Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Pomiar rozkładu odkształceń w skali mikro/nano na podstawie pobierania próbek prążków mory

11.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55739

⸱

23 maja 2017

 ,  , 
1Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

W tym artykule

Podsumowanie

Technika próbkowania mory z 2-pikselowymi i wielopikselowymi metodami próbkowania do bardzo dokładnych pomiarów rozkładu odkształceń w skali mikro/nano jest tutaj prezentowana.

Streszczenie

Ta praca opisuje procedurę pomiarową i zasady techniki próbkowania mory do pomiarów deformacji w skali mikro/nano w pełnym polu. Opracowana technika może być realizowana na dwa sposoby: metodą zrekonstruowanego prążkowania mory lub metodą przestrzennego próbkowania mory z przesunięciem fazowym. Gdy rozstaw siatki próbki wynosi około 2 pikseli, generowane są 2-pikselowe prążki mory próbkowania w celu zrekonstruowania wzoru mory mnożenia w celu pomiaru deformacji. Zarówno czułość na przemieszczenie, jak i odkształcenie są dwukrotnie wyższe niż w tradycyjnej metodzie skanowania mory przy tym samym szerokim polu widzenia. Gdy rozstaw siatki próbki wynosi około lub więcej niż 3 piksele, generowane są wielopikselowe prążki mory do próbkowania, a technika przestrzennego przesunięcia fazowego jest łączona w celu pomiaru deformacji całego pola. Dokładność pomiaru odkształcenia jest znacznie poprawiona, a automatyczny pomiar partii jest łatwo osiągalny. Obie metody umożliwiają pomiar dwuwymiarowego (2D) rozkładu odkształceń na podstawie pojedynczego obrazu siatki bez obracania próbki lub linii skanowania, jak w tradycyjnych technikach mory. Na przykład przemieszczenie 2D i rozkład odkształceń, w tym odkształcenia ścinające dwóch próbek tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym, zostały zmierzone w testach zginania trzypunktowego. Oczekuje się, że proponowana technika odegra ważną rolę w nieniszczących ocenach ilościowych właściwości mechanicznych, występowania pęknięć i naprężeń szczątkowych różnych materiałów.

Wprowadzenie

Pomiary deformacji w skali mikro/nano są niezbędne do oceny właściwości mechanicznych, niestabilności, naprężeń szczątkowych i występowania pęknięć w zaawansowanych materiałach. Ponieważ techniki optyczne są bezkontaktowe, pełnopolowe i nieniszczące, w ciągu ostatnich kilku dekad opracowano różne metody optyczne pomiaru odkształceń. W ostatnich latach techniki pomiaru deformacji w skali mikro/nano obejmują głównie metody mory1,2,3,4, geometryczna analiza fazowa (GPA)5,6, transformacja Fouriera (FT), cyfrowa korelacja obrazu (DIC) i elektronowa interferometria plamkowa (ESPI). Wśród tych technik GPA i FT nie nadają się do złożonych pomiarów deformacji, ponieważ istnieje wiele częstotliwości. Metoda DIC jest prosta, ale bezsilna wobec szumu, ponieważ nośnikiem deformacji jest losowa plamka. Wreszcie, ESPI jest bardzo wrażliwy na wibracje.

Wśród metod mory w skali mikro/nano, obecnie najczęściej stosowanymi metodami są metody mory skaningowej pod mikroskopem, takie jak mora skanująca elektronami7,8,9, skanowanie laserowe moiré10,11, oraz mikroskop sił atomowych (AFM) moiré12oraz niektóre metody mory oparte na mikroskopie, takie jak cyfrowa/nakładająca się mora < class="xref">13,14,15 oraz metoda mnożenia/ułamkowej mory16,17. Metoda skanowania mory ma wiele zalet, takich jak szerokie pole widzenia, wysoka rozdzielczość i niewrażliwość na przypadkowe szumy. Jednak tradycyjna metoda skanowania mory jest niewygodna w przypadku pomiarów odkształceń 2D, ponieważ konieczne jest obrócenie stolika próbki lub kierunku skanowania o 90° i dwukrotne skanowanie w celu wygenerowania prążków mory w dwóch kierunkach18. Procesy rotacji i podwójnego skanowania wprowadzają błąd obrotu i zajmują dużo czasu, co poważnie wpływa na dokładność pomiaru odkształcenia 2D, szczególnie w przypadku odkształcenia ścinającego. Chociaż technika czasowego przesunięcia fazowego19,20 może poprawić dokładność pomiaru odkształceń, wymaga czasu i specjalnego urządzenia do przesunięcia fazowego, które nie nadaje się do testów dynamicznych.

