Waiting
Login processing...

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

Engineering

Örneklemeden Mozaik Saçaklardan Mikro / Nano-Ölçekli Gerinim Dağılım Ölçümü

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

Mikro / nano ölçekte yüksek hassasiyetli gerinim dağılımı ölçümleri için 2-piksel ve çok piksel örnekleme yöntemleri içeren örnekleme moiré tekniği burada sunulmuştur.

Abstract

Bu çalışma, tam saha mikro / nano ölçekli deformasyon ölçümleri için örnekleme moiré tekniğinin ölçüm prosedürü ve ilkelerini açıklamaktadır. Geliştirilen teknik iki şekilde gerçekleştirilebilir: yeniden yapılandırılmış çarpma moiré yöntemi veya uzamsal faz kaydırmalı örnekleme moiré yöntemi. Örnek ızgara payı yaklaşık 2 piksel olduğunda, bir deformasyon ölçümü için bir çarpma moiré paterni yeniden oluşturmak için 2 piksel örnekleme moiré saçaklar oluşturulur. Hem yer değiştirme hem de gerinim duyarlılıkları, aynı geniş görüş alanında geleneksel tarama moiré yönteminin iki katı kadar yüksektir. Örnek ızgara aralığı 3 pikselden daha yakın veya çok olduğunda, çok piksel örnekleme moiré saçaklar oluşturulur ve bir tam alan deformasyon ölçümü için bir mekansal faz kaydırma tekniği birleştirilir. Gerinim ölçüm hassasiyeti belirgin şekilde geliştirilmiş ve otomatik toplu ölçüm kolayca başarılabilir.Her iki yöntem de, geleneksel moiré tekniklerinde olduğu gibi, numuneyi veya tarama çizgilerini döndürmeden bir tek atışlı ızgara görüntüsünden iki boyutlu (2D) gerinim dağılımlarını ölçebilir. Örnek olarak, iki karbon elyaf takviyeli plastik numunenin kesilme soyları da dahil olmak üzere, iki boyutlu deplasman ve gerinim dağılımları üç noktalı bükülme testlerinde ölçüldü. Önerilen yöntemin, çeşitli malzemelerin mekanik özelliklerinin, çatlak oluşumlarının ve artık gerilmelerin tahribatsız nicel değerlendirmelerinde önemli bir rol oynaması beklenmektedir.

Introduction

Mikro / nano ölçekli deformasyon ölçümleri, gelişmiş malzemelerin mekanik özelliklerini, istikrarsız davranışlarını, artık gerilmelerini ve çatlak oluşumlarını değerlendirmek için hayati önem taşır. Optik teknikler temassız, tam alanlı ve tahribatsız olduğundan, son birkaç on yıl boyunca deformasyon ölçümü için çeşitli optik yöntemler geliştirilmiştir. Son yıllarda, mikro / nano ölçekli deformasyon ölçüm teknikleri ağırlıklı olarak moiré yöntemleri 1 , 2 , 3 , 4 , geometrik faz analizi (GPA) 5 , 6 , Fourier dönüşümü (FT), dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve Elektronik benekli desen interferometrisi (ESPI). Bu teknikler arasında GPA ve FT, çoklu frekanslar mevcut olduğu için karmaşık deformasyon ölçümleri için uygun değildir. DIC yöntemi simAncak gürültüye karşı güçsüzdür çünkü deformasyon taşıyıcısı rasgele benektir. Son olarak, ESPI titreşime karşı oldukça duyarlıdır.

