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Engineering

Misura di distribuzione di sforzo micro / nano-scala da campionature Moiré Fringes

Published: May 23, 2017 doi: 10.3791/55739
Automatic Translation
1, 1, 1
1Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Summary

Qui viene presentata una tecnica di moiré di campionamento con metodi di campionamento a pixel da 2 pixel e multispagine per misure di distribuzione di strain ad alta precisione a micro / nano scala.

Abstract

Questo lavoro descrive la procedura di misurazione ei principi di una tecnica di moiré di campionamento per le misurazioni di deformazione a scala micro / nano a campo pieno. La tecnica sviluppata può essere eseguita in due modi: utilizzando il metodo moiré di moltiplicazione ricostruito o il metodo moiré di campionamento spostamento di fase. Quando l'intensità della griglia del campione è di circa 2 pixel, vengono creati frange di moiré di campionamento a 2 pixel per ricostruire un modello di moiré di moltiplicazione per una misura di deformazione. Entrambe le sensibilità di spostamento e di tendenza sono due volte più elevate rispetto al metodo di moiré tradizionale di scansione nello stesso ampio campo visivo. Quando l'intensità della griglia del campione è di circa o maggiore di 3 pixel, vengono creati fringere di moiré di campionamento a più pixel e una combinazione di tecniche di spostamento di fase per una misura di deformazione a campo pieno. L'accuratezza della misurazione del ceppo è notevolmente migliorata e la misura automatica del batch è facilmente raggiungibile.Entrambi i metodi possono misurare le distribuzioni bidimensionali (2D) di una singola immagine di griglia senza ruotare il campione o le linee di scansione, come nelle tecniche moiré tradizionali. Come esempi, le distribuzioni di spostamento e deformazione 2D, inclusi i ceppi di taglio di due esemplari di plastica rinforzati con fibra di carbonio, sono stati misurati in prove di flessione a tre punti. Si prevede che la tecnica proposta gioca un ruolo importante nelle valutazioni quantitative non distruttive delle proprietà meccaniche, fenomeni di crepe e sollecitazioni residue di una varietà di materiali.

Introduction

Le misure di deformazione a scala micro / nano sono fondamentali per valutare le proprietà meccaniche, i comportamenti di instabilità, le sollecitazioni residue e gli eventi di creazione di materiali avanzati. Poiché le tecniche ottiche sono non-contatti, a campo pieno e non distruttivo, sono stati sviluppati diversi metodi ottici per la misura della deformazione negli ultimi decenni. Negli ultimi anni, le tecniche di misura della deformazione a scala micro / nano includono principalmente i metodi moiré 1 , 2 , 3 , 4 , l'analisi di fase geometrica (GPA) 5 , 6 , la trasformazione di Fourier (FT), la correlazione digitale di immagini (DIC) e Interferometria elettronica a speckle (ESPI). Tra queste tecniche, GPA e FT non sono adatti per misure di deformazione complesse perché esistono più frequenze. Il metodo DIC è simMa impotente contro il rumore, perché il vettore di deformazione è speckle casuale. Infine, ESPI è fortemente sensibile alla vibrazione.

Tra i metodi di moiré micro / nano-scala, i metodi più comunemente utilizzati sono attualmente i metodi di scansione del microscopio moiré come moiré 7 , 8 , 9 , scansione laser moiré 10 , 11 e microscopio a forza atomica moiré 12 , E alcuni metodi di moiré basati sul microscopio, come il metodo moiré digitale / sovrapposto 13 , 14 , 15 e il metodo di moltiplicazione / frazionamento moiré 16 , 17 . Il metodo di moiré di scansione ha molti vantaggi, come un ampio campo visivo, alto rendimentoL'insensibilità al rumore casuale. Tuttavia, il metodo di moiré tradizionale di scansione è scomodo per le misurazioni di ceppo 2D perché è necessario ruotare la fase di campionamento o la direzione di scansione per 90 ° e scansionare due volte per generare le frange in moire in due direzioni 18 . La rotazione ei processi di scansione doppio introducono errori di rotazione e richiedono molto tempo, influenzando seriamente l'accuratezza della misurazione del ceppo 2D, in particolare per il ceppo di taglio. Anche se la tecnica temporale di spostamento di fase 19 , 20 può migliorare l'accuratezza della misurazione della deformazione, richiede tempo e un dispositivo di spostamento di fase speciale non adatto per test dinamici.