Metoda próbkowania mory21,22 ma wysoką dokładność w pomiarach przemieszczeń i jest obecnie używana głównie do pomiarów ugięcia na mostach, gdy przejeżdżają samochody. Aby rozszerzyć metodę próbkowania mory na pomiary odkształceń 2D w skali mikro/nano, opracowano zrekonstruowaną metodę mory mnożenia23 z 2-pikselowych prążków mory do próbkowania, w której pomiary są dwa razy bardziej czułe i zachowane jest szerokie pole widzenia metody mory skanującej. Co więcej, metoda przestrzennego próbkowania mory z przesunięciem fazowym została również opracowana z wielopikselowych prążków mory, co pozwala na bardzo dokładne pomiary odkształceń. Protokół ten wprowadzi szczegółową procedurę pomiaru odkształceń i ma pomóc naukowcom i inżynierom w nauce pomiaru odkształceń, usprawniając procesy produkcyjne materiałów i produktów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Potwierdzenie obecności siatki w skali mikro/nano na preparacie

  1. Obróbka próbki
    1. Przyciąć próbkę pod mikroskopem do rozmiaru wymaganego przez konkretnie zastosowane urządzenie obciążające (np. 1 x 5 x 30 mm3), dzięki czemu obserwowana powierzchnia jest 1,5-krotnie większa od obszaru zainteresowania.
    2. Wypoleruj powierzchnię próbki przeznaczonej do obserwacji (np. 1 x 30 mm2), kolejno używając papieru ściernego o grubej i drobnej ziarnistości na automatycznej polerarce (np. użyć folii SiC o gradacji #320 przez 3 min, a następnie #800 przez 1 min (przy 150 obr./min i sile nacisku 30 N). Po każdym etapie polerowania oczyścić próbkę wodą.
    3. Poleruj powierzchnię tej samej próbki, stosując kolejno gruboziarniste i drobnoziarniste zawiesiny polerskie na automatycznej polerarce (np. użyć preparatu DP-Spray P 15 µm przez 5 min, P 1 µm przez 8 min, a P 0.25 µm przez 10 min przy 150 obr./min i 30 N). Po każdym etapie polerowania należy oczyścić próbkę wodą.
  2. Wytwarzanie siatki w skali mikro/nano w przypadku braku wzoru okresowego na próbce
    UWAGA: Ten krok można pominąć, jeśli na powierzchni próbki występuje naturalny wzór okresowy w skali mikro/nano. Wybrać jedną z poniższych metod wytwarzania siatki: litografię nanodrukową (NIL) z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego (UV) lub termiczną.26, litografia wiązką elektronów (EBL)2or trawienie wiązką skupionego jonów (FIB)6.
    UWAGA: W tym miejscu przedstawiono proces wytwarzania siatki, posługując się nanolitografią UV (UV NIL) jako przykładem.
    1. Za pomocą pipety nanieś 2 ml fotorezystu na powierzchnię próbki.
    2. Nanieść rezyst na powierzchnię próbki za pomocą powlekarki rotacyjnej przy 1500 obr./min przez 60 s.
    3. Przyciśnij formę do nanodruku do warstwy rezystu z naciskiem 0,2 MPa. Naświetlaj rezyst promieniowaniem UV o długości fali 375 nm przez 30 s.
    4. Oddziel formę do nanoimprintingu od powierzchni próbki.
  3. Obserwacja siatki na preparacie przy użyciu mikroskopu
    1. Nanieś warstwę platyny lub złota o grubości 3–10 nm na powierzchnię siatki za pomocą napylacza jonowego (np. powlekanie przez 30 s przy ciśnieniu 3 Pa i prądzie rozpylania 30 mA).
    2. Umieść preparat pod mikroskopem skanującym laserowo (LSM)23.
      UWAGA: Można również użyć innych mikroskopów, np. transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM)5, mikroskop sił atomowych (AFM)12lub skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)7.
    3. Ustaw ostrość i zapisz jeden obraz siatki za pomocą mikroskopu, klikając „Capture”, a następnie „File | Export | Image File” w oprogramowaniu do rejestracji obrazów mikroskopu.
  4. Obliczanie skoku siatki (nm lub µm) preparatu z obrazu siatki
    1. Oblicz średnią wartość z ponad 10 odstępów siatki w centralnej części obrazu siatki, aby uniknąć potencjalnego wpływu dystorsji skanowania lub soczewki.
      UWAGA: Siatka z preparatem może być przechowywana przez kilka dni w temperaturze pokojowej.