Mikro / nano ölçekli moiré yöntemleri arasında şu anda en çok kullanılan yöntemler, elektron tarama moiré 7 , 8 , 9 , lazer tarama moiré 10 , 11 ve atomik kuvvet mikroskopu (AFM) moiré 12 gibi mikroskop tarama moiré yöntemlerdir Ve dijital / üst üste moiré 13 , 14 , 15 yöntemi ve çarpma / kısmi moiré yöntemi 16 , 17 gibi bazı mikroskop tabanlı moiré yöntemleri. Tarama moiré yönteminin geniş bir görüş alanı, yüksek resoLution ve rassal gürültüye duyarsızlık. Bununla birlikte, geleneksel tarama moiré yöntemi, 2 boyutlu şekil değiştirme ölçümleri için uygun değildir, çünkü örneklemin veya tarama yönünün 90 ° döndürülmesi ve iki yönde moiré saçaklar oluşturmak için iki kez tarama yapılması gereklidir [ 18] . Döndürme ve çift tarama işlemleri, dönme hatasını getirir ve uzun sürebilir ve 2D gerinim ölçüm hassasiyetini, özellikle kayma gerginliğini ciddi şekilde etkiler. Zamansal faz kaydırma tekniği 19 , 20 deformasyon ölçüm doğruluğunu iyileştirebilmesine rağmen zaman ve dinamik testler için uygun olmayan özel bir faz kaydırma cihazı gerektirir.

Örnekleme moiré yöntemi 21 , 22 , deplasman ölçümlerinde yüksek bir doğruluk derecesine sahiptir ve şu anda özellikle otomobiller p köprüleri üzerinde sapma ölçümleri için kullanılmaktadıreşek. Örnekleme moiré yöntemini mikro / nano-ölçekli 2D gerinim ölçümlerine genişletmek için, 2 piksel örneklemeli moiré saçaklardan, ölçmelerin iki kat daha hassas olduğu geniş bir görüş alanı olan yeniden yapılandırılmış bir çarpma moiré yöntemi 23 geliştirildi. Tarama moiré yöntemi tutulur. Dahası, mekansal faz kaydırmalı örnekleme moiré yöntemi, çok pikselli örneklemeli moiré saçaklardan geliştirildi ve yüksek hassasiyetli gerinim ölçümleri yapılmasına olanak sağladı. Bu protokol detaylı gerinim ölçme prosedürünü tanıtacak ve araştırmacılara ve mühendislere deformasyonun nasıl ölçüleceğini, malzemelerin ve ürünlerin üretim süreçlerini iyileştirmeyi öğrenmesine yardımcı olması bekleniyor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Numune üzerindeki Mikro / Nano-ölçekli Izgaranın Onaylanması