Il metodo di moiré di campionamento 21 , 22 ha un'alta precisione nelle misure di spostamento ed è ora utilizzato principalmente per misure di deflessione sui ponti quando le automobili pculo. Per estendere il metodo del moiré di campionamento a misure di tensione 2D a micro / nano scala, è stato recentemente sviluppato un metodo di moiré di moltiplicazione ricostituito 23 da due frange di moiré di campionamento a due pixel, in cui le misure sono due volte sensibili e l'ampio campo visivo della Viene mantenuto il metodo di scansione del moiré. Inoltre, il metodo di moiré di campionamento spostamento di fase è sviluppato anche dai fringoni moiré a campionamento multi-pixel, consentendo misure di strain ad alta precisione. Questo protocollo introdurrà la procedura dettagliata di misurazione del ceppo e dovrebbe aiutare i ricercatori e gli ingegneri a imparare a misurare la deformazione, migliorando i processi di produzione dei materiali e dei prodotti.

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Protocol

1. Conferma della griglia Micro / Nano Scala sul specchio

  1. Lavorazione del campione
    1. Tagliare il campione alle dimensioni richieste dal dispositivo di carico specifico impiegato sotto un microscopio ( ad es. 1 x 5 x 30 mm 3 ), rendendo la superficie osservata 1,5 volte superiore alla regione di interesse.
    2. Pianificare la superficie del campione da osservare ( ad esempio, 1 x 30 mm 2 ), successivamente utilizzando carta sabbia grossolana e fine su una macchina lucidatrice automatica ( ad esempio, utilizzare foglio di SiC # 320 per 3 min e poi 800 per 1 min a 150 giri / min E 30 N). Pulire il campione utilizzando acqua dopo ogni passo di lucidatura.
    3. Pianificare la stessa superficie del campione, successivamente utilizzando soluzioni di lucidatura grossolana e fine sulla macchina automatica lucidatrice ( ad esempio, utilizzare DP-Spray P 15 μm per 5 min, P 1 μm per 8 min e P 0,25 μm per 10 minuti a 150 giri / min 30 N). Pulire il campione utilizzando acqua dopo ogni polishinG passo.
  2. Fabbricazione della griglia Micro / Nano Scala Se non esiste un pattern periodico sul specimen
    NOTA: questa fase può essere omessa se esiste un pattern periodico naturale sulla scala micro / nano sulla superficie del campione. Scegliere il metodo di fabbricazione della griglia da: litografia a nano d'impronta UV (ultravioletta) o riscaldamento (NIL) 26 , litografia a fascio di elettroni (EBL) 2 e fresatura a fascio ionico (FIB) 6 .
    NOTA: il processo di fabbricazione della griglia viene introdotto qui, con l'esempio UV NIL.
    1. Far cadere 2 mL di resistenza UV sulla superficie del campione usando una pipetta.
    2. Applicare la resistenza sulla superficie del campione utilizzando un rivestimento di spin a 1.500 giri / min per 60 s.
    3. Premere uno stampo di nanoimpressione sullo strato resistente ad una pressione di 0,2 MPa. Esporre la resistenza a UV con una lunghezza d'onda di 375 nm per 30 s.
    4. Separare lo stampo nanoimprint dalla superficie del campione.
    5. Osservazione della griglia sul specchio utilizzando un microscopio
      1. Applicare un platino o uno strato d'oro con uno spessore di 3-10 nm sulla superficie della griglia usando un rivestimento ionico ( ad esempio, rivestimento per 30 s a 3 Pa con corrente di sputtering di 30 mA).
      2. Inserire il campione sotto un microscopio di scansione laser (LSM) 23 .
        NOTA: Possono essere utilizzati anche altri microscopi, quali un microscopio elettronico di trasmissione (TEM) 5 , un microscopio a forza atomica (AFM) 12 o un microscopio elettronico a scansione (SEM) 7 .
      3. Regolare la messa a fuoco e salvare un'immagine di griglia utilizzando il microscopio facendo clic su "Capture" e "File | Export | File di immagine" nel software di registrazione dell'immagine del microscopio.
    6. Calcolo del punto di griglia (nm o μm) del campione dalla griglia
      1. Calcolare il valore medio di più di 10 grId nella zona centrale della griglia per evitare l'influenza potenziale della distorsione della scansione o della lente.
        NOTA: la griglia del campione può essere salvata per diversi giorni a temperatura ambiente.