2. Pozyskiwanie obrazów siatki w teście obciążeniowym

  1. Przygotowanie testu obciążeniowego pod mikroskopem
    1. Zamocuj próbkę w urządzeniu obciążającym, takim jak urządzenie do rozciągania, ściskania, grzania lub obciążania elektrycznego, pod mikroskopem.
      UWAGA: Jeśli skok siatki jest mniejszy niż 20 nm, należy użyć TEM lub AFM. Jeśli skok siatki wynosi od 20 nm do 10 µm, można użyć SEM. Jeśli skok siatki jest większy niż 400 nm, można użyć LSM.
    2. Ustaw prędkość obciążania (np. 0,01 mm/s) oraz przyrostowy krok obciążenia lub przemieszczenia (np. 0,5 N/krok lub 0,024 mm/krok) zgodnie z konkretnymi wymaganiami. Wyzeruj zarówno obciążenie, jak i przemieszczenie.
    3. Ustaw powierzchnię siatki w płaszczyźnie obserwacji. Wybierz obszar zainteresowania przy niskim powiększeniu, przemieszczając lub obracając stolikiem mikroskopu.
    4. Wybierz odpowiednie powiększenie tak, aby skok siatki na obrazie był większy niż 1,8× rozmiar jednego piksela.
      UWAGA: Zazwyczaj lepiej jest ustawić skok siatki na obrazie na wartość większą niż 2 piksele. Im więcej pikseli odpowiada jednemu skokowi siatki, tym wyższa jest dokładność pomiaru odkształcenia, ale mniejsze jest pole widzenia pomiaru.
  2. Gromadzenie obrazów siatki w teście obciążeniowym
    1. Zapisz obraz siatki obszaru zainteresowania przed obciążeniem, klikając „Capture” oraz „File | Export | Image File” w oprogramowaniu do rejestracji obrazu mikroskopu.
    2. Rozpocznij obciążanie próbki in situ w mikroskopie, przykładając pierwszy krok obciążenia (np. 0,5 N lub 0,024 mm) za pomocą oprogramowania sterującego urządzeniem obciążającym.
    3. Zarejestruj obraz siatki obszaru zainteresowania po pierwszym kroku obciążenia (np. przy 0,5 N lub 0,024 mm), klikając „Capture” oraz „File | Export | Image File” w oprogramowaniu do rejestracji obrazu mikroskopu. Upewnij się, że powiększenie i odległość robocza mikroskopu pozostają niezmienione.
    4. Kontynuuj obciążanie próbki, przykładając kolejne kroki obciążenia za pomocą urządzenia obciążającego. Rejestruj obraz siatki po każdym kroku obciążenia, aż do zniszczenia próbki lub osiągnięcia określonej wartości (np. obciążając 19 razy i rejestrując 19 obrazów siatki przy 1 N, 1,5 N, 2,0 N, …, 10 N, w odstępach 0,5 N; lub przy 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, …, 0,48 mm, w odstępach 0,024 mm). Upewnij się, że powiększenie i odległość robocza mikroskopu pozostają niezmienione.
      UWAGA: Obrazy siatki mogą być zapisywane przez dowolnie długi czas.