  1. Numunenin İşlenmesi
    1. Numuneyi, mikroskop altında kullanılan spesifik yükleme cihazı ( örn., 1 x 5 x 30 mm 3 ) ile istenen boyuta getirin ve böylece yüzeyin , ilgilenilen bölgeden 1.5 kat daha büyük olmasını sağlayın.
    2. Otomatik bir cila makinesi üzerinde sırayla kaba ve ince kum kağıdı kullanarak ardarda gözlemlenecek olan numune yüzeyini ( örn., 1 x 30 mm2) parlatın ( örn. SiC folyo # 320'yi 3 dakika boyunca ve sonra # 800'ü 1 dakika 150 rpm'de kullanın Ve 30 N). Her parlatma adımından sonra numuneyi su kullanarak temizleyin.
    3. Aynı numune yüzeyini, otomatik parlatma makinesinde sırayla kaba ve ince parlatma çözümleri kullanarak parlatın ( örn., DP-Spray P 15 dakika boyunca 5 dakika, P 1 μm 8 dakika boyunca ve P 0.25 μm'de 10 dakika 150 rpm'de kullanın ve 30 N). Numuneyi her polisinden sonra su kullanarak temizleyinAdım at.
  2. Numuneye Periyodik Bir Desen Var Olmasaydı Mikro / Nano Ölçekli Izgaranın Üretilmesi
    NOT: Numune yüzeyindeki mikro / nano ölçekte doğal periyodik bir model mevcutsa, bu adım atlanabilir. Izgara imalat yöntemini aşağıdakilerden seçin: ultraviyole (UV) veya ısıtma nanoimprint lithography (NIL) 26 , elektron ışını litografi (EBL) 2 ve odaklanmış iyon demiri (FIB) frezeleme 6 .
    NOT: Izgara üretim süreci burada UV NIL örnek olarak verilmiştir.
    1. Bir pipet kullanarak numune yüzeyine 2 mL UV direnci bırakın.
    2. Örtüyü 60 saniye süreyle 1,500 rpm'de bir spin kaplayıcı kullanarak numune yüzeyine astar.
    3. 0.2 MPa'lık bir basınçta bir nano-baskı kalıbını direnç tabakasına bastırın. Rezistansı 30 saniye boyunca 375 nm dalga boyunda UV'ye maruz bırakın.
    4. Nanoimprint kalıplarını numune yüzeyinden ayın.
    5. Mikroskop Kullanarak Numune Üzerindeki Izgaranın Gözlemlenmesi
      1. Ġyon kaplayıcısı kullanarak ızgara yüzeyinde 3-10 nm kalınlıkta bir platin veya altın tabakası örün ( örn., 30 μA'lik bir püskürtme akımı ile 3 Pa'da 30 saniye süreyle kaplama) kaplayın.
      2. Numuneyi bir lazer tarama mikroskopu (LSM) 23 içine koyun.
        NOT: Bir transmisyon elektron mikroskopu (TEM) 5 , bir atomik kuvvet mikroskopu (AFM) 12 veya bir taramalı elektron mikroskopu (SEM) 7 gibi diğer mikroskoplar da kullanılabilir.
      3. Mikrofondaki görüntü kayıt yazılımında "Yakala" ve "Dosya | Dışa Aktar | Resim Dosyası" nı tıklayarak mikroskop kullanarak odaklamayı ayarlayın ve bir ızgaralı görüntüyü kaydedin.
    6. Izgaranın Grid Pitchinin (nm veya μm) Grid Görüntüsünden Hesaplanması
      1. 10 gr'dan daha fazla ortalama değeri hesaplayınId, tarama veya objektif bozulmasının potansiyel etkisini önlemek için ızgaralı görüntünün orta bölümünde bulunur.
        NOT: Numunedeki ızgaralar, oda sıcaklığında birkaç gün boyunca saklanabilir.

