 90 ° en twee keer te scannen om moiré fringes in twee richtingen 18 te genereren. Rotatie en de dubbele aftastprocessen introduceren rotatiefout en duurt een lange tijd, waardoor de meetnauwkeurigheid van de 2D-stam ernstig wordt beïnvloed, met name voor de schuifspanning. Hoewel de temporale faseverschakelingstechniek 19 , 20 de nauwkeurigheid van de vervormingsmeting kan verbeteren, vereist het tijd en een speciaal faseverschuivingsapparaat dat niet geschikt is voor dynamische tests.
De methode 21 , 22 van de bemonstering moiré heeft een hoge nauwkeurigheid in verplaatsingsmetingen en wordt nu hoofdzakelijk gebruikt voor afbuigingsmetingen op bruggen wanneer auto's pass. Om de steekproef moirémethode uit te breiden naar micro-nano-schaal 2D-stammetingen, is een gereconstrueerde vermenigvuldigde moirémethode nieuw ontwikkeld 23 uit 2-pixel sampling moiré fringes, waarin de metingen tweemaal zo gevoelig zijn en het brede gezichtsveld van de Scanning moiré methode wordt bewaard. Bovendien is de ruimtelijke faseverschuivende monsternemoiremethode ook ontwikkeld uit multi-pixel sampling moiré fringes, waardoor nauwkeurige strainmetingen mogelijk zijn. Dit protocol zal de gedetailleerde spanmetingsprocedure introduceren en zal naar verwachting onderzoekers en ingenieurs helpen om deformatie te meten, de productieprocessen van materialen en producten te verbeteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bevestiging van het Micro / Nano-schaalrooster op het specimen
- Machining van het monster
- Snijd het monster naar de maat die nodig is door het specifieke laadapparaat dat wordt gebruikt onder een microscoop ( bijv. 1 x 5 x 30 mm 3 ), waardoor het oppervlak waargenomen moet worden 1,5x groter dan het belang van de omgeving.
- Pools het monsteroppervlak dat moet worden waargenomen (bijvoorbeeld 1 x 30 mm 2 ), met behulp van grof en fijn zandpapier op een automatische poetsmachine ( bv. Gebruik SiC folie # 320 gedurende 3 minuten en dan # 800 gedurende 1 minuut bij 150 rpm En 30 N). Reinig het monster met water na elke polijststap.
- Poolt hetzelfde monsteroppervlak, achtereenvolgens met behulp van grove en fijne poleeroplossingen op de automatische poetsmachine (bijvoorbeeld gebruik DP-Spray P 15 μm gedurende 5 minuten, P 1 μm gedurende 8 minuten en P 0,25 μm gedurende 10 minuten bij 150 rpm en 30 N). Reinig het monster met water na elke poetsmiddelG stap.
- Fabricage van het Micro / Nano-schaalrooster als er geen periodiek patroon op het monster bestaat
OPMERKING: Deze stap kan weggelaten worden als er op het microfoonschaal een speciaal natuurlijk periodiek patroon op het oppervlak van het monster bestaat. Kies de roosterfabricatiemethode uit het volgende: ultraviolet (UV) of verwarmingsnanoimprint lithografie (NIL) 26 , elektronische bundel lithografie (EBL) 2 , en gefreesde ionbundel (FIB) frezen 6 .
OPMERKING: Het roosterfabricageproces wordt hier geïntroduceerd, met UV NIL als voorbeeld.- Druppel 2 ml UV-weerstand op het monsteroppervlak met een pipet.
- Bedek de weerstand op het monsteroppervlak met een spincoater bij 1500 rpm gedurende 60 s.
- Druk een nanoimprint schimmel op de weerstandlaag bij een druk van 0,2 MPa. Ontvang de weerstand tegen UV met een golflengte van 375 nm gedurende 30 s.
- Scheid de nanoimprintvorm uit het specimenoppervlak.
- Observatie van het rooster op het monster met behulp van een microscoop
- Bedek een platina of gouden laag met een dikte van 3-10 nm op het rasteroppervlak met behulp van een ionencoater ( bijv. Coating gedurende 30 s bij 3 Pa met een sputterstroom van 30 mA).
- Zet het monster onder een laserscanningsmicroscoop (LSM) 23 .