3. Generowanie prążków mory pomiarowych przed i po deformacji

  1. Wyznaczenie skoku siatki (piksel) na obrazach siatki
    1. Oszacuj skok siatki (jednostka: piksel) na obrazie siatki przed załadunkiem, mierząc odległość między środkami dwóch sąsiednich punktów siatki w oprogramowaniu do przetwarzania obrazów (np. Microsoft Paint).
    2. Oszacuj skok siatki na obrazie siatki przy maksymalnym obciążeniu.
  2. Wyznaczanie kroku próbkowania (piksela)
    1. Przejdź do kroku 3.2.2, gdy oczka siatki przed i po deformacji mieszczą się w zakresie od 1,8 do 2,5 piksela. Przejdź do kroku 3.2.3, gdy oczka siatki przed i po deformacji mieszczą się w zakresie od 2,4 do 3,6 piksela. Przejdź do kroku 3.2.4, gdy oczka siatki przed i po deformacji są większe niż 3,2 piksela.
    2. Ustaw krok próbkowania na T = 2 piksele. Przejdź do kroku 3.3.
    3. Ustaw krok próbkowania na T = 3 piksele. Przejdź do kroku 3.3.
    4. Ustaw skok próbkowania T do liczby całkowitej mieszczącej się w przedziale od 0,75x do 1,25x skoków siatki przed i po deformacji, wyznaczonej na podstawie licznych wyników symulacji22.
      UWAGA: Jeśli istnieją dwie dodatnie liczby całkowite spełniające wymogi określone w krokach 3.2.1 i 3.2.4, zaleca się wybranie większej z nich jako skok próbkowania. W przypadku istnienia trzech lub więcej dodatnich liczb całkowitych spełniających te wymogi, lepiej wybrać wartość środkową, o ile jest ona nieco większa od skoku próbkowania.
  3. Generowanie próbnych prążków mory przed deformacją
    1. Otwórz obraz siatki przed deformacją. Zakładając, że Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. kierunek jest poziomy, w prawą stronę, a y kierunek jest pionowo w dół, a współrzędna (0, 0) znajduje się w lewym górnym rogu, oblicz szerokość obrazu W w Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. kierunek i wysokość obrazu H w y kierunek
      UWAGA: y Kierunek można również zdefiniować jako pionowo w górę.
    2. Przejdź do kroku 3.3.3, aby wygenerować prążki mory w y kierunku. Przejdź do kroku 3.3.7, aby wygenerować prążki mory w Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. kierunek
    3. Przetwórz obraz siatki na obraz prążkowy przy użyciu filtra dolnoprzepustowego (LPF). Na przykład zastosuj algorytm FT w celu stłumienia prążkowania, przyjmując kierunek główny wynoszący Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia., gdzie kierunek główny definiuje się jako kierunek prostopadły do linii siatki. Rozmiar filtra należy ustawić na wartość zbliżoną do okresu siatki.
    4. Przerzedź obraz siatki, wyodrębniając wartości szarości jedynie z kilku linii poziomych, zachowując odstępy wynikające z kroku próbkowania T (T ≥2) z y = k piksele (k = 0) (Rysunek 1) (t. j. zachować wyłącznie wartości szarości w liniach próbkowania y = k piksele, y = k+T piksele, … , y = k + iT piksele, gdzie i jest liczbą całkowitą dodatnią). Wyznacz współrzędną ostatniej linii próbkowania, k + iT, mniej niż wysokość obrazu H.
    5. Wygeneruj próbkowy wzór mory w y kierunek poprzez przeprowadzenie pełnopolowej interpolacji intensywności (liniowej lub B-spline) obrazu z poziomymi liniami próbkowania.
    6. Wygeneruj inne Tpróbkowanie wzorów mory w y w kierunku przeciwnym poprzez powtórzenie kroków 3.3.4 i 3.3.5 T-1 razy poprzez zmianę k przy skoku inkrementalnym wynoszącym 1 piksel (t. j. przesunięcie punktu rozpoczęcia przerzedzania do y = k piksele; k = 1, …, T-1).
    7. Należy zastosować te same procedury opisane w krokach 3.3.3–3.3.6 w celu wygenerowania Twielostopniowe próbkowanie moiré z przesunięciem fazy przestrzennej w Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. zmiana kierunku Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. do y w kroku 3.3.3 zmiana wysokości obrazu H do szerokości obrazu Woraz zmiana y Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. Tekst źródłowy nie został dostarczony. Proszę o przesłanie treści do tłumaczenia. w krokach 3.3.4-3.3.6.
      UWAGA: Krok próbkowania w Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. kierunek może być inny niż w y kierunek
  4. Generowanie próbkowych prążków mory po deformacji
    1. Otwórz wszystkie obrazy siatek przy różnych obciążeniach. Przyjmijmy, że liczba obrazów siatek wynosi N.
    2. Wygeneruj N grupy Twielostopniowe prążki mory z przesunięciem fazowym w zakresie przestrzennym w y w kierunku, powtarzając kroki 3.3.3-3.3.6 N razy.
    3. Wygeneruj N grupy Twielostopniowe prążki mory przesunięcia fazowego w Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. w kierunku poprzez powtórzenie kroku 3.3.7 N razy