    2. Acquisizione di immagini in griglia nel test di caricamento

    1. Preparazione del test di carico sotto il microscopio
      1. Fissare il campione ad un dispositivo di carico, come un dispositivo di carico, di compressione, di riscaldamento o di carico elettrico, sotto il microscopio.
        NOTA: Se l'altezza della griglia è inferiore a 20 nm, è necessario utilizzare un TEM o un AFM. Se l'altezza della griglia è di 20 nm a 10 μm, è possibile utilizzare un SEM. Se l'altezza della griglia è superiore a 400 nm, è possibile utilizzare un LSM.
      2. Impostare la velocità di carico ( ad es. 0,01 mm / s) e il passo incrementale del carico o dello spostamento ( ad esempio, 0,5 N / passo o 0,024 mm / passo) secondo i requisiti specifici. Predisporre sia il carico che lo spostamento a zero.
      3. Fare la griglia a navigareAsso nel piano di osservazione. Scegliere un'area di interesse con un ingrandimento basso spostando o ruotando la fase del campione del microscopio.
      4. Selezionare un ingrandimento appropriato rendendo il passo della griglia nell'immagine maggiore di 1,8 × un pixel.
        NOTA: di solito, è meglio rendere il passo della griglia nell'immagine maggiore di 2 pixel. Più i pixel corrispondono ad un passo di griglia, maggiore è la precisione della misura di deformazione, ma più è il campo visivo della misura.
    2. Raccolta di immagini di griglia nel test di caricamento
      1. Salvare un'immagine di griglia dell'area di interesse prima del caricamento facendo clic su "Acquisisci" e "File | Esporta | File di immagine" nel software di registrazione dell'immagine del microscopio.
      2. Iniziare a caricare il campione in situ sul microscopio esercitando il primo passo di carico ( ad es. 0,5 N o 0,024 mm) utilizzando il software operativo del dispositivo di caricamento.
      3. RecOrdinare un'immagine di griglia dell'area di interesse dopo il primo passo di caricamento ( ad esempio, a 0,5 N o 0,024 mm) facendo clic su "Acquisisci" e "File | Esporta | File immagine" nel software di registrazione dell'immagine del microscopio. Assicurarsi che l'ingrandimento e la distanza di lavoro del microscopio rimangano invariati.
      4. Continuare a caricare il campione esercitando ogni passo di carico utilizzando il dispositivo di caricamento. Registrare l'immagine della griglia dopo ogni passo di caricamento finché il campione non viene interrotto o fino ad ottenere un determinato valore ( ad esempio, caricare 19 volte e registrare 19 immagini a griglia a 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, a intervalli di 0,5 N; oppure a 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm, a intervalli di 0,024 mm). Assicurarsi che l'ingrandimento e la distanza di lavoro del microscopio rimangano invariati.
        NOTA: Le immagini della griglia possono essere salvate per un periodo arbitrariamente prolungato.