OPMERKING: Andere microscopen kunnen ook worden gebruikt, zoals een transmissie-elektronmicroscoop (TEM) 5 , een atoomkrachtmicroscoop (AFM) 12 , of een scan-elektronenmicroscoop (SEM) 7 . - Pas de focus aan en geef een rasterbeeld op met behulp van de microscoop door op "Capture" en "File | Export | Image File" in de beeldopnameprogramma van de microscoop te klikken.
- Berekening van het rasterpunt (nm of μm) van het specimen uit het rasterbeeld
- Bereken de gemiddelde waarde van meer dan 10 grId plaatsen in het centrale gedeelte van het rasterbeeld om de potentiële invloed van de scan of lensvervorming te vermijden.
OPMERKING: Het rooster op het monster kan gedurende enkele dagen op kamertemperatuur worden opgeslagen.
- Bereken de gemiddelde waarde van meer dan 10 grId plaatsen in het centrale gedeelte van het rasterbeeld om de potentiële invloed van de scan of lensvervorming te vermijden.
2. Acquisitie van rasterafbeeldingen in de laadtest
- Voorbereiding van de laadtest onder de microscoop
- Bevestig het monster op een laadapparaat, zoals een trek-, druk-, verwarmings- of elektrisch laadapparaat, onder de microscoop.
OPMERKING: als de roosterhoogte minder dan 20 nm bedraagt, dient een TEM of AFM te worden gebruikt. Als de gridhoogte 20 nm tot 10 μm bedraagt, kan een SEM gebruikt worden. Als de roosterhoogte groter is dan 400 nm, kan een LSM gebruikt worden. - Stel de laadsnelheid in ( bijv. 0,01 mm / s) en de incrementele stap- of verplaatsingsstap ( bijv. 0,5 N / stap of 0,024 mm / stap) volgens de specifieke vereisten. Voorinstelling van zowel de belasting als de verplaatsing naar nul.
- Maak het rooster surfenAas in het observatievlak. Kies een gebied van belang onder een lage vergroting door het monster stadium van de microscoop te verplaatsen of te roteren.
- Selecteer een passende vergroting door de gridhoogte in de afbeelding groter te maken dan 1,8 × een pixelformaat.
OPMERKING: Het is beter om de rasterhoogte in de afbeelding groter dan 2 pixels te maken. Hoe meer pixels een roosterhoogte correspondeert, hoe hoger de nauwkeurigheid van de vervormingsmeting, maar hoe kleiner het meetveld van de meting.
- Bevestig het monster op een laadapparaat, zoals een trek-, druk-, verwarmings- of elektrisch laadapparaat, onder de microscoop.
- Verzameling van rasterafbeeldingen in de laadtest
- Bewaar een rasterafbeelding van het bezienswaardige gebied voordat u het laden door op "Beeldopname" en "Bestand | Uitvoer | Beeldbestand" in de beeldopnameprogramma van de microscoop te klikken.
- Begin het monster in situ op de microscoop te laden door de eerste laadstap uit te oefenen ( bijv. 0,5 N of 0,024 mm) met behulp van de bedieningssoftware van het laadapparaat.
- RecGeef een rasterafbeelding van het belangstellingsgebied na de eerste laadstap ( bijv. 0,5 N of 0,024 mm) door in het beeldopnameprogramma van de microscoop op "Capture" en "File | Export | Image File" te klikken. Zorg ervoor dat de vergroting en de werkafstand van de microscoop onveranderd blijven.
- Ga door met het laden van het monster door elke ladingsstap uit te voeren met behulp van het laadapparaat. Noteer het rasterbeeld na elke laadstap totdat het exemplaar is gebroken of tot een bepaalde waarde is bereikt ( bijv. 19 maal opladen en 19 rasterafbeeldingen opnemen bij 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, met intervallen van 0,5 N, of bij 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm, met intervallen van 0,024 mm). Zorg ervoor dat de vergroting en werkafstand van de microscoop ongewijzigd blijft.
OPMERKING: De rasterafbeeldingen kunnen voor een willekeurige lange tijd opgeslagen worden.
3. Generatie van Steekproef Moiré Fringes voor en na Deformatie
- Schatting van Grid Pitches (pixel) in de Grid Images
- Schat de rasterhoogte (eenheid: pixel) in het rasterbeeld voor het laden door de afstand tussen de centra van twee aangrenzende rasterpunten in een beeldverwerkingssoftware te meten (bijvoorbeeld Microsoft Paint).