4. Pomiar odkształcenia próbki w teście obciążeniowym

  1. Wyznaczenie natężeń prążków mory przed i po deformacji
    1. Wyodrębnić intensywności z Tprążki mory przed deformacją w y kierunek w krokach 3.3.5 i 3.3.6; wyznacz te intensywności mory w Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. kierunek w kroku 3.3.7. Opisać Tkrok (T intensywności mory przed deformacją w j (j = Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia., y) kierunku, korzystając z następującego równania23:
      Równania równowagi statycznej; ΣFx=0. Schemat wzoru matematycznego do celów edukacyjnych z zakresu fizyki. (1)
      gdzie pj czy skok siatki przed deformacją w j (j = Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia., ykierunek, A jest to amplituda modulowana, a D obejmuje tło oraz intensywności o wyższych częstotliwościach.
    2. Wyodrębnij intensywności Tprążki mory wielostopniowe po deformacji w y kierunek w kroku 3.4.2 i wyznaczyć natężenia prążków mory w Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia. kierunek w kroku 3.4.3. Opisać T-stopień (T ≥ 2) intensywności mory po deformacji w j (j = Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia., y) kierunku, stosując to samo równanie co powyżej (równanie 1), poprzez zmianę Im,j(k), pj, Ai D do I'm,j(k), p'j, A, i Dodpowiednio, gdzie pojedynczy apostrof w górnym indeksie oznacza stan po deformacji.
      UWAGA: Jeśli skok próbkowania wynosi T ≥ 3 pikseli, należy pominąć ten krok i przejść do kroku 4.3.
  2.  
    1. Rekonstrukcja prążków mory mnożnych z multiplikatywnej interferencji między intensywnościami mory próbkowania dwuetapowego (Rycina 1a) przed deformacją, korzystając z następującego równania23
      Wzór na obraz interferencyjny w optyce, wykazujący zmienność cosinusoidalną; związany z koherencją fal. (2)
      gdzie Iwielokrotny,j oznacza natężenie zrekonstruowanych prążków mory mnożenia w j ( j = Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia., y) kierunek przed odkształceniem.
    2. Przetwarzanie zrekonstruowanych prążków mory mnożeniowych przed deformacją przy użyciu techniki centrowania prążków24Przypisz kolejne liczby całkowite i półcałkowite fj = [1, 1,5, 2, 2,5, …] do rzędów prążków w liniach środkowych zrekonstruowanego mory mnożnego.
      UWAGA: Jeśli prążki mory mnożone są zbyt gęste, w pierwszej kolejności można wyznaczyć rzędy prążków mory w dwustopniowym próbkowaniu (t.j. fj(0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, …] oraz fj(1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, …]). Rząd prążków mnożnych mory będzie wynosić fj = fj(0) + fj(1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, …]. Przesunięcie bryły sztywnej nie wpłynie na wynik odkształcenia.
    3. Zmierz względną odkształcenie próbki przed deformacją w stosunku do kroku próbkowania, korzystając z następujących równań23
      Równania równowagi statycznej; pochodne cząstkowe; wzór badawczy; analiza indeksu parametrów. (3)
      Wzór na tensor odkształcenia ścinającego, równanie matematyczne, analiza dynamiki płynów, pochodne cząstkowe. (4)
      gdzie uj_rela i εj_rela przedstawiają względne przemieszczenie i względną odkształcenie próbki przed deformacją w j (j = Proszę podać tekst do przetłumaczenia., y) kierunek, odpowiednio, i γxy_rela wyraża względną odkształcenie ścinające przed deformacją.