    3. Generazione di campionamenti Moiré Fringes prima e dopo Deformazione

    1. Stima dei punti di griglia (pixel) nelle immagini della griglia
      1. Stima il livello di griglia (unità: pixel) nell'immagine della griglia prima di caricare misurando la distanza tra i centri di due punti di griglia adiacenti in un software di elaborazione delle immagini ( ad esempio, Microsoft Paint).
      2. Stima il passo della griglia nell'immagine della griglia al massimo carico.
    2. Determinazione del campione di campionamento (pixel)
      1. Passare al punto 3.2.2 quando le griglie di griglia prima e dopo la deformazione sono tra 1,8 e 2,5 pixel. Andare al punto 3.2.3 quando la griglia passa prima e dopo la deformazione sono tra 2,4 e 3,6 pixel. Salta alla fase 3.2.4 quando la griglia passa prima e dopo la deformazione è maggiore di 3,2 pixel.
      2. Impostare il passo di campionamento su T = 2 pixel. Andare al punto 3.3.
      3. Impostare il passo di campionamento a T = 3 pixel. Andare al punto 3.3.
      4. Impostare il passo di campionamento T su un positivoIntero compreso tra 0.75x e 1.25x i punti di griglia prima e dopo la deformazione, determinati da abbondanti risultati di simulazione 22 .
        NOTA: se ci sono 2 interi positivi che soddisfano i requisiti di cui ai punti 3.2.1 e 3.2.4, è meglio scegliere l'intero maggiore come il passo di campionamento. Se ci sono 3 o più interi positivi che soddisfano i requisiti, è meglio scegliere l'intero mezzo, purché sia ​​un po 'più grande del passo di campionamento.
    3. Generazione dei campioni di Moiré di campionamento prima della deformazione
      1. Aprire l'immagine della griglia prima della deformazione. Supponendo che la direzione x sia orizzontalmente a destra, la direzione y è in verticale verso il basso e la coordinata (0, 0) si trova nell'angolo in alto a sinistra, calcola la larghezza dell'immagine W nella direzione x e l'altezza dell'immagine H nella direzione y .
        NOTA: la direzione y può anche essere definita comeVerticalmente verso l'alto.
      2. Passare al punto 3.3.3 per generare bordi moiré nella direzione y . Andare al passo 3.3.7 per generare bordi moiré nella direzione x .
      3. Procedere all'immagine della griglia ad un'immagine di griglia utilizzando un filtro passa-basso (LPF). Ad esempio, utilizzare un algoritmo FT per sopprimere la griglia, con una direzione principale di x , dove la direzione principale è definita come la direzione perpendicolare alle linee di griglia. Impostare la dimensione del filtro per essere vicino al passo della griglia.
      4. Sottila l'immagine della griglia estraendo solo i valori grigi in più linee orizzontali, con la spaziatura del passo di campionamento T ( T ≥2) da y = k pixel ( k = 0) ( Figura 1 ) ( cioè, Valori in linee di campionamento di y = k pixel, y = k + T pixel, ..., y = k + pixel iT , dove i è un poInteger sessuale). Effettuare la coordinata dell'ultima linea di campionamento, k + iT , inferiore all'altezza dell'immagine H.
      5. Genera un modello di moiré di campionamento nella direzione y eseguendo interpolazione dell'intensità di campo (lineare o B-spline) dell'immagine con linee orizzontali di campionamento.
      6. Generare altri modelli di moiré di campionamento T -1 nella direzione y ripetendo i passaggi 3.3.4 e 3.3.5 T -1 volte cambiando k al passo incrementale di 1 pixel ( cioè spostando il punto iniziale di spianatura a y = k Pixel; k = 1, ..., T -1).
      7. Utilizzare le stesse procedure descritte nei passaggi 3.3.3-3.3.6 per generare i pattern moiré di campionamento di spostamento di fase spaziale T nella direzione x cambiando da x a y nel passo 3.3.3, modificando l'altezza dell'immagine H alla larghezza dell'immagine W , E cambiando y a x nei passaggi 3.3.4-3.3.6.
        NOTA: Il passo di campionamento nella direzione x può essere diverso da quello nella direzione y .
    4. Generazione di campionamenti Moiré Fringes dopo deformazione
      1. Aprire tutte le immagini della griglia a diversi carichi. Supponiamo che il numero di immagini della griglia sia N.
      2. Generare gruppi N di frange di moiré di spostamento di fase spaziale T nella direzione y ripetendo i passaggi 3.3.3-3.3.6 N volte.
      3. Generare gruppi N di frange di moiré spostamento di fase spaziale T nella direzione x ripetendo il passo 3.3.7 N volte.