- Schat de rasterhoogte in het rasterbeeld bij de maximale belasting.
- Bepaling van het steekproefpunt (pixel)
- Ga naar stap 3.2.2 als de roosterhoogtes vóór en na deformatie tussen 1,8 en 2,5 pixels liggen. Ga naar stap 3.2.3 wanneer de rasterhoogtes vóór en na deformatie tussen de 2,4 en 3,6 pixels liggen. Ga naar stap 3.2.4 wanneer de rasterhoogte vóór en na deformatie groter is dan 3,2 pixels.
- Stel de bemonsteringshoogte in op T = 2 pixels. Ga verder naar stap 3.3.
- Stel de bemonsteringshoogte in op T = 3 pixels. Ga verder naar stap 3.3.
- Stel de bemonsteringshoogte T in een positiefInteger binnen 0,75x en 1,25x de gridhoogtes vóór en na deformatie, bepaald uit overvloedige simulatieresultaten 22 .
OPMERKING: als er 2 positieve gehele getallen zijn die voldoen aan de vereisten in stappen 3.2.1 en 3.2.4, is het beter om het grotere gehele getal als de steekproefhoogte te kiezen. Als er 3 of meer positieve gehele getallen zijn die aan de eisen voldoen, is het beter om het middengetal te kiezen, zolang het een beetje groter is dan de bemonsteringshoogte.
- Generatie van bemonstering Moiré Fringes Voor vervorming
- Open het rasterbeeld voor vervorming. Uitgaande van het feit dat de x- richting horizontaal naar rechts is, is de y- richting verticaal naar beneden en is de coördinaat (0, 0) in de linkerbovenhoek, bereken de beeldbreedte W in de x- richting en de beeldhoogte H in de y- richting .
OPMERKING: De y- richting kan ook gedefinieerd worden alsVerticaal omhoog. - Ga naar stap 3.3.3 om moiré fringes te genereren in de y- richting. Ga naar stap 3.3.7 om moiré fringes in de x- richting te genereren.
- Verwerk het rasterbeeld op een rasterbeeld met een laagdoorlaatfilter (LPF). Gebruik bijvoorbeeld een FT-algoritme om het raster te onderdrukken, met een hoofdrichting van x , waarbij de hoofdrichting wordt gedefinieerd als de richting loodrecht op de rasterlijnen. Stel de filtergrootte dicht bij de gridhoogte.
- Tin het rasterbeeld uit door alleen de grijze waarden in verschillende horizontale lijnen te extraheren, waarbij de afstand van de bemonsteringshoogte T ( T ≥2) van y = k pixels ( k = 0) ( figuur 1 ) Waarden in steekproeflijnen van y = k pixels, y = k + T pixels, ..., y = k + iT pixels, waar ik een poPositief geheel getal). Maak de coördinaat van de laatste bemonsteringslijn, k + iT , kleiner dan de beeldhoogte H.
- Genereer een steekproef moiré patroon in de y- richting door interfaces met volledige veldintensiteit (lineair of B-spline) van de afbeelding met horizontale steekproeflijnen uit te voeren.
- Genereer andere T -1 sampling moiré patronen in de y- richting door stappen 3.3.4 en 3.3.5 T -1 keer te herhalen door k te veranderen bij de incrementele stap van 1 pixel ( dwz het verschuiven van het beginpunt van het verdunnen naar y = k Pixels; k = 1, ..., T -1).
- Gebruik dezelfde procedures in stappen 3.3.3-3.3.6 om ruimtelijke faseverschuivende steekproef moirépatronen in de x- richting te genereren door x naar y in stap 3.3.3 te veranderen, de beeldhoogte H te veranderen naar de beeldbreedte W , En verander y naar x in stappen 3.3.4-3.3.6.
OPMERKING: De bemonsteringshoogte in de x- richting kan verschillen van die in de y- richting.
- Open het rasterbeeld voor vervorming. Uitgaande van het feit dat de x- richting horizontaal naar rechts is, is de y- richting verticaal naar beneden en is de coördinaat (0, 0) in de linkerbovenhoek, bereken de beeldbreedte W in de x- richting en de beeldhoogte H in de y- richting .
- Generatie van bemonstering Moiré Fringes na vervorming
- Open alle rasterafbeeldingen op verschillende ladingen. Stel dat het aantal rasterafbeeldingen N is .
