Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Mikro / Nano-skala Stamfordelingsmåling fra prøvetaking 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

En prøvetaking moiré-teknikk med 2-piksel- og flerpunkts-prøvetakingsmetoder for stor nøyaktighetstestfordelingsmåling på mikro / nano-skalaen er presentert her.

Abstract

Dette arbeidet beskriver måleprosedyren og prinsippene for en prøvetaking moiré-teknikk for deformasjonsmålinger i fullfelt mikro / nano-skala. Den utviklede teknikken kan utføres på to måter: ved hjelp av den rekonstruerte multiplikasjon moiré-metoden eller den romlige faseskiftende samplings moiré-metoden. Når prøvelinjen er rundt 2 piksler, genereres 2-pikslers samplings moiré fringer for å rekonstruere et multiplikasjon moiré mønster for en deformasjonsmåling. Både forskyvnings- og belastningsfølsomhetene er dobbelt så høye som i den tradisjonelle skanning moiré-metoden i samme brede synsfelt. Når prøvenettbredden er rundt eller større enn 3 piksler, genereres flere pikselmønstringsmoiré fringer, og en romlig faseforskyvningsteknikk kombineres for en fullfeltdeformasjonsmåling. Strenge måle nøyaktigheten er betydelig forbedret, og automatisk batch måling er lett oppnåelig.Begge metodene kan måle de todimensjonale (2D) stamfordelingsfordelingen fra et enkeltbildet rutenettbilde uten å rotere prøven eller skanningslinjene, som i tradisjonelle moiré-teknikker. Som eksempler ble 2D-forskyvning og belastningsfordeling, inkludert skjærstammene til to karbonfiberforsterkede plasteksempler, målt i trepunkts-bøyetester. Den foreslåtte teknikken forventes å spille en viktig rolle i de ikke-destruktive kvantitative evalueringene av mekaniske egenskaper, sprekktilfeller og restspenninger av en rekke materialer.

Introduction

Mikro / nanoskala deformasjonsmålinger er avgjørende for å evaluere de mekaniske egenskapene, ustabilitetsadferdene, restspenninger og sprekk forekomster av avanserte materialer. Siden optiske teknikker er ikke-kontakt, fullfelt og ikke-destruktive, har ulike optiske metoder blitt utviklet for deformasjonsmåling de siste tiårene. De siste årene har mikro / nano-skala deformasjonsteknikkene hovedsakelig moire-metodene 1 , 2 , 3 , 4 , geometrisk faseanalyse (GPA) 5 , 6 , Fourier-transformasjon (FT), digital bildekorrelasjon (DIC) og Elektronisk speckle pattern interferometry (ESPI). Blant disse teknikkene er GPA og FT ikke godt egnet for komplekse deformasjonsmålinger fordi flere frekvenser eksisterer. DIC-metoden er simMen kraftløst mot støy fordi deformasjonsbæreren er tilfeldig speckle. Endelig er ESPI sterkt følsom for vibrasjon.

Blant mikro / nano-skala moiré-metoder, er de mest brukte metodene for tiden mikroskopskanning moiré-metoder, for eksempel elektronskanning moiré 7 , 8 , 9 , laser scanning moiré 10 , 11 og atomkraftmikroskop (AFM) moiré 12 , Og noen mikroskopbaserte moirémetoder, slik som den digitale / overlappende moiré 13 , 14 , 15- metoden og multiplikasjons / fraksjonal moiré-metoden 16 , 17 . Skanning moiré-metoden har mange fordeler, for eksempel et bredt synsfelt, høy resoLution og ufølsomhet for tilfeldig støy. Den tradisjonelle skanning moiré-metoden er imidlertid ubeleilig for 2D-stamme-målinger fordi det er nødvendig å rotere prøvefasen eller skanneetningen med 90 ° og skanne to ganger for å generere moiréfranser i to retninger 18 . Rotasjon og de to skanningsprosessene innfører rotasjonsfeil og tar lang tid, noe som på alvor påvirker målingsnøyaktigheten til 2D-stammen, spesielt for skjærstammen. Selv om den temporale faseforskyvningsteknikken 19 , 20 kan forbedre deformasjonsmålingsnøyaktigheten, krever det tid og en spesiell faseforskyvningsanordning uegnet for dynamiske tester.