    4. Misurazione della deformazione del campione nel test di carico

    1. Determinazione delle intensità delle frese Moiré prima e dopo la deformazione
      1. Estrarre le intensità delle frange di T -step moiré prima della deformazione in tLa direzione y nei punti 3.3.5 e 3.3.6; Determinare le intensità moiré nella direzione x nel passo 3.3.7. Descrivere le intensità del moiré dell'origine T ( T ≥2) prima della deformazione nella direzione j ( j = x , y ) utilizzando la seguente equazione 23 :
        Equazione 1 (1)
        Dove p j è il passo della griglia prima della deformazione nella direzione j ( j = x , y ), A è l'ampiezza modulata e D include lo sfondo e le intensità di frequenza più elevata.
      2. Estrarre le intensità delle frange di T -step moiré dopo la deformazione nella direzione y nel punto 3.4.2 e determinare quelle intensità moiré nella direzione x nel punto 3.4.3. Descrivere le intensità Moiré dopo la deformazione ( T ≥ 2)Nella direzione j ( j = x , y ) usando la stessa equazione come sopra (equazione 1) cambiando I m, j ( k ), p j , A e D per I ' m, j ( k ), p ' J , A 'e D ', dove la citazione singola superscript significa dopo la deformazione.
        NOTA: Se il passo di campionamento è di T ≥ 3 pixel, ignorate questo passaggio e passate al punto 4.3.
      1. Ricostruire le fronde moiré di moltiplicazione dall'interferenza moltiplicativa tra le intensità moiré di campionamento a due stadi ( Figura 1a ) prima della deformazione utilizzando la seguente equazione 23
        Equazione 2 (2)
        Dove io multi, j sta per l'intensità oI ricostruiti moltiplicazione moiré frange nella direzione j ( j = x , y ) prima della deformazione.
      2. Procedere con la tecnica di centraggio delle frange 24 ore prima della deformazione. Assegnare interi e interi interi consecutivi f j = [1, 1,5, 2, 2,5, ...] agli ordini della frangia alle linee centrali del moiré di moltiplicazione ricostruito.
        NOTA: Se le frange di moiré di moltiplicazione sono troppo dense, è possibile determinare innanzitutto gli ordini di frantumazione del moiré di campionamento in due fasi ( ad esempio, f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] F j (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). L'ordine di frange dei margini di moltiplicazione moiré sarà f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...]. Lo spostamento del corpo rigido non influisce sul risultato della deformazione.
      3. Misurare il ceppo relativo del campione prima della deformazione rispetto al passo di campionamento utilizzando le seguenti equazioni 23
        Equazione 3 (3)
        Equazione 4 (4)
        Dove u j _rela e ε j_rela rappresentano rispettivamente lo spostamento relativo e il ceppo relativo del campione prima della deformazione nella direzione j ( j = x , y ), e γ xy_rela esprime il relativo ceppo di taglio prima della deformazione.
      4. Ripetere i passaggi 4.2.1-4.2.3 per determinare i ceppi relativi del campione dopo la deformazione nelle direzioni x e y per N volte, cambiando I multi, j , I m, j (0), I m, j I ' multi, j , I ' (1), p j , A , D, u j _rela ( j = x , y ) M, j (0), i , j (1), p ' j , A ', D ', u'jrrela (j = x, y), ε ' jrrela e γ 'xyrrela , Dove la citazione singola superscript significa dopo la deformazione.
      5. Determinare il ceppo normale ε j nella direzione j ( j = x , y ), ovvero la variazione relativa dell'intensità della griglia e del ceppo di taglio, γ xy , che è l'assolutoVariazione dell'angolo della griglia del campione causato dal carico dai ceppi relativi prima e dopo la deformazione 20 .
        Equazione 5 (5)
        Equazione 6 (6)
    3. Misurazione della deformazione Quando il campione di campionamento è di T ≥ 3 pixel
      1. Calcola la fase delle curve moiré di campionamento nella direzione j ( j = x , y ) prima della deformazione quando k = 0 ( Figura 1b ) utilizzando la tecnica di spostamento di fase spaziale 21
        Equazione 7 (7)
      2. Ottenere la fase dei margini del moiré di campionamento nella direzione j ( j = x , y ) dopo la deformazione quando k = 0 sostituendo φ m, j e I m, j ( k ) nell'equazione (7) con φ ' m, j e i' m, j ( k ), rispettivamente, dove la citazione singola superscript significa dopo deformazione. Ripetere N volte per carichi N.
        NOTA: Se nelle fasi 4.3.1 e 4.3.2 vi è troppa rumore casuale, è possibile utilizzare un filtro sin / cos 25 per lisciare le fasi.
      3. Determinare la differenza di fase dei margini del moiré di campionamento nella direzione j ( j = x , y ) prima e dopo la deformazione ( vale a dire, Δ φ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Misurare le distribuzioni dello spostamento u j , il ceppo normale ε j nella j = x , y ) e il ceppo di taglio γ xy del campione causato dal carico. Utilizzare le seguenti equazioni 6 , 21
        Equazione 8 (8)
        Equazione 9 (9)
        Equazione 10 (10)
        NOTA: Se si riscontrano troppi rumori nelle distribuzioni di tensione, è possibile utilizzare un filtro medio di levigatura con una dimensione del filtro inferiore a 2 punti di griglia.
    4. Risultato di memorizzazione
      1. Salvare i dati dei margini del moiré, le fasi (quando il passo di campionamento è T ≥3 pixel), gli spostamenti e i ceppi nelle forme di immagini, come file .tif o .bmp e testo, ad esempio .txt o .csv File.