- Genereer N groepen van T -step ruimtelijke faseverschuivende moiré fringes in de y- richting door de stappen 3.3.3-3.3.6 N keer te herhalen.
- Genereer N groepen van T -step ruimtelijke fase-shifting moiré fringes in de x- richting door stap 3.3.7 N keer te herhalen.
4. Deformatiemeting van het monster in de laadtest
- Bepaling van de intensiteiten van Moiré Fringes voor en na vervorming
- Ontleed de intensiteiten van de T- step moiré fringes voor vervorming in tHij geeft de richting in stappen 3.3.5 en 3.3.6; Bepaal die moiré-intensiteiten in de x- richting in stap 3.3.7. Beschrijf de T- step ( T ≥2) moiré intensiteiten vóór vervorming in de j ( j = x , y ) richting met behulp van de volgende vergelijking 23 :
(1)
Waar p j de gridhoogte voor vervorming in de j ( j = x , y ) richting is, is A de gemoduleerde amplitude en D omvat de achtergrond en de hogere frequentie intensiteiten. - Ontleed de intensiteiten van de T- step moiré fringes na deformatie in de y- richting in stap 3.4.2 en bepaal die moiré-intensiteiten in de x- richting in stap 3.4.3. Beschrijf de T- step ( T ≥ 2) moiré intensiteiten na vervormingIn de richting j ( j = x , y ) met dezelfde vergelijking als hierboven (vergelijking 1) door I m, j ( k ), p j , A en D naar I ' m, j ( k ), p ' J , A 'en D ', waar het superscript-enkel citaat betekent na vervorming.
OPMERKING: als de steekproefhoogte T ≥ 3 pixels is, ignoreer deze stap en ga verder naar stap 4.3.
- Ontleed de intensiteiten van de T- step moiré fringes voor vervorming in tHij geeft de richting in stappen 3.3.5 en 3.3.6; Bepaal die moiré-intensiteiten in de x- richting in stap 3.3.7. Beschrijf de T- step ( T ≥2) moiré intensiteiten vóór vervorming in de j ( j = x , y ) richting met behulp van de volgende vergelijking 23 :
- Reconstructeer vermenigvuldiging moiré fringes van de vermenigvuldigingsinterferentie tussen de twee-stappen monstername moiré intensiteiten ( Figuur 1a ) voor vervorming onder gebruikmaking van de volgende vergelijking 23
(2)
Waar ik veel ben , j staat voor de intensiteit oF de gereconstrueerde vermenigvuldiging moiré fringes in de j ( j = x , y ) richting voor vervorming. - Verwerk de gereconstrueerde vermenigvuldiging moiré fringes voor vervorming met behulp van de fringe centreringstechniek 24 . Opeenvolgende gehele getallen en halve gehele getallen f j = [1, 1,5, 2, 2,5, ...] aan de fringe-orders toewijzen aan de middellijnen van de gereconstrueerde vermenigvuldiging moiré.
OPMERKING: Als de vermenigvuldigde moiré fringes te dicht zijn, kunnen de fringe-orders van de tweetraps monstername moiré eerst worden bepaald ( dwz f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] en F j (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). De fringe orde van de vermenigvuldigde moiré fringes zal f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...] zijn. De verplaatsing van de stijf lichaam heeft geen invloed op het spanningsresultaat. - Meet de relatieve druk van het monster vóór vervorming ten opzichte van de bemonsteringshoogte met behulp van de volgende vergelijkingen 23
(3) 
(4)
Waar u j _rela en ε j _rela de relatieve verplaatsing en de relatieve druk van het monster voor respectievelijk vervorming in de j ( j = x , y ) richting voorstellen en y xy _rela de relatieve schuifspanning voor de vervorming uitmaakt. - Herhaal stappen 4.2.1-4.2.3 om de relatieve stammen van het monster na deformatie in de x- en y-richtingen voor N- tijden te bepalen, te veranderen I multi, j , I m, j (0), I m, j pj , A , D, j jrela ( j = x , y ), ε j _rela en γ xy _rela in vergelijkingen (2) - (4) tot I ' multi, j , I ' M, j (0), I ' m, j (1), p ' j , A ', D ', j'rela (j = x, y), e ' j _rela en respectievelijk y ' xy _rela , Waar het superscript enkel citaat betekent na vervorming.