Sampling moiré-metoden 21 , 22 har en høy nøyaktighet i forskyvningsmålinger og brukes nå hovedsakelig til avbøyningsmålinger på broer når biler pass. For å utvide prøvetrykk moiré-metoden til mikro / nano-skala 2D stamme målinger, har en rekonstruert multiplikasjon moiré metode blitt nylig utviklet 23 fra 2-pixel sampling moiré fringes, hvor målingene er dobbelt så følsomme og det brede synsfeltet for Skanning moiré metode holdes. Videre er den romlige faseforskyvende samplings moiré-metoden også utviklet fra flerpikselprøve-moiré fringer, noe som gir mulighet for høy nøyaktighetstestmåling. Denne protokollen vil introdusere detaljerte belastningsmålinger og forventes å hjelpe forskere og ingeniører lære å måle deformasjon, forbedre produksjonsprosesser for materialer og produkter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bekreftelse av Micro / Nano-skalaen på prøven

  1. Maskinering av prøven
    1. Klipp prøven til den størrelsen som kreves av den spesifikke lasterenheten som brukes under et mikroskop ( f.eks. 1 x 5 x 30 mm 3 ), slik at overflaten blir observert 1,5 ganger større enn det aktuelle området.
    2. Polere prøveflaten som skal observeres ( f.eks. 1 x 30 mm 2 ), ettersom bruk av grovt og fint sandpapir på en automatisk polermaskin ( f.eks. Bruk SiC folie # 320 i 3 min og deretter # 800 i 1 min ved 150 rpm Og 30 N). Rengjør prøven med vann etter hvert poleringstrinn.
    3. Polere samme prøveoverflate, etter hvert bruke grove og fine poleringsløsninger på den automatiske polermaskinen ( f.eks. Bruk DP-Spray P 15 μm i 5 minutter, P 1 μm i 8 min og P 0,25 μm i 10 min ved 150 rpm og 30 N). Rengjør prøven med vann etter hver poleringG trinn.
  2. Fremstilling av mikro / nanoskala gitter hvis det ikke eksisterer periodisk mønster på prøven
    MERK: Dette trinnet kan utelates hvis det eksisterer et naturlig periodisk mønster på mikro / nano-skalaen på prøveoverflaten. Velg rutenettfremstillingsmetoden fra følgende: ultraviolett (UV) eller oppvarming nanoimprint litografi (NIL) 26 , elektronstråle-litografi (EBL) 2 og FIB-fresing 6 .
    MERK: Rutenettprosessen er introdusert her, med UV NIL som et eksempel.
    1. Slipp 2 ml UV-resist på prøveoverflaten ved hjelp av en pipette.
    2. Coat motstanden på prøveoverflaten ved hjelp av en spincoater ved 1500 rpm i 60 s.
    3. Trykk en nanoimpresjonsmugg til motstandslaget ved et trykk på 0,2 MPa. Utsett resisten mot UV med en bølgelengde på 375 nm i 30 s.
    4. Separat nanoimprintformen fra prøveoverflaten.
    5. Observasjon av rutenettet på prøven ved hjelp av et mikroskop
      1. Coat et platina eller gulllag med en tykkelse på 3-10 nm på gitteroverflaten ved hjelp av en ioncoater ( f.eks. Belegg i 30 s ved 3 Pa med en sputteringstrøm på 30 mA).
      2. Sett prøven under et laserskanningsmikroskop (LSM) 23 .
        MERK: Andre mikroskoper kan også brukes, for eksempel et transmisjonselektronmikroskop (TEM) 5 , et atomkraftmikroskop (AFM) 12 eller et skanningelektronmikroskop (SEM) 7 .
      3. Juster fokuset og lag et rutenett ved hjelp av mikroskopet ved å klikke på "Capture" og "File | Export | Image File" i mikroskopets bildeopptaksprogramvare.
    6. Beregning av gridplassen (nm eller μm) av prøven fra gridbildet
      1. Beregn gjennomsnittsverdien på mer enn 10 grId-plasser i det sentrale området av rutenettet for å unngå potensiell innflytelse av skanning eller objektivforvrengning.
        MERK: Gitteret på prøven kan lagres i flere dager ved romtemperatur.