    2. Yükleme Testinde Izgaralı Görüntülerin Elde Edilmesi

    1. Mikroskopta Yükleme Testinin Hazırlanması
      1. Numuneyi, çekme, basma, ısıtma veya elektrikli yükleme cihazı gibi bir yükleme cihazına mikroskop altında sabitleyin.
        NOT: Izgara aralığı 20 nm'den düşükse, bir TEM veya AFM kullanılmalıdır. Izgara aralığı 20 nm ila 10 um ise, bir SEM kullanılabilir. Izgara aralığı 400 nm'den büyükse bir LSM kullanılabilir.
      2. Spesifik gerekliliklere göre yük hızını ( örneğin 0.01 mm / s) ve yük veya yer değiştirme artımlı adımı ( örn. 0.5 N / adım veya 0.024 mm / adım) ayarlayın. Yükü ve yer değiştirmeyi sıfıra ayarlayın.
      3. Şebekeyi sörf yapınGözlem düzleminde as. Mikroskop örnek aşamasını hareket ettirerek veya döndürerek düşük bir büyütme altında ilgi alanı seçin.
      4. Görüntüdeki ızgara aralığını 1.8 × bir piksel boyutundan büyük yaparak uygun bir büyütme seçin.
        NOT: Genellikle, görüntüdeki ızgaranın aralığını 2 pikselden fazla yapmak daha iyidir. Bir ızgara aralığı daha fazla piksel karşılık geldiğinde, deformasyon ölçümünün doğruluğu artar; ancak ölçüm alanının boyutu o kadar küçüktür.
    2. Yükleme Testinde Izgaralı Görüntülerin Toplanması
      1. Mikroskop görüntü kayıt yazılımında "Yakala" ve "Dosya | Dışa Aktar | Resim Dosyası" nı tıklayarak yüklemeden önce ilgi alanının bir ızgaralı görüntüsünü kaydedin.
      2. Yükleme cihazının işletim yazılımını kullanarak ilk yük adımı ( örneğin 0,5 N veya 0,024 mm) uygulayarak numuneyi mikroskop üzerine yerinde yüklemeye başlayın.
      3. RecMikroskop görüntü kayıt yazılımındaki "Yakala" ve "Dosya | Dışa Aktar | Resim Dosyası" nı tıklayarak ilk yük aşamasından ( örneğin 0.5 N veya 0.024 mm'de) sonra ilgi alanının bir ızgara görüntüsü elde edin. Mikroskopun büyütme ve çalışma mesafesinin değişmeden kalmasını sağlayın.
      4. Yükleme cihazını kullanarak her bir yük adımı uygulayarak numuneyi yüklemeye devam edin. Her bir yük adımı sonrasında, numune kırıldığında veya belirli bir değere ulaşılana kadar ( örneğin, 19 kez yükleyin ve 19 grid resmini, 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, 0.5 olarak aralıklarla kaydedin) ızgara görüntüsünü kaydedin. N veya 0.024 mm aralıklarla 0.048 mm, 0.072 mm, 0.096 mm, ..., 0.48 mm'de). Mikroskopun büyütme ve çalışma mesafesinin değişmediğinden emin olun.
        NOT: Izgara görüntüleri keyfi olarak uzun bir süre kaydedilebilir.