- Bepaal de werkelijke normale vervorming ε j in de richting j ( j = x , y ), wat de relatieve verandering is van de gridhoogte en de schuifspanning, y xy , welke is absoluutE variatie van de gridhoek van het monster veroorzaakt door de belasting van de relatieve stammen vóór en na vervorming 20 .
(5) 
(6)
- Reconstructeer vermenigvuldiging moiré fringes van de vermenigvuldigingsinterferentie tussen de twee-stappen monstername moiré intensiteiten ( Figuur 1a ) voor vervorming onder gebruikmaking van de volgende vergelijking 23
- Deformatiemeting Wanneer de bemonsteringstelling T ≥ 3 pixels is
- Bereken de fase van de sampling moiré fringes in de j ( j = x , y ) richting voor deformatie wanneer k = 0 ( Figuur 1b ) met behulp van de ruimtelijke faseverschuivingstechniek 21
(7) - Verkrijg de fase van de sampling moiré fringes in de j ( j = x , y ) richting na vervorming wanneer k = 0 door φ m te vervangen ,
OPMERKING: Als er te veel willekeurig geluid is in de faseverdelingen in stappen 4.3.1 en 4.3.2, kan een zonde / cos filter 25 gebruikt worden om de fasen te gladden. - Bepaal het faseverschil van de sampling moiré fringes in de j ( j = x , y ) richting voor en na deformatie ( dwz Δφ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
- Meet de verdelingen van verplaatsing u j , normale stam ε j in de
(8) 
(9) 
(10)
OPMERKING: Als er teveel lawaai is in de spanningverdelingen, kan een gemiddeld gladingsfilter worden gebruikt, met een filtergrootte kleiner dan 2 rasterstanden.
- Bereken de fase van de sampling moiré fringes in de j ( j = x , y ) richting voor deformatie wanneer k = 0 ( Figuur 1b ) met behulp van de ruimtelijke faseverschuivingstechniek 21
- Resultaatopslag
- Bewaar de gegevens van de moiré fringes, fasen (wanneer de bemonsteringshoogte T ≥3 pixels is), verplaatsingen en stammen in de vormen van afbeeldingen, zoals .tif of .bmp-bestanden en tekst, zoals .txt of .csv bestanden.
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
(5) 
(6) 
(7) 
(8) 
(9) 
(10) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De 2D-verplaatsings- en spanverdelingen van twee koolstofvezelversterkte plastic (CFRP) monsters (# 1 en # 2) werden gemeten volgens het moiréformatieprincipe 23 en het meetproces ( Figuur 1 ). De CFRP-monsters werden opgebouwd uit 10-11 μm diameter K13D koolstofvezels en epoxyharsen. De vervorming van CFRP # 1 werd bepaald met behulp van de gereconstrueerde vermenigvuldiging moiré methode uit twee-stappen monsterende moiré fringes, en dat van CFRP # 2 werd gemeten met behulp van de ruimtelijke faseverschuiving monsters moiré methode van drie-stappen sampling moiré fringes.
A) Deformatiemeting van CFRP # 1
De dikte, lengte en breedte van CFRP # 1 waren respectievelijk 1 mm, 22 mm en 4 mm ( Figuur 2a ). De lengte dDe opstelling van alle vezels was loodrecht op het oppervlak van 1 × 22 mm 2 , die werd gepolijst met zandpapieren en polijstoplossingen. Een raster met een toonhoogte van 3,0 μm werd vervaardigd op het gepolijste oppervlak met behulp van UV nanoimprint lithografie ( Figuur 2b ). Op het bodem 4 × 22 mm 2 oppervlak werd een spanningsmeter geplakt om de grootste treksterkte te controleren.
Een 3-punts buigtest werd uitgevoerd op CFRP # 1 met behulp van een laadjig met een draagspanning van 16 mm onder een laserscanningsmicroscoop. De spanningsgraad was 16 volgens de American Society for Testing and Materials (ASTM) normen. De gridafbeeldingen wanneer de spanningswaarden 0 en 0.00533 waren ( Figuur 2b ) werden opgenomen. De vergroting van de objectieflens van de microscoop was 5 ×, en de scanresolutie was 1.024 x 1.024. De x- richting is horizontaalNaar rechts en de y richting is verticaal omhoog.