    4. Powtórz kroki 4.2.1–4.2.3, aby wyznaczyć względne odkształcenia próbki po deformacji w kierunkach x i y dla N razy, zmiana Iwielokrotny,j, Im,j(0), Im,j(1), pj, A, D, uj_rela (j = Proszę dostarczyć tekst źródłowy do tłumaczenia., y), εj_relai γxy_rela w równaniach (2)-(4) do I'wielokrotny,j, I'm,j(0), I'm,j(1), p'j, A', D', u'j_rela (j = x, y), ε'j_relai γ'xy_relaodpowiednio, gdzie pojedynczy apostrof w indeksie górnym oznacza stan po deformacji.
    5. Wyznacz rzeczywistą odkształcenie normalne εj w j (j = Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia., y) kierunek, który stanowi względną zmianę skoku siatki i odkształcenia ścinającego, γxy, jaka jest bezwzględna zmiana kąta siatki próbki spowodowana obciążeniem, wynikająca z odkształceń względnych przed i po deformacji20.
      Wzór matematyczny; zależność εj dla zmiennych x, y w analizie fizycznej lub inżynieryjnej. (5)
      Równanie składowych naprężeń ścinających γxp w analizie równowagi statycznej. (6)
  3. Pomiar odkształcenia przy określonym skoku próbkowania T ≥ 3 piksele
    1. Oblicz fazę prążków mory próbkowania w j (j = Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia., y) kierunek przed deformacją, gdy k = 0 (Rycina 1b) przy użyciu techniki przestrzennego przesunięcia fazy21
      Wzór na obliczanie fazy, arctan, suma trygonometryczna, do analizy sygnałów, obraz równania. (7)
    2. Wyznaczenie fazy prążków mory w próbkowaniu w... j (j = Proszę podać tekst do przetłumaczenia., ykierunek po odkształceniu, gdy k =0 poprzez zastąpienie φm,j i Im,j(k) w równaniu (7) przez φ'm,j i I'm,j(k), odpowiednio, gdzie pojedynczy apostrof w indeksie górnym oznacza stan po deformacji. Powtórz N czasy dla N obciążenia
      UWAGA: Jeśli w rozkładach faz w krokach 4.3.1 i 4.3.2 występuje zbyt dużo szumu losowego, należy zastosować filtr sin/cos25 można wykorzystać do wygładzenia faz.
    3. Wyznacz różnicę faz prążków mory próbkowania w j (j = Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia., y) kierunek przed i po deformacji (t. j.Δφm,j=φ'm,j-φm,j).
    4. Pomiar rozkładów przesunięcia uj, odkształcenie normalne εj w j (j = Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia., y) kierunek oraz odkształcenie ścinające γxy próbki wywołanej przez obciążenie. Należy zastosować następujące równania6,21
      Równowaga statyczna, wzór: u_j = -p_j/2π Δφ_n,j; koncepcja analizy mechanicznej. (8)
      Równanie równowagi statycznej εj=∂uj/∂j (j=x,y); wzór na odkształcenie w mechanice. (9)
      Równanie odkształcenia ścinającego γxy=∂ux/∂y+∂uy/∂x, ilustracja wzoru matematycznego. (10)
      UWAGA: Jeśli rozkłady odkształceń wykazują zbyt wysoki poziom szumu, można zastosować średnią filtrację wygładzającą, przyjmując rozmiar filtra mniejszy niż dwa kroki siatki.
  4. Przechowywanie wyników
    1. Zapisz dane prążków mory oraz fazy (gdy skok próbkowania jest T ≥3 piksele), przemieszczenia oraz odkształcenia w formie obrazów, takich jak pliki .tif lub .bmp, oraz tekstu, takich jak pliki .txt lub .csv.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Dwuwymiarowe rozkłady przemieszczeń i odkształceń dwóch próbek z tworzywa wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP) (#1 i #2) zostały zmierzone zgodnie z zasadą tworzenia prążków mory23 oraz procesem pomiarowym (Rycina 1). Próbki CFRP składały się z włókien węglowych K13D o średnicy 10-11 µm oraz żywic epoksydowych. Deformację próbki CFRP #1 określono za pomocą zrekonstruowanej metody mnożnikowej mory z dwustopniowego próbkowania prążków mo...