    2. Oppkjøp av gridbilder i lastetestet

    1. Klargjøring av innlastingstesten under mikroskopet
      1. Fest prøven til en lastenhet, for eksempel en strekk-, trykk-, varme- eller elektrisk lastenhet, under mikroskopet.
        MERK: Hvis gridhullet er mindre enn 20 nm, skal en TEM eller AFM brukes. Hvis gridhøyden er 20 nm til 10 μm, kan en SEM brukes. Hvis gitterhøyden er større enn 400 nm, kan en LSM brukes.
      2. Still inn lasthastigheten ( f.eks. 0,01 mm / s) og trinnet for belastning eller forskyvning ( f.eks. 0,5 N / trinn eller 0,024 mm / trinn) i henhold til de spesifikke kravene. Forhåndsinnstilt både last og forskyvning til null.
      3. Gjør rutenettet surfeEss i observasjonsflyet. Velg et område av interesse under lav forstørrelse ved å flytte eller rotere prøvefasen av mikroskopet.
      4. Velg en passende forstørrelse ved å gjøre gridhøyde i bildet større enn 1,8 × en pikselstørrelse.
        MERK: Det er vanligvis bedre å lage gridhøyde i bildet større enn 2 piksler. Jo flere piksler en grid-tonehøyde tilsvarer, jo høyere er nøyaktigheten av deformasjonsmåling, men jo mindre måles synsfelt.
    2. Innsamling av gridbilder i lastetestet
      1. Lagre et rutenettbilde av interesseområdet før du laster inn ved å klikke på "Capture" og "File | Export | Image File" i mikroskopets bildeopptaksprogramvare.
      2. Begynn å laste prøven in situ på mikroskopet ved å utøve det første lastetrinnet ( f.eks. 0,5 N eller 0,024 mm) ved hjelp av driftsprogrammet til lastenheten.
      3. RecOrd et rutenettbilde av interesseområdet etter det første lastetrinnet ( f.eks. 0,5 N eller 0,024 mm) ved å klikke på "Capture" og "File | Export | Image File" i mikroskopets bildeopptaksprogramvare. Kontroller at forstørrelsen og arbeidsavstanden til mikroskopet forblir uendret.
      4. Fortsett å laste prøven ved å utøve hvert laststeg ved hjelp av lastenheten. Ta opp rutenettbildet etter hvert belastningstrinn til prøven er brutt eller til en bestemt verdi er oppnådd ( f.eks. Last 19 ganger og skriv 19 rutenettbilder på 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, med intervaller på 0,5 N eller 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm, med intervaller på 0,024 mm). Kontroller at forstørrelsen og arbeidsavstanden til mikroskopet forblir uendret.
        MERK: Rutenettbildene kan lagres i en god lengre periode.