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Representative Results

Le distribuzioni di spostamento e deformazione 2D di due campioni in plastica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP) (n. 1 e n. 2) sono state misurate in base al principio di formazione del moiré 23 e al processo di misurazione ( Figura 1 ). I campioni CFRP sono stati costituiti da fibre di carbonio K13D di diametro 10-11 μm e resine epossidiche. La deformazione del CFRP # 1 è stata determinata utilizzando il metodo moiré di moltiplicazione ricostruito da frange di moiré a due campioni di campionamento e quello di CFRP # 2 è stato misurato utilizzando il metodo moiré di campionamento a spostamento di fase fisico da fringere di moiré a tre campioni.

A) Misurazione della deformazione del CFRP # 1

Lo spessore, la lunghezza e la larghezza del CFRP # 1 erano rispettivamente di 1 mm, 22 mm e 4 mm ( Figura 2a ). La lunghezza dL'irrezione di tutte le fibre è stata perpendicolare alla superficie di 1 × 22 mm 2 , che è stata lucidata utilizzando sabbie e soluzioni di lucidatura. Una griglia con un passo di 3,0 μm è stata fabbricata sulla superficie lucidata utilizzando la litografia UV nanoimprint ( Figura 2b ). Un misuratore di deformazione è stato incollato sulla superficie inferiore 4 × 22 mm 2 per monitorare il più grande ceppo di trazione.

Una prova di flessione a tre punti è stata eseguita su CFRP # 1 usando un jig di carico, con un campo di supporto di 16 mm, sotto un microscopio di scansione laser. Il rapporto di span-to-depth è stato di 16 secondo le norme americane per la società di test e materiali (ASTM). Sono state registrate le immagini della griglia quando sono stati registrati 0 e 0.00533 ( figura 2b ). L'ingrandimento della lente obiettivo del microscopio era di 5 × e la risoluzione di scansione era di 1.024 x 1.024. La direzione x è orizzontalmenteVerso destra e la direzione y è verticalmente verso l'alto.

Poiché i punti di griglia su CFRP # 1 in entrambe le direzioni x e y erano circa 2 pixel nell'immagine registrata, i campi di campionamento in basso nelle due direzioni erano impostati per essere T = 2 pixel per la misura della deformazione. Per evitare l'influenza potenziale della distorsione di scansione, un'area centrale con dimensioni di 1,26 x 0,53 mm 2 è stata scelta come area di interesse. Da un campionamento di 2 pixel e l'equazione (2), i pattern di moiré di campionamento a due stadi e il modello moiré di moltiplicazione ricostruito sono stati generati dopo la deformazione ( Figura 2c ). Usando le equazioni (3) e (4), è stata calcolata la deformazione relativa al passo di campionamento quando il valore del manometro è stato 0,00533. Allo stesso modo, è stata ottenuta anche la deformazione relativa quando il valore del calibro è 0. Infine, le distribuzioni effettive di deformazione, inc( 2d ), i ceppi normali 2D e il ceppo di taglio ( figura 2e ), sono stati misurati utilizzando le equazioni (5) e (6).

Dalle distribuzioni di spostamento ( Figura 2d ), lo spostamento x -direzionale è positivo agli angoli in alto a sinistra e in basso a destra, ma negativi agli altri due angoli. Lo spostamento di direzione y è negativo in tutta la zona e ad un minimo nella zona centrale. Questo è d'accordo con le caratteristiche di deformazione di un campione di piegatura. Dalle distribuzioni di tensione ( Figura 2e ), la zona superiore presenta un ceppo di compressione nella direzione x, ma il ceppo di trazione nella direzione y , mentre la zona inferiore presenta tensione di trazione nella direzione x, ma ceppo compressivo nella direzione y , dimostrando una deformazione interessante characteristic. Il ceppo di taglio è negativo nell'area sinistra e positivo nell'area destra, conforme alla proprietà di curvatura.

B) Misurazione della deformazione del CFRP # 2

Lo spessore, la lunghezza e la larghezza del laminato CFRP # 2 erano rispettivamente di 1 mm, 30 mm e 5 mm ( Figura 3a ). C'erano 8 strati e lo spessore di ogni strato era di 0,13 mm. La direzione di lunghezza di tutte le fibre era perpendicolare alla superficie di 1 x 30 mm 2 , che è stata lucidata utilizzando carte di sabbia e soluzioni di lucidatura. Una griglia con passo di 3,7 μm è stata poi fabbricata sulla superficie lucidata utilizzando la litografia UV nanoimprint ( Figura 3b ).