    3. Örnekleme Öncesi ve Sonrası Örnekleme Hareketsizliklerinin Üretimiormation

    1. Izgaralı Görüntülerde Izgara Eğrilerinin (piksel) Tahmini
      1. Yüklemeden önce, bir görüntü işleme yazılımında ( örn., Microsoft Paint) iki bitişik ızgaranın merkezleri arasındaki mesafeyi ölçerek ızgara görüntüsündeki ızgara aralığını (birim: piksel) tahmin edin.
      2. Maksimum yükte ızgara görüntüsündeki ızgara aralığını tahmin edin.
    2. Örnekleme Aralığının Belirlenmesi (piksel)
      1. Izgara eğimleri önce ve deformasyon 1.8 ila 2.5 piksel arasında olduğunda adım 3.2.2'ye geçin. Izgara aralıkları deformasyondan önce ve sonra 2,4 ve 3,6 piksel arasında olduğunda adım 3.2.3'e geçin. Izgara aralıkları deformasyondan önce ve sonra 3.2 pikselden büyük olduğunda 3.2.4 adımına atlayın.
      2. Örnekleme adımını T = 2 piksel olarak ayarlayın. Adım 3.3'e atlayın.
      3. Örnekleme adımını T = 3 piksel olarak ayarlayın. Adım 3.3'e atlayın.
      4. Örnek alma aralığı T'yi pozitif olarak ayarlayınDeformasyon öncesi ve sonrası 0.75x ve 1.25x ızgara aralıkları, bol miktarda simülasyon sonucundan tespit edilmiştir22.
        NOT: 3.2.1 ve 3.2.4 adımlarındaki gereksinimleri karşılayan 2 pozitif tam sayı varsa, örnekleme aralığı olarak daha büyük tam sayı seçmek daha iyidir. Gereksinimleri karşılayan 3 veya daha fazla pozitif tam sayı varsa, örnekleme aralığından biraz daha büyük olduğu sürece orta tamsayıyı seçmek daha iyidir.
    3. Deformasyondan Önce Numune Alma Köşeleri Oluşturma
      1. Deformasyondan önce ızgara görüntüsünü açın. X yönünün yatay olarak sağa olduğunu varsayıldığında, y yönü dikey olarak aşağı doğrudur ve koordinat (0, 0) sol üst köşede bulunur, x görüntüsünün W genişliğini ve y yönündeki görüntü yüksekliğini hesaplar .
        NOT: y yönü aşağıdaki gibi tanımlanabilir:Dikey olarak yukarıya.
      2. Y yönünde moiré saçak oluşturmak için adım 3.3.3'e gidin. X yönünde moiré saçak oluşturmak için adım 3.3.7'ye geçin.
      3. Izgara görüntüsünü bir alçak geçiren filtre (LPF) kullanarak ızgaralı bir görüntüye işleyin. Örneğin, ana yönlendirmenin ızgaraya dik doğrultu olarak tanımlandığı, ana yönü x olan ızgarayı bastırmak için bir FT algoritması kullanın. Filtre boyutunu ızgara aralığına yakın olacak şekilde ayarlayın.
      4. Izgara görüntüsünü, sadece birkaç yatay çizgide gri değerlerini çıkartarak inceltin; örnekleme aralığı T ( T ≥2) y = k piksel ( k = 0) ( Şekil 1 ) arasındaki mesafeyle ( diğer bir deyişle yalnızca griyi Y = k piksel, y = k + T piksel, ..., y = k + iT piksel örnekleme hatlarındaki değerleri , burada i bir po'durSitatif tam sayı). Son örnekleme çizgisinin ( k + iT) koordinatını, görüntü yüksekliğinden ( H) daha düşük yapın.
      5. Yatay örnekleme çizgileri ile görüntünün tam alan yoğunluğu enterpolasyonunu (doğrusal veya B-spline) gerçekleştirerek y yönünde bir örnekleme hareli deseni oluşturun.
      6. 1 piksel artan adımında k değiştirerek ( yani, inceltmenin başlangıç ​​noktasını y = k olarak değiştirerek) 3.3.4 ve 3.3.5 adımlarını tekrarlamak suretiyle y yönünde diğer T -1 örnekleme hareli desenleri oluşturun Piksel; k = 1, ..., T -1).
      7. Adım 3.3.3'te x'ten y'ye değiştirilerek x yönünde T adımlı uzamsal faz kaydırmalı örnekleme hareli desenleri oluşturmak için adım 3.3.3-3.3.6'daki aynı işlemleri kullanın; görüntü yüksekliği H'yi görüntü genişliği W olarak değiştirin Ve y'yi 3.3 adımlarında x olarak değiştirme.4-3.3.6.
        NOT: x yönündeki örnekleme aralığı y yönündeki örnekleme yelpazesinden farklı olabilir.
    4. Deformasyon Sonrası Numune Alma Köşeleri Üretimi
      1. Tüm ızgaraları farklı yüklerde açın. Izgara görüntülerinin sayısının N olduğunu varsayalım .
      2. Adımları 3.3.3-3.3.6 N kez tekrarlayarak y yönünde T- adım uzaysal faz kaydırmalı moiré saçaklardan N grup oluşturun.
      3. Adım 3.3.7'yi N kez tekrarlayarak x adımında N- adım uzaysal faz kayması moiré saçaklardan N grup oluşturun.