    3. Generering av prøvetaking Moiré Fringes før og etter Deformasjon

    1. Beregning av gridplasseringer (piksel) i gridbilder
      1. Anslår gridkassen (enhet: piksel) i gridbildet før lasting ved å måle avstanden mellom sentrene til to tilstøtende gridpunkter i en bildebehandlingsprogramvare ( f.eks. Microsoft Paint).
      2. Anslår rutenettbredden i rutenettet ved maksimal belastning.
    2. Bestemmelse av prøvetakingsplass (piksel)
      1. Flytt til trinn 3.2.2 når rutenettene før og etter deformasjonen er mellom 1,8 og 2,5 piksler. Gå til trinn 3.2.3 når gridplassene før og etter deformasjonen er mellom 2,4 og 3,6 piksler. Gå til trinn 3.2.4 når gridplassene før og etter deformasjonen er større enn 3,2 piksler.
      2. Sett prøvetakningsgraden til T = 2 piksler. Gå til trinn 3.3.
      3. Sett prøvetakningsgraden til T = 3 piksler. Gå til trinn 3.3.
      4. Sett prøvetakten T til en positivHeltal innen 0,75x og 1,25x gridplassene før og etter deformasjon, bestemt av rikelig simuleringsresultat 22 .
        MERK: Hvis det er 2 positive heltall som oppfyller kravene i trinnene 3.2.1 og 3.2.4, er det bedre å velge større heltal som prøvetakingshøyde. Hvis det er 3 eller flere positive heltall som oppfyller kravene, er det bedre å velge mellom heltall, så lenge det er litt større enn prøvetakingshøyde.
    3. Generering av prøvetaking Moiré Fringes før deformasjon
      1. Åpne gridbildet før deformering. Forutsatt at x- retningen er horisontalt til høyre, er y- retningen vertikalt nedad, og koordinaten (0, 0) ligger øverst til venstre, beregner bildbredden W i x- retningen og bildehøyden H i y- retningen .
        MERK: Y- retningen kan også defineres somVertikalt oppover.
      2. Flytt til trinn 3.3.3 for å generere moiré fringes i y- retningen. Gå til trinn 3.3.7 for å generere moiré fringes i x- retningen.
      3. Behandle gridbildet til et gitterbilde ved hjelp av et lavpassfilter (LPF). Bruk for eksempel en FT-algoritme til å undertrykke gitteret, med en hovedretning av x , hvor hovedretningen er definert som retningen vinkelrett på gitterlinjene. Still filterstørrelsen for å være nær gridhullet.
      4. Tynn ut rutenettet ved bare å trekke ut de grå verdiene i flere horisontale linjer, med avstanden mellom prøvetakningsgraden T ( T ≥2) fra y = k piksler ( k = 0) ( Figur 1 ) ( dvs. bare hold den grå Verdier i samplingslinjer av y = k piksler, y = k + T piksler, ..., y = k + iT piksler, hvor jeg er et poSikt heltall). Lag koordinaten til den siste samplingslinjen, k + iT , mindre enn bildehøyden H.
      5. Generer et prøvetrykk moiré mønster i y- retningen ved å utføre fullfeltintensitetsinterpolering (lineær eller B-spline) av bildet med horisontale samplingslinjer.
      6. Generer andre T -1 sampling moiré mønstre i y- retningen ved å gjenta trinn 3.3.4 og 3.3.5 T -1 ganger ved å endre k ved trinnet trinn på 1 piksel ( dvs. skifte startpunktet for tynning ut til y = k Piksler; k = 1, ..., T -1).
      7. Bruk de samme prosedyrene i trinn 3.3.3-3.3.6 for å generere T- trinns romlige faseskiftende sampling moiré-mønstre i x- retningen ved å endre x til y i trinn 3.3.3, endre bildens høyde H til bildebredden W , Og endre y til x i trinn 3.3.4-3.3.6.
        MERK: Samplingshøyden i x- retningen kan være forskjellig fra den i y- retningen.
    4. Generering av prøvetaking Moiré Fringes After Deformation
      1. Åpne alle rutenettbilder ved forskjellige belastninger. Anta at antall gridbilder er N.
      2. Generer N grupper av T -trinns romfaseskiftende moiréfranser i y- retningen ved å gjenta trinn 3.3.3-3.3.6 N ganger.
      3. Generer N grupper av T- trinns romlige faseskiftende moiré-fringer i x- retningen ved å gjenta trinn 3.3.7 N ganger.