Aangezien de rasterstanden op CFRP # 1 in zowel de x- als y- richting ongeveer 2 pixels in het opgenomen beeld waren, werden de steekproefstanden in de twee richtingen ingesteld op T = 2 pixels voor de vervormingsmeting. Om de potentiële invloed van aftastvervorming te vermijden, werd een centraal gebied met een grootte van 1,26 x 0,53 mm 2 gekozen als het gebied van belang. Van 2-pixel down-sampling en vergelijking (2) werden 2-stappen monsters moiré patronen en het gereconstrueerde vermenigvuldiging moiré patroon gegenereerd na vervorming ( Figuur 2c ). Met behulp van vergelijkingen (3) en (4) werd de vervorming ten opzichte van de bemonsteringshoogte berekend wanneer de spanningswaarde 0,00533 werd berekend. Evenzo was ook de relatieve vervorming wanneer de spanningswaarde 0 was verkregen. Ten slotte worden de werkelijke vervormingsverdelingen, incDe 2D-verplaatsingen ( Fig. 2d ), de 2D-normale stammen en de schuifspanning ( Figuur 2e ), werden gemeten met behulp van vergelijkingen (5) en (6).
Uit de verplaatsingsverdelingen ( Figuur 2d ) is de x- directionele verplaatsing positief in de linkerboven- en rechterhoek, maar negatief bij de andere twee hoeken. De y -richtingverplaatsing is negatief in het gehele gebied en op een minimum in het centrale gebied. Dit komt goed overeen met de vervormingseigenschappen van een buigend exemplaar. Uit de spanverdelingen ( Figuur 2e ) draagt het bovenste gedeelte drukdruk in de x- richting, maar trekstrook in de y- richting en het onderste gebied draagt de spanningsdruk in de x- richting, maar drukdruk in de y- richting, waarbij een interessante vervorming wordt aangetoond characteristic. De schuifspanning is negatief in het linker gebied en positief in het juiste gebied, conform het buiggoed.
B) Deformatiemeting van CFRP # 2
De dikte, lengte en breedte van de gelamineerde CFRP # 2 waren respectievelijk 1 mm, 30 mm en 5 mm ( Figuur 3a ). Er waren 8 lagen, en de dikte van elke laag was 0,13 mm. De lengterichting van alle vezels was loodrecht op het oppervlak van 1 x 30 mm 2 , die werd gepolijst met zandpapieren en polijstoplossingen. Een raster met een piek van 3,7 μm werd vervolgens op het gepolijste oppervlak vervaardigd met behulp van UV nanoimprint lithografie ( Figuur 3b ).
Een driepunts buigtest werd uitgevoerd met behulp van een laadjig, met een draagvermogen van 16 mm, onder een laserscanningsmicroscoop. De span-to-dEpth ratio was ook 16. Het rasterbeeld bij de 0,2 N voorbelasting werd eerst geregistreerd. Wanneer de belasting 10,8 N was en de afbuiging -200 μm was, werd ook het vervormde rasterbeeld opgenomen ( Figuur 3b ). De vergroting van de objectieflens van de microscoop was 5x, de afbeeldingszoom was 120% en de scanresolutie was 1.024 x 1.024 pixels. De x- richting is horizontaal naar rechts en de y- richting is verticaal omhoog.
Aangezien de rasterstanden op CFRP # 2 in zowel de x- als y- richting ongeveer 3 pixels in het opgenomen beeld waren, werden de steekproefstanden in de twee richtingen ingesteld op T = 3 pixels voor de vervormingsmeting. Om de potentiële invloed van de aftastvervorming te vermijden, werd een centraal gebied met een maat van 1,15 x 0,49 mm 2 gekozen als het bezienswaardige gebied. Met behulp van de methode beschreven in stap 4.3 is de moiréfase afgeleidToewijzingen bij 0,2 N en 10,8 N in zowel de x- als y- richtingen werden verkregen ( Figuur 3c ). De verdelingen van de 2D in-vlak verplaatsingen ( Figuur 3d ), de 2D normale stammen en de schuifspanning ( Figuur 3e ) werden bepaald.
De verplaatsingsverdeling ( figuur 3d ) van CFRP # 2 is vergelijkbaar met die van CFRP # 1 ( Figuur 2d ), behalve dat de y- directionele verplaatsing iets anders is. De eigenschappen van de x- directionele strain en de schuifsterkte van CFRP # 2 ( Figuur 3e ) lijken eveneens op die van CFRP # 1 ( Figuur 2e ), waarbij de vervormingseigenschappen van een buigend exemplaar worden overeengekomen. De y- directionele strain van CFRP # 2 ( Figuur 3e ) is echter verschillendErent dan die van CFRP # 1 omdat CFRP # 2 een gelamineerd exemplaar is. Verschillende lagen kunnen waargenomen worden door de verdeling van de y- directionele stam, die bijna in het hele gebied negatief is.