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W opisanej technice jednym z trudnych etapów jest wytwarzanie siatki lub siatki w skali mikro/nano (w skrócie siatki)26 , jeśli na próbce nie ma okresowego wzoru. Skok siatki powinien być jednolity przed odkształceniem, ponieważ jest to ważny parametr do pomiaru odkształcenia. Jeśli materiał jest metalem, stopem metalu lub ceramiką, można zastosować litografię UV lub nanoodcisk z nanowwydrukiem (NIL)27, litografię wiązką elektronów (EBL)2, frezowanie...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez JSPS KAKENHI, granty o numerach JP16K17988 i JP16K05996, oraz przez Międzyministerialny Program Promocji Innowacji Strategicznych, Jednostka D66, Innowacyjne Pomiary i Analizy Materiałów Konstrukcyjnych (SIP-IMASM), obsługiwane przez biuro gabinetu. Autorzy są również wdzięczni doktorom Satoshi Kishimoto i Kimiyoshi Naito z NIMS za ich materiał CFRP.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Automatyczna maszyna do polerowaniaMarumoto Struers K.K.LaboPol-30, Labor Force-100
Tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowymMitsubishi Plastics, Inc. 
KomputerDELL JapanVOSTROMożna zastąpić innym komputerem z językiem programowania C++
Oprogramowanie do nagrywania obrazuLasertec CorporationLMEYE7Zainstalowany w laserowym mikroskopie skaningowym
Powlekarka jonowaJapan Electron Optics Laboratory Ltd.
Laserowy mikroskop skaningowyLasertec CorporationOPTELICS HYBRID
Nanoimprint DeviceJapan Laser Corporation EUN-4200Może być zastąpiony urządzeniem do litografii wiązką elektronów lub urządzeniem do mielenia skupionej wiązki jonów
Nanoimprint MoldSCIVAX Corporation3.0μ m skokDostosowana
odporność na nanonadrukToyo Gosei Co., Ltd PAK01
Roztwór do polerowaniaMarumoto Struers K.K.DP-Spray P 15μ m, 1μ m, 0,25μ mStosować od grubej do drobnej
pipetyAS ONE Corporation10 ml
papieru ściernegoMarumoto Struers K.K.Folia SiC #320, #800Zastosowanie od grubej do drobnej
powlekarki wirowejMIKASA CorporationMS-A100
HYEJ16M95DHX1JEC3000F

Bibliografia

  1. Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
  2. 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).
  3. Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
  16. 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).
  17. Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402(2013).
  18. 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).
  19. Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
  20. 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).
  21. Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
  25. Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
  26. 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).
  27. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Technika pr bkowania morypr bkowanie mory dwupikselowepr bkowanie mory wielopikseloweprzestrzenne przesuwanie fazymory z mno eniem rekonstrukcyjnympomiar odkszta ce pe nego polaplastik wzmocniony w knem w glowymbadanie zginania tr jpunktowegonieniszcz ca ocena ilo ciowa
Pomiar rozkładu odkształceń w skali mikro/nano na podstawie pobierania próbek prążków mory
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.