    4. Deformasjonsmåling av prøven i innlastingstesten

    1. Bestemmelse av intensiteten til Moiré Fringes før og etter deformasjon
      1. Trekk intensiteten til T- trinn moiré fringene før deformering i tHan går i trinn 3.3.5 og 3.3.6; Bestemme de moiréintensiteter i x- retningen i trinn 3.3.7. Beskriv T- trinn ( T ≥2) moiré intensiteter før deformasjon i j ( j = x , y ) retning ved å bruke følgende ligning 23 :
        Ligning 1 (1)
        Hvor p j er rutenett før deformasjonen i j ( j = x , y ) retningen, er A den modulerte amplituden, og D inkluderer bakgrunnen og høyerefrekvensintensitetene.
      2. Trekk intensiteten til T- trinn moiré-kantene etter deformasjon i y- retningen i trinn 3.4.2 og bestem de moiréintensiteter i x- retningen i trinn 3.4.3. Beskriv T- trinn ( T ≥ 2) moiré intensiteter etter deformasjonI j ( j = x , y ) retningen ved å bruke samme likning som ovenfor (ligning 1) ved å endre I m, j ( k ), pj , A og D til I ' m, j ( k ), p ' J , A 'og D ', hvor det superskriptive sitatet betyr etter deformasjon.
        MERK: Hvis samplingshøyden er T ≥ 3 piksler, ignorer dette trinnet og hopp over til trinn 4.3.
      1. Rekonstruere multiplikasjon moiré fringes fra multiplikativ interferens mellom de to-trinns prøvetaking moiré intensiteter ( Figur 1a ) før deformering ved hjelp av følgende ligning 23
        Ligning 2 (2)
        Hvor jeg multi, j står for intensiteten oF de rekonstruerte multiplikasjon moiré fringene i j ( j = x , y ) retning før deformasjon.
      2. Behandle rekonstruerte multiplikasjon moiré fringer før deformering ved hjelp av frynsenteringsteknikken 24 . Tilordne fortløpende heltall og halvtalte f j = [1, 1,5, 2, 2,5, ...] til frynsordrene på senterlinjene i den rekonstruerte multiplikasjon moiré.
        MERK: Hvis multiplikasjon moiré-fringene er for tette, kan frynsordrene til to-trinns prøvetaking moiré bestemmes først ( dvs. f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] og F j (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). Fringe rekkefølgen av multiplikasjon moiré fringes vil være f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...]. Den stive kroppens forskyvning påvirker ikke belastningsresultatet.
      3. Mål den relative belastningen av prøven før deformering i forhold til prøvetakingshøyden ved hjelp av følgende ligninger 23
        Ligning 3 (3)
        Ligning 4 (4)
        Hvor u j _rela og ε j _rela representerer relativ forskyvning og relativ belastning av prøven før deformasjon i henholdsvis j ( j = x , y ) retningen og y xy _rela uttrykker relativ skjærestrømmen før deformering.
      4. Gjenta trinn 4.2.1-4.2.3 for å bestemme de relative stammene til prøven etter deformasjonen i x- og y-retningene for N ganger, endre I multi, j , I m, j (0), I m, j pj , A , D, u j _rela ( j = x , y ), ε j _rela og γ xy _rela i ligninger (2) - (4) til I ' multi, j , I ' M, j (0), I ' m, j (1), p ' j , A ', D ', j ' rela (j = x, y), e ' j _rela og y ' xy _rela , Hvor det superskripte enkelt sitatet betyr etter deformasjon.
      5. Bestem den faktiske normale stammen ε j i j ( j = x , y ) retningen, som er den relative forandringen av rutenett og skjærstammen, y xy , som er absolutE variasjon av gridvinkelen til prøven forårsaket av belastningen fra de relative stammer før og etter deformasjonen 20 .
        Ligning 5 (5)
        Ligning 6 (6)
    3. Deformasjonsmåling Når samplingsplassen er T ≥ 3 piksler
      1. Beregne fasen av prøvetrykk moiré fringene i j ( j = x , y ) retning før deformasjon når k = 0 ( figur 1b ) ved hjelp av romlig faseforskyvningsteknikk 21
        Ligning 7 (7)
      2. Hent fasen av prøvetrykk moiré fringene i j ( j = x , y ) retning etter deformasjon når k = 0 ved å erstatte φ m, j og I m, j ( k ) i ligning (7) med henholdsvis φ ' m, j og I ' m, j ( k ), hvor det superskriptive sitatet betyr etter deformasjon. Gjenta N ganger for N laster.
        MERK: Hvis det er for mye tilfeldig støy i fasefordelingen i trinnene 4.3.1 og 4.3.2, kan et sin / cos-filter 25 brukes til å jevne fasene.
      3. Bestem fasedifferansen til prøvetrykk moiré fringene i j ( j = x , y ) retning før og etter deformasjon ( dvs. Δφ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Mål fordelingen av forskyvning u j , normal belastning ε j i j = x , y ) retningen og skjærstammen y xy av prøven forårsaket av lasten. Bruk følgende ligninger 6 , 21
        Ligning 8 (8)
        Ligning 9 (9)
        Ligning 10 (10)
        MERK: Hvis det er for mye støy i belastningsfordelingen, kan det brukes et gjennomsnittlig utjevningsfilter, med en filterstørrelse på mindre enn 2 gitterplasser.
    4. Resultatlagring
      1. Lagre dataene fra moiré fringene, fasene (når prøvetakingshøyden er T ≥3 piksler), forskyvninger og stammer i bildene, for eksempel .tif- eller .bmp-filer og tekst, for eksempel .txt eller .csv filer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

2D-forskyvning og belastningsfordeling av to karbonfiberforsterkede plast-CFRP-prøver (nr. 1 og nr. 2) ble målt i henhold til moiréformasjonsprinsippet 23 og måleprosessen ( figur 1 ). CFRP-prøvene var laget av 10-11 um K13D-karbonfibre og epoksyharpikser. Deformasjonen av CFRP # 1 ble bestemt ved å bruke den rekonstruerte multiplikasjonsmire-metoden fra to-trinns prøveuttag moiré fringes, og den for CFRP # 2 ble målt ved hjelp av den romlige faseskiftende samplings moiré-metoden fra tre-trinns prøvetrykk moiré fringes.