    4. Yükleme Testinde Numunenin Deformasyon Ölçümü

    1. Deformasyondan Önce ve Sonra Moir Saçılmaların Hassasiyetlerinin Belirlenmesi
      1. Deformasyona uğramadan önce T- adım moiré saçaklardaki yoğunlukları çıkartınAdım 3.3.5 ve 3.3.6'da y yönünde; Adım 3.3.7'deki x yönündeki moiré yoğunluklarını belirleyin. Aşağıdaki denklem 23 kullanılarak j ( j = x , y ) yönünde deformasyon öncesi T- basamağını ( T ≥2) moiré yoğunluklarını tanımlayın:
        Denklem 1 (1)
        Burada p j , j ( j = x , y ) yönünde deformasyon öncesi ızgara aralığıdır, A modüle edilmiş genliktir ve D arka planı ve yüksek frekanslı yoğunlukları içerir.
      2. Adım 3.4.2'de y doğrultusunda deformasyon sonrasında T-adım moiré saçaklarının yoğunluklarını çıkartın ve adım 3.4.3'te x yönündeki moiré yoğunluklarını belirleyin. Deformasyondan sonraki T- kademeli ( T ≥ 2) moiré yoğunluklarını tanımlayın.J ( k ), p j , A ve D' yi I ' m, j ( k ), p ' ye değiştirerek yukarıdaki aynı denklemi (Denklem 1) kullanarak j ( j = x , y ) J , A 've D ' olarak gösterilir, burada üst simge tekli terim deformasyondan sonra anlamına gelir.
        NOT: Örnekleme perdesi T ≥ 3 piksel ise, bu adımı dikkate almayın ve adım 4.3'e geçin.
      1. Aşağıdaki denklem kullanılarak deformasyon öncesi iki aşamalı örnekleme moiré yoğunlukları ( Şekil 1a ) arasındaki çarpımsal parazitten çarpma moiré saçakları yeniden yapılandırın .
        Denklem 2 (2)
        Burada çoklu, j yoğunluğu için o duruyor oDeformasyon öncesi j ( j = x , y ) yönündeki yeniden yapılandırılmış çarpım moiré saçaklar.
      2. Fringe merkezleme tekniği 24 kullanılarak deformasyon öncesi yeniden yapılandırılmış çarpma moiré saçaklarını işleyin. Yeniden yapılandırılmış çoğaltma moiré'nin merkez çizgilerindeki saçak siparişlerine ardışık tam sayı ve yarı tam sayı f j = [1, 1.5, 2, 2.5, ...] atayın.
        NOT: Çarpım moiresi saçakları çok yoğunsa, iki basamaklı örnekleme harnezinin saçak siparişleri önce belirlenebilir ( yani, f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] ve F j (1) = [0, 1.5, 0, 2.5, 0, 3.5, ...]). Çarpma moiresi saçaklarının saçak sırası f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, ...] olacaktır. Sert gövde yer değiştirmesi gerinme sonucunu etkilemez.
      3. Aşağıdaki denklemleri kullanarak örnekleme adımına göre deformasyona uğramadan önce numunenin göreli gerginliğini ölçün 23
        Denklem 3 (3)
        Denklem 4 (4)
        Burada u j_rela ve ε j_rela sırasıyla j ( j = x , y ) doğrultusunda deformasyona uğramadan önce numunenin nispi yer değiştirmesi ve göreli gerginliğini temsil eder ve γ xy_rela deformasyon öncesi göreli makaslama gerilmesini ifade eder.
      4. X ve y yönlerinde deformasyon yapıldıktan sonra numunenin N çarpı boyunca deformasyona uğramasından sonra, I multi, j , I m, j (0), I m, j değişkeni değişen örneklerin göreli soylarını belirlemek için 4.2.1-4.2.3 adımlarını tekrarlayın I ' çoklu, j , I ' denklemlerinde (2) - (4) 'de pj, A , D, uj_rela ( j = x , y ), εj_rela ve γxy_rela (J = x, y), ε ' j_rela ve γ ' xy_rela , sırasıyla, m ', j ' , Burada üst simge tekli terim deformasyondan sonra anlamına gelir.
      5. J ( j = x , y ) doğrultusundaki gerçek normal gerinimi ε j'yi belirleyin; bu, ızgara aralığı ile absolut olan makaslama gerinimi γ xy'nin göreli değişimidürE deformasyon öncesi ve sonrası göreli soylardan gelen yükün sebep olduğu ızgara açısının varyasyonu 20 .
        Denklem 5 (5)
        Denklem 6 (6)
    3. Deformasyon Ölçümü Örnekleme Aralığı T ≥ 3 pikseldir
      1. Uzamsal faz kaydırma tekniğini kullanarak k = 0 olduğunda şekil değiştirmeden önce j ( j = x , y ) yönündeki örnekleme moiresi saçaklarının fazını hesaplayın ( Şekil 1b ) 21
        Denklem 7 (7)
      2. Deformasyondan sonra k = 0 iken j ( j = x , y ) yönündeki örnekleme moiresi saçaklarının fazını, φ m'nin yerine geçerek elde edin , j ve I m, j ( k ) ile sırasıyla, eşitlik (7) 'de m> j ve I m, j ( k )' dir. N yük için N kez tekrarlayın.
        NOT: Adım 4.3.1 ve 4.3.2'deki faz dağılımlarında çok fazla rastgele gürültü varsa fazları yumuşatmak için bir gün / cos filtresi 25 kullanılabilir.
      3. Deformasyondan önce ve sonra j ( j = x , y ) yönündeki örnekleme moiresi saçaklarının faz farkını belirleyin ( yani, Δ φ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Deplasmanın u j , normal gerinim ε j dağılımlarını ölçün j = x , y ) yönü ve yükün neden olduğu numunenin kayma gerginliği γ xy . Aşağıdaki denklemleri 6 ve 21'i kullanın
        Denklem 8 (8)
        Denklem 9 (9)
        Denklem 10 (10)
        NOT: Gerinim dağılımlarında çok fazla gürültü varsa, ortalama bir düzeltici filtre kullanılabilir, bu filtrenin boyutu 2 kılavuz sahadan küçüktür.
    4. Sonuç Depolama
      1. Harman tüyleri, aşamaları (örnekleme aralığı T ≥ 3 pikselden), yer değiştirmeleri ve soyları, .tif veya .bmp dosyaları gibi resimler biçiminde ve .txt veya .csv gibi metin biçiminde kaydedin. dosyaları.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