Un test di flessione a tre punti è stato effettuato utilizzando un jig di carico, con un campo di supporto di 16 mm, sotto un microscopio a scansione laser. La span-to-dL'epth ratio è stato anche 16. L'immagine della griglia al precarico di 0.2 N è stata registrata per la prima volta. Quando il carico era di 10,8 N e la deviazione era -200 μm, anche l'immagine deformata della griglia è stata registrata ( Figura 3b ). L'ingrandimento della lente obiettivo del microscopio era di 5x, lo zoom dell'immagine era del 120% e la risoluzione di scansione era di 1.024 x 1.024 pixel. La direzione x è orizzontalmente a destra e la direzione y è verticale verso l'alto.

Poiché le piazzole di griglia su CFRP # 2 in entrambe le direzioni x e y erano circa 3 pixel nell'immagine registrata, i campi di campionamento in basso nelle due direzioni erano impostati per essere T = 3 pixel per la misura della deformazione. Per evitare l'influenza potenziale della distorsione di scansione, è stata scelta come area di interesse un'area centrale di dimensioni di 1,15 x 0,49 mm2. Utilizzando il metodo descritto al punto 4.3, la fase moiré disSono state ottenute tribuzioni a 0,2 N e 10,8 N in entrambe le direzioni x e y ( Figura 3c ). Sono state determinate le distribuzioni degli spostamenti 2D a livello ( Figura 3d ), i ceppi normali 2D e il ceppo di taglio ( Figura 3e ).

Le caratteristiche di distribuzione dello spostamento ( Figura 3d ) di CFRP # 2 sono simili a quelle di CFRP # 1 ( Figura 2d ), eccetto che lo spostamento di direzione y è leggermente diverso. Le caratteristiche del ceppo x- direzionale e del ceppo di taglio di CFRP # 2 ( Figura 3e ) sono uguali a quelle di CFRP # 1 ( figura 2e ), accettando le caratteristiche di deformazione di un campione di curvatura. Tuttavia, il ceppo y- direzionale di CFRP # 2 ( Figura 3e ) è diffPiù diverso da quello del CFRP # 1 perché CFRP # 2 è un campione laminato. Diversi strati possono essere osservati dalla distribuzione del ceppo y- direzionale, che è quasi negativo in tutta la zona.

Figura 1
Figura 1: Principio di formazione del moiré di campionamento e processo di misurazione. ( A ) Principio di generazione di moiré ricostruito da bordi di moiré di campionamento a 2 pixel quando il passo di campionamento è T = 2 pixel. ( B ) Principio di formazione delle frange di moiré di campionamento a fase multipla e del processo di misurazione per la fase moiré quando il passo di campionamento è di T ≥3 pixel. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Risultati della misura della deformazione del CFRP # 1. ( A ) Configurazione sperimentale della prova di flessione a tre punti con un microscopio laser e lo schema dei campioni. ( B ) La superficie osservata di CFRP # 1 con una micro griglia. ( C ) i modelli moiré di campionamento a due passi e il modello moiré di moltiplicazione ricostituito quando il valore del manometro era 0,00533. ( D ) le distribuzioni misurate di spostamento nelle direzioni x e y . E ) le distribuzioni misurate della direzione x, della direzione y e dei ceppi di taglio di CFRP # 1. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Risultati della misura della deformazione del laminato CFRP # 2. ( A ) Schema della prova di flessione a tre punti sotto un microscopio laser. ( B ) La superficie osservata di CFRP # 2 con una micro griglia. ( C ) Distribuzioni delle fasce di moiré di campionamento (range: -π ~ π) alla precarica di 0,2 N e carico 10,8 N nelle direzioni x e y . ( D ) Le distribuzioni di spostamento misurato nelle direzioni x e y , dove la deformazione (-200 μm) nella direzione y non è stata visualizzata. E ) le distribuzioni misurate della direzione x, della direzione y e dei ceppi di taglio di CFRP # 2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Nella tecnica descritta, un passo impegnativo è la realizzazione della griglia di micro / nano scala o di griglia (abbreviata come griglia) 26 se sul modello non esiste un pattern periodico. Il passo della griglia deve essere uniforme prima della deformazione perché è un parametro importante per la misura della deformazione. Se il materiale è un metallo, una litografia in metallo o una ceramica, la litografia a nano d'impronta UV o riscaldamento (NIL) 27 , la litografia a fascio di elettroni (EBL) 2 , la fresatura a fascio ionico (FIB) 6 o il metodo della duplicazione della griglia 26 usato. Se il materiale contiene un polimero debole, non si suggerisce la fresatura EBL e FIB. Quando un componente del materiale non è resistente al calore, il riscaldamento NIL non può essere utilizzato. Se il campione è un film sottile, il metodo duplicato della griglia è difficile da applicare perché non è facile separare il campione.