A) Deformasjonsmåling av CFRP # 1

Tykkelsen, lengden og bredden på CFRP # 1 var henholdsvis 1 mm, 22 mm og 4 mm ( figur 2a ). Lengden dOppretting av alle fibrene var vinkelrett på overflaten 1 × 22 mm 2 , som ble polert ved bruk av sandpapir og poleringsløsninger. Et rutenett med en tone på 3,0 μm ble fremstilt på den polerte overflaten ved bruk av UV nanoimprint litografi ( figur 2b ). En spenningsmåler ble klistret på bunnen 4 × 22 mm 2 overflate for å overvåke den største strekkstammen.

En trepunkts bøyingstest ble utført på CFRP # 1 ved hjelp av en belastningsjig, med et støttestrek på 16 mm, under et laserskanningsmikroskop. Strek-til-dybdeforholdet var 16 i henhold til American Society for Testing and Materials (ASTM) standarder. Rutenettbildene da belastningsverdiene var 0 og 0,00533 ( figur 2b ) ble registrert. Forstørrelsen av objektivlinsen til mikroskopet var 5 ×, og skanneoppløsningen var 1,024 x 1,024. X- retningen er horisontalHøyre og y- retningen er vertikalt oppadgående.

Siden gridplassene på CFRP # 1 i både x- og y- retningene var rundt 2 piksler i det innspillte bildet, ble ned-samplingsnivåene i de to retninger satt til T = 2 piksler for deformasjonsmåling. For å unngå potensiell påvirkning av skanningsforvrengning ble et sentralt område med en størrelse på 1,26 x 0,53 mm 2 valgt som interessepunktet. Fra 2-punkts ned-prøvetaking og ligning (2) ble 2-trinns prøvetaking moiré mønstre og det rekonstruerte multiplikasjon moiré mønster generert etter deformasjon ( figur 2c ). Ved bruk av ligninger (3) og (4) ble deformasjonen i forhold til prøvetakningshøyde beregnet når belastningsverdien var 0,00533. På lignende måte ble også den relative deformasjonen når belastningsmåleren var 0 oppnådd. Til slutt, den faktiske deformasjonsfordelingen, inkLuding 2D-forskyvningene ( figur 2d ), 2D-normale stammer og skjærstammen ( figur 2e ) ble målt ved å bruke ligninger (5) og (6).

Fra forskyvningsfordelingen ( Figur 2d ) er x- retningsforskjellen positiv i øvre venstre og høyre hjørne, men negativ i de andre to hjørnene. Y- retningsforskyvningen er negativ i hele området og i det minste i det sentrale området. Dette stemmer godt med deformasjonsegenskapene til et bøyeprøve. Fra stamfordelingene ( figur 2e ) bærer det øvre området komprimeringsstamme i x- retningen, men strekkspenningen i y- retningen, og det nedre området bærer strekkspenning i x- retningen, men kompressive belastninger i y- retningen, hvilket viser en interessant deformasjon characteristic. Skjærstammen er negativ i venstre område og positiv i riktig område, i samsvar med bøyegenskapen.

B) Deformasjonsmåling av CFRP # 2

Tykkelsen, lengden og bredden av den laminerte CFRP # 2 var henholdsvis 1 mm, 30 mm og 5 mm ( figur 3a ). Det var 8 lag, og tykkelsen av hvert lag var 0,13 mm. Lengdenetningen av alle fibrene var vinkelrett på overflaten 1 x 30 mm 2 , som ble polert ved bruk av sandpapir og poleringsløsninger. Et gitter med en tone på 3,7 μm ble deretter fremstilt på den polerte overflaten ved bruk av UV nanoimprint litografi ( figur 3b ).

En trepunkts bøyingstest ble utført ved hjelp av en belastningsjig, med en understøttelse på 16 mm under et laserskanningsmikroskop. Span-to-dEpth-forholdet var også 16. Gridbilledet ved 0,2 N forspenningen ble først registrert. Når lasten var 10,8 N og avbøyningen var -200 μm ble det deformerte rutenettet også registrert ( figur 3b ). Forstørrelsen av objektivlinsen til mikroskopet var 5x, bildesøylen var 120%, og skanneoppløsningen var 1,024 x 1,024 piksler. X- retningen er horisontalt til høyre og y- retningen er vertikalt oppadgående.