İki karbon elyaf takviyeli plastik (CFRP) numunesinin (# 1 ve # 2) 2D deplasman ve gerinim dağılımları, moire oluşturma prensibi 23'e ve ölçüm sürecine ( Şekil 1 ) göre ölçülmüştür. CFRP örnekleri 10-11 um çaplı K13D karbon elyaflarından ve epoksi reçinelerden yapılmıştır. CFRP # 1'in deformasyonu, iki aşamalı örnekleme moiré saçaklarından yeniden yapılandırılmış çarpma moiré yöntemi kullanılarak ve CFRP # 2'nin deformasyonu, üç aşamalı örnekleme moire saçaklarından uzamsal faz kaydırmalı örnekleme moiré yöntemi kullanılarak ölçülmüştür.

A) CFRP # 1'in deformasyon ölçümü

CFRP # 1'in kalınlığı, uzunluğu ve genişliği sırasıyla 1 mm, 22 mm ve 4 mm idi ( Şekil 2a ). Uzunluğu dTüm elyafların düzeltilmesi kum kağıtları ve parlatma çözümleri kullanılarak cilalanan 1 x 22 mm2 yüzeyine diktir. Parlak yüzey üzerinde, UV nano-emprim litografi kullanılarak 3.0 um'lik bir ızgara imal edildi ( Şekil 2b ). En büyük çekme gerginliğini izlemek için alt 4 x 22 mm 2 yüzeyine bir gerinim ölçer yapıştırıldı.

CFRP # 1 üzerinde, lazer tarama mikroskopu altında, 16 mm'lik bir destek aralığı ile bir yükleme jig kullanan üç nokta bükülme testi gerçekleştirildi. Genişlik-derinlik oranı, Amerikan Test ve Materyaller Birliği (ASTM) standartlarına göre 16 idi. Gerinim ölçer değerleri 0 ve 0.00533 olduğunda ızgara görüntüleri kaydedildi ( Şekil 2b ). Mikroskopun objektif merceğinin büyütme oranı 5 x, tarama çözünürlüğü 1,024 x 1,024'tür. X yönü yatay olarakSağa ve y yönü dikey olarak yukarıya doğru.