Figuur 1: Membraanvorming principe en meetproces. (A) Generatieprincipe van gereconstrueerde moiré uit 2-pixel sampling moiré fringes wanneer de bemonsteringshoogte T = 2 pixels is. ( B ) Formatieprincipe van multi-step faseverschuivende moiré fringes en het meetproces voor de moiréfase wanneer de bemonsteringshoogte T ≥3 pixels is. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
p-together.within-page = "1"> 
Figuur 2: Deformatiemetingsresultaten van CFRP # 1. (A) Experimentele opstelling van de driepuntsbuigentest onder een lasermicroscoop en het voorbeelddiagram. ( B ) Het waargenomen oppervlak van CFRP # 1 met een micronet. ( C ) Moeraspatronen met twee stappen en het gereconstrueerde vermenigvuldigde moirépatroon wanneer de spanningswaarde 0,00533 was. ( D ) De gemeten verplaatsingsverdelingen in de x- en y- richting. ( E ) De gemeten verdelingen van de x- richting, de richting en de schuifstammen van CFRP # 1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
Figuur 3: Deformatiemetingsresultaat van gelamineerde CFRP # 2. (A) Diagram van de driepunt buigende test onder een lasermicroscoop. ( B ) Het waargenomen oppervlak van CFRP # 2 met een micronet. ( C ) De verpakte fase (bereik: -π ~ π) verdelingen van de steekproef moiré fringes bij de 0,2 N voorbelasting en 10,8 N belasting in de x en y richtingen. ( D ) De gemeten verplaatsingsverdelingen in de x- en y- richting, waar de afbuiging (-200 μm) in de y- richting niet werd weergegeven. ( E ) De gemeten verdelingen van de x- richting, de richting en de schuifstammen van CFRP # 2. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In de beschreven techniek is één uitdagende stap het micro / nano-schaalrooster of raster (verkort als rooster) fabricage 26 indien er geen periodiek patroon op het monster bestaat. De gridhoogte moet uniform zijn voor vervorming, omdat het een belangrijke parameter is voor de vervormingsmeting. Als het materiaal een metaal, een metaallegering of een keramische, UV-of verwarmingsnanoimprint lithografie (NIL) 27 , elektronische bundel lithografie (EBL) 2 is , gefocusseerde ionbundel (FIB) frezen 6 of de rooster duplicaat methode 26 kan zijn gebruikt. Als het materiaal een zwak polymeer bevat, worden EBL- en FIB-frezen niet voorgesteld. Wanneer een bestanddeel van het materiaal niet hittebestendig is, kan verwarming NIL niet worden gebruikt. Als het monster een dunne film is, is het moeilijk om het rooster duplicaat te gebruiken, omdat het niet gemakkelijk is het monster te scheiden.
De kritische stap voor deStammeting van het rasterbeeld vóór en na vervorming met behulp van de voorgestelde techniek is het genereren van steekproef moiré fringes 22 , waarvan het principe verschilt van het formatieprincipe van conventionele interferentie moiré fringes. Om afzonderlijke steekproef moiré fringes te genereren, wordt een low-pass filter, zoals een FT-algoritme, voorgesteld om ongewenste lijnen of punten te onderdrukken. Als de steekproeven van de steekproefsector onduidelijk zijn na de steekproefneming ( dwz het rasterbeeld uitdunnen) en lineaire intensiteit interpoleren, kan een afvlakfilter, zoals een gemiddeld filter, worden aangenomen voordat u de steekproef neemt. Een tweede of zelfs derde-orde B-spline interpolatie-algoritme kan worden gebruikt voor de intensiteit interpolatie om afzonderlijke steekproef moiré fringes te genereren.