Siden rutenettene på CFRP # 2 i både x- og y- retningene var rundt 3 piksler i det innspillte bildet, ble nedtaksprøven i de to retningene satt til T = 3 piksler for deformasjonsmåling. For å unngå den potensielle innflytelsen av skanningsforvrengningen ble et sentralt område med en størrelse på 1,15 x 0,49 mm 2 valgt som interessepunktet. Ved å bruke metoden beskrevet i trinn 4.3 dispergerer moiréfasenFordelingene ved 0,2 N og 10,8 N i både x- og y- retningene ble oppnådd ( figur 3c ). Fordelingen av 2D i flyten forskyvninger ( Figur 3d ), 2D normale stammer, og skjærstammen ( Figur 3e ) ble bestemt.

Fordelingsfordelingsfordelingen ( Figur 3d ) i CFRP # 2 ligner på CFRP # 1 ( Figur 2d ), bortsett fra at y- retningsforskyvningen er litt forskjellig. Funksjonene til x- retningsstrømmen og skjærstammen av CFRP # 2 ( figur 3e ) ligner også CFRP # 1 ( figur 2e ), og deformerer egenskapene til et bøyeprøve. Imidlertid er y- retningsstrømmen av CFRP # 2 ( Figur 3e ) diffErert enn CFRP # 1 fordi CFRP # 2 er en laminert prøve. Flere lag kan observeres fra fordelingen av y- retningsstammen, som er nesten negativ i hele området.

Figur 1
Figur 1: Sampling moiré formasjonsprinsipp og måleprosess. ( A ) Generasjonsprinsipp for rekonstruert moiré fra 2-pixel sampling moiré fringes når samplingshøyden er T = 2 piksler. ( B ) Formasjonsprinsipp for flertrinns faseskiftende sampling moiré fringes og måleprosessen for moiréfasen når samplingshøyden er T ≥3 piksler. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

p-together.within-siden = "en"> Figur 2
Figur 2: Deformasjonsmålingsresultater av CFRP # 1. ( A ) Eksperimentell oppsett av trepunkts bøyetest under et lasermikroskop og prøvediagrammet. ( B ) Den observerte overflaten av CFRP # 1 med et mikronett. ( C ) To-trinns prøvetrykk moiré mønstre og det rekonstruerte multiplikasjon moiré mønster når belastning måleverdien var 0.00533. ( D ) De målte forskyvningsfordelingene i x- og y- retningene. ( E ) De målte fordelingene av x- retnings-, y- retnings- og skjærstammer av CFRP # 1. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3 "klasse =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
Figur 3: Deformasjonsmålingsresultater av laminert CFRP # 2. ( A ) Diagram over trepunkts-bøyetesten under et lasermikroskop. ( B ) Den observerte overflaten av CFRP # 2 med et mikronett. ( C ) Den innpakket fase (rekkevidde: -π ~ π) fordelinger av prøvetrykk moiré fringene ved 0,2 N forspenning og 10,8 N belastning i x og y retningene. ( D ) De målte forskyvningsfordelingene i x- og y- retningene, hvor avbøyningen (-200 μm) i y- retningen ikke ble vist. ( E ) De målte fordelingene av x- retnings-, y- retnings- og skjærstammer av CFRP # 2. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I den beskrevne teknikken er et utfordrende trinn mikro-nanoskala gitter eller gitter (forkortet som gitter) -fabrikasjon 26 dersom det ikke eksisterer periodisk mønster på prøven. Gitterhullet skal være jevnt før deformasjon fordi det er en viktig parameter for deformasjonsmåling. Hvis materialet er et metall, en metalllegering eller en keramisk, UV- eller oppvarmingsnanoimprint-litografi (NIL) 27 , elektronstråle-litografi (EBL) 2 , fokusert ionstråle (FIB) fresning 6 , eller grid duplikatmetoden 26 kan være brukt. Hvis materialet inneholder en svak polymer, anbefales ikke EBL- og FIB-fresing. Når en komponent av materialet ikke er varmebestandig, kan oppvarming NIL ikke brukes. Hvis prøven er en tynn film, er grid-dupliseringsmetoden vanskelig å anvende fordi det ikke er lett å skille prøven.