CFRP # 1 üzerinde hem x hem de y yönlerindeki kılavuz çizgileri kaydedilen görüntüde yaklaşık 2 piksel olduğu için deformasyon ölçümü için iki yöndeki aşağı örnekleme aralıkları T = 2 piksel olacak şekilde ayarlandı. Tarama bozulmasının potansiyel etkisini önlemek için, ilgi alanı olarak 1.26 x 0.53 mm2 boyutunda bir merkezi alan seçildi. 2-piksel aşağı örneklemeden ve denklemden (2), deformasyon sonrasında 2 aşamalı örnekleme moiré desenleri ve yeniden yapılandırılmış çarpma moiré paterni oluşturulmuştur ( Şekil 2c ). Denklem (3) ve (4) kullanılarak, gerinim ölçme değeri 0.00533 olduğunda örnekleme adımına göre deformasyon hesaplandı. Benzer şekilde, strain gauge değeri 0 olduğunda göreli deformasyon da elde edilmiştir. Son olarak, gerçek deformasyon dağılımları, inc2D deplasmanları ( Şekil 2d ), 2D normal suşları ve kesilme suşunu ( Şekil 2e ) izleyen denklemler (5) ve (6) kullanılarak ölçülmüştür.

Deplasman dağılımlarından ( Şekil 2d ), x- yönlü deplasman, sol üst ve sağ-alt köşelerde pozitif, ancak diğer iki köşede negatiftir. Y yönünde yer değiştirme, tüm alan için negatif ve en azından merkezdeki bölgede negatiftir. Bu, bükülen bir numunenin deformasyon özellikleriyle iyi uyuşmaktadır. Gerinim dağılımlarından ( Şekil 2e ), üst bölge x yönünde basınç gerilimi, y yönünde gerilme gerginliği ve alt alan x yönünde gerilme gerginliği, y yönünde ise sıkıştırma gerginliği taşır ve ilginç bir deformasyon gösterir characteristic. Kesme gerginliği sol alanda negatiftir ve sağ bölgede pozitiftir ve eğilme özelliğine uygundur.

B) CFRP # 2'nin deformasyon ölçümü

Lamine CFRP # 2'nin kalınlığı, uzunluğu ve genişliği sırasıyla 1 mm, 30 mm ve 5 mm'dir ( Şekil 3a ). 8 kat vardı ve her tabakanın kalınlığı 0,13 mm idi. Tüm elyafların uzunlamasına yönü kum kağıtları ve parlatma çözeltileri kullanılarak cilalanan 1 x 30 mm 2 yüzeyine dikeydi. 3.7 μm adımlı bir ızgara daha sonra parlatılmış yüzey üzerinde UV nanometre ile litografi kullanılarak imal edilmiştir ( Şekil 3b ).

Üç nokta bükülme testi, lazer tarama mikroskopu altında, 16 mm destek aralığı ile bir yükleme jig kullanıldı. Yayılma-to-dYüzde 0,2'lik ön yükdeki ızgara görüntüsü ilk önce kaydedildi. Yük 10.8 N olduğunda ve sapma -200 μm olduğunda, deforme olmuş ızgara görüntüsü de kaydedildi ( Şekil 3b ). Mikroskopun objektif lensinin büyütülmesi 5x, görüntüleme zumu% 120 ve tarama çözünürlüğü 1,024 x 1,024 piksel idi. X yönü yatay olarak sağa ve y yönü dikey olarak yukarıya.

CFRP # 2'nin hem x hem de y yönlerindeki kılavuz çizgileri kaydedilen görüntüde yaklaşık 3 piksel olduğu için deformasyon ölçümü için iki yöndeki