Vergeleken met de traditionele moiré-methoden, heeft de voorgestelde steekproefmoiré-techniek voor strainverdelingsmeting het voordeel van zijnEen eenvoudige 2D-stammeting en eenvoudige verwerking, hoge snelheid, hoge vervormingsgevoeligheid en hoge meetnauwkeurigheid 23 . De 2D-stammeting kan gemakkelijk worden uitgevoerd zonder de monstertrap of de aftastlijnen van de microscoop te roteren, die bij conventionele methoden nodig is. Daarnaast kan dynamische vervorming worden gemeten, aangezien de vereiste informatie slechts een single-shot-rasterbeeld bij elke lading is. Dit kan niet gedaan worden met de temporele faseverschuivende moiré methode, omdat er meerdere raster- of moirébeelden nodig zijn, samen met tijd bij elke belasting.
Hoewel de beschreven techniek voor eenvoudige 2D-stammetingen op de micro / nano-schalen zorgt, heeft het eigen beperkingen 23 , net als elke andere techniek. De gridhoogte in een opgenomen afbeelding moet groter zijn dan 1,8 pixels om 2-pixel of multi-pixel sampling moiré fringes te genereren. Als de rasterhoogte in de afbeelding ongeveer 2 pi isXels, kunnen de 2-pixel sampling moiré fringes dienen als de plaatsvervanger voor de microscoop scan moiré fringes, met hetzelfde gezichtsveld bij dezelfde vergroting. Als de rasterhoogte in een afbeelding ongeveer 1 pixel bij de hoogste scanresolutie van de microscoop is, wanneer de onderscheidende moiré fringes rechtstreeks waarneembaar zijn, kunnen monsters moiré fringes niet in dezelfde vergroting vormen. Hoewel monsters moiré fringes kunnen worden gegenereerd bij het vergroten van de microscoopvergroting, zal het zichtveld voor de vervormingsmeting afnemen. Gelukkig worden de scanresoluties van commerciële microscopen verbeterd, en in de meeste gevallen kunnen monsters van moiré fringes worden gegenereerd. Hoe hoger de scanresolutie, hoe groter het pixelnummer van één rasterhoogte, en hoe hoger de nauwkeurigheid van de meetmethode.
In tegenstelling tot de gereconstrueerde vermenigvuldiging moiré methode van 2-pixel sampling moiré friNges, de ruimtelijke faseverschuivende sampling moiré methode van multi-pixel sampling moiré fringes heeft een hogere verwerkingssnelheid en een hogere meetnauwkeurigheid maar een kleinere zichtveld. De keuze van de methode hangt af van het pixelnummer van de rasterhoogte van het monster of op de vereiste meetnauwkeurigheid en het zichtveld als het pixelnummer van de rasterhoogte van het monster controleerbaar is. Beide methoden zijn nuttig om niet-destructieve vervormingsmetingen te nemen en kwantitatieve evaluaties te maken van mechanische eigenschappen, kraakvoorkomen en -groei, restspanning, defectdetectie, structurele karakterisering, enz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door JSPS KAKENHI, subsidie nummers JP16K17988 en JP16K05996, en door het Kruisministeriële Strategische Innovatie Promotie Programma, Unit D66, Innovatieve Meting en Analyse voor Structuurmaterialen (SIP-IMASM), beheerd door het kabinet kantoor. De auteurs zijn ook dankbaar voor Drs. Satoshi Kishimoto en Kimiyoshi Naito bij NIMS voor hun CFRP materiaal.
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
- Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
- Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. Microcreep deformation measurements by a moiré method using electron beam lithography and electron beam scan. Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).
- Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
- Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. A curved surface micro-moiré method and its application in evaluating curved surface residual stress. Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002 (2014).
- Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images. Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis. Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).
- Wang, Q., Kishimoto, S. Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moiré fringes. J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021 (2012).
- Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moiré method. Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).
- Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
- Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moiré method and its application in the structure of butterfly wing. J. Appl. Phys. 101 (10), 103511 (2007).
- Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moiré method and its applications. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110 (2010).
- Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moiré method. Nanotechnology. 11 (1), 24 (2000).
- Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. A study on the digital nano-moiré method and its phase shifting technique. Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716 (2004).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moiré method. Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).
- Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
- Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. Theoretical analysis of moiré fringe multiplication under a scanning electron microscope. Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301 (2010).
- Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).
- Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., et al. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. Yoshida, S., et al. 3, Springer. 251-259 (2017).
- Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
- Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moiré method. Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).
- Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
- Ri, S., Muramatsu, T. Theoretical error analysis of the sampling moiré method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis. Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).
- Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Digital sampling Moiré as a substitute for microscope scanning Moiré for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales. Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).
- Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
- Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography. Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).
- Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography. Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101 (2012).