Il passo critico per ilLa misura della strain dell'immagine della griglia prima e dopo la deformazione utilizzando la tecnica proposta è la generazione di frange di moiré 22 di campionamento, il cui principio è diverso dal principio di formazione delle frange di moiré tradizionali di interferenza. Per generare campioni di moiré di campionamento distinti, è consigliato un filtro passa-basso, ad esempio un algoritmo FT, per eliminare linee o punti indesiderati. Se le frange del moiré di campionamento sono indistinte dopo il campionamento in basso ( ad esempio, sfilando l'immagine della griglia) e l'interpolazione lineare-intensità, è possibile applicare un filtro di levigatura, ad esempio un filtro medio, prima di eseguire il campionamento in basso. Un'algoritmo di interpolazione B-spline di secondo o addirittura terzo ordine può essere utilizzato per l'interpolazione dell'intensità per generare estremi campi di moiré di campionamento.

Rispetto ai metodi moiré tradizionali, la proposta tecnica di moiré di campionamento per la misura della distribuzione di ceppi ha il vantaggio di essereUna semplice misurazione della tensione 2D e che ha una lavorazione semplice, alta sensibilità alla deformazione ad alta velocità, elevata precisione di misura 23 . La misurazione del ceppo 2D può essere facilmente eseguita senza ruotare la fase del campione o le linee di scansione del microscopio, che è necessario nei metodi convenzionali. Inoltre, può essere misurata la deformazione dinamica, in quanto le informazioni richieste sono solo un'immagine a griglia singola a ogni carico. Questo non può essere fatto con il metodo moiré temporale di spostamento di fase, poiché sono necessarie diverse immagini griglia o moiré, insieme al tempo ad ogni carico.

Sebbene la tecnica descritta consente di effettuare misure di strappo 2D semplici alle bilance micro / nano, ha le proprie limitazioni 23 , come tutte le altre tecniche. Il passo della griglia in un'immagine registrata dovrebbe essere maggiore di 1,8 pixel per generare i bordi del moiré a due pixel oa più pixel. Se l'altezza della griglia nell'immagine è di circa 2 piXels, i bordi del moiré di campionamento a 2 pixel possono servire come sostituto per i microfoni scanning moiré, con lo stesso campo visivo allo stesso ingrandimento. Tuttavia, se l'altezza della griglia in un'immagine è di circa 1 pixel alla risoluzione di scansione più elevata del microscopio, quando le estremi di moiré di scansione distinte sono direttamente osservabili, i margini di moiré di campionamento non saranno in grado di formarsi allo stesso ingrandimento. Anche se i campioni di moiré di campionamento possono essere generati quando si aumenta l'ingrandimento del microscopio, il campo di vista della misura di deformazione diminuirà. Fortunatamente, le risoluzioni di scansione dei microscopi commerciali si stanno migliorando, e nella maggior parte dei casi possono essere generati campioni di frange di moiré. Maggiore è la risoluzione di scansione, maggiore è il numero di pixel di un passo di griglia e maggiore è la precisione di misura della deformazione.

Al contrario del metodo moiré di moltiplicazione ricostruito da moiré fri di campionamento a 2 pixelNges, il metodo di moiré di campionamento spostamento fase-fase da fringere moiré a campionamento multi-pixel ha una velocità di elaborazione più elevata e un'accuratezza di misurazione più elevata, ma un campo visivo più piccolo. La scelta del metodo dipende dal numero di pixel dell'intensità della griglia del campione o sulla precisione richiesta e dal campo visivo se il numero di pixel del campo di griglia del campione è controllabile. Entrambi i metodi sono utili per prendere misure di deformazione non distruttive e fare valutazioni quantitative delle proprietà meccaniche, occorrenze e crescita della crepe, sollecitazioni residue, rilevamento dei difetti, caratterizzazione strutturale ecc.

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Disclosures

Gli autori non hanno niente da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto da JSPS KAKENHI, i numeri di sovvenzione JP16K17988 e JP16K05996 e dal Programma di promozione strategica dell'Innovazione Strategica Cross-Ministerial Unit D66, Misurazione Innovativa e Analisi per i Materiali Strutturali (SIP-IMASM), gestito dall'ufficio del mobile. Gli autori sono anche grati al Dott. Satoshi Kishimoto e Kimiyoshi Naito a NIMS per il loro materiale 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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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