Det kritiske trinnet forBelastningsmåling av rutenettet før og etter deformering ved hjelp av den foreslåtte teknikken er genereringen av prøvetrykk moiré fringes 22 , hvis prinsipp er forskjellig fra formasjonsprinsippet for konvensjonelle interferens moiré fringes. For å generere forskjellige prøvetrykk moiré fringes, foreslås et lavpassfilter, som en FT-algoritme, for å undertrykke uønskede linjer eller punkter. Hvis prøvetrykk moiré fringes er usynlig etter ned-prøvetaking ( dvs. tynner ut rutenettet) og lineær intensitet interpolering, kan et utjevningsfilter, for eksempel et gjennomsnittlig filter, bli vedtatt før ned-prøvetaking. En andre eller til og med tredje ordens B-spline interpoleringsalgoritme kan brukes til intensitetsinterpolering for å generere forskjellige samplings moiré fringer.

Sammenlignet med de tradisjonelle moiré-metodene, har den foreslåtte prøvetaking moiré-teknikken for belastningsfordelingsmåling fordelen av å væreEn enkel 2D stamme måling og enkel behandling, høy hastighet, høy deformasjon følsomhet og høy måle nøyaktighet 23 . 2D-stamme-måling kan enkelt utføres uten å rotere prøvefasen eller skanningslinjene i mikroskopet, som er nødvendig i konvensjonelle metoder. I tillegg kan dynamisk deformasjon måles, da den påkrevde informasjonen bare er et enkeltbildebildebilde ved hver belastning. Dette kan ikke gjøres med den tidsmessige faseskiftende moiré-metoden fordi flere grid- eller moirébilder trengs, sammen med tiden ved hver belastning.

Selv om den beskrevne teknikken tillater enkle 2D-stamme-målinger ved mikro / nano-skalaene, har den sine egne begrensninger 23 , som med hvilken som helst annen teknikk. Gitterhøyden i et innspilt bilde bør være større enn 1,8 piksler for å generere 2-piksler eller flerpikselprøveuttag moiré fringes. Hvis rutenettet i bildet er rundt 2 piXels, 2-pixel sampling moiré fringes kan tjene som erstatning for mikroskop scanning moiré fringes, med samme synsfelt i samme forstørrelse. Men hvis gridhøyden i et bilde er rundt 1 piksel ved den høyeste skanneoppløsningen av mikroskopet når forskjellige skanning moiré fringes er direkte observerbare, vil sampling moiré fringes ikke kunne danne i samme forstørrelse. Selv om prøvetaking moiré fringes kan genereres når mikroskop forstørrelse, vil synspunktet for deformasjon måling reduseres. Heldigvis forbedrer skanningsoppløsningen av kommersielle mikroskoper, og det kan i de fleste tilfeller genereres prøvetaking moiré fringes. Jo høyere skanneoppløsningen er, desto større er pikselnummeret til en rutenett, og jo høyere måles nøyaktigheten.

I motsetning til den rekonstruerte multiplikasjon moiré metoden fra 2-pixel sampling moiré friNges, den romlige faseforskyvende samplingsmoirémetoden fra multipixel sampling moiré fringes har en høyere prosesseringshastighet og en høyere målingsnøyaktighet, men et mindre synsfelt. Valg av metode avhenger av pikselnummeret til prøvelinjen, eller på ønsket målingsnøyaktighet og synsfelt dersom pikselnummeret til prøvelinjen er kontrollerbar. Begge metodene er nyttige for å ta ikke-destruktiv deformasjonsmåling og gjøre kvantitative vurderinger av mekaniske egenskaper, sprekkfrekvens og vekst, restspenninger, defektdeteksjon, strukturell karakterisering etc.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av JSPS KAKENHI, bevilgningsnumre JP16K17988 og JP16K05996, og ved det korsministerielle strategiske innovasjonsfremmende programmet, Unit D66, Innovative Measurement and Analysis for Structural Materials (SIP-IMASM), som drives av kabinettet. Forfatterne er også takknemlige for dr. Satoshi Kishimoto og Kimiyoshi Naito på NIMS for deres CFRP materiale.

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

  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).

Tags

Engineering utgave 123 deformasjonsfordeling belastningsmåling prøvetaking moiré bildebehandling optisk metode mikro / nano-skala komposittmaterialer
Mikro / Nano-skala Stamfordelingsmåling fra prøvetaking Moiré Fringes
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H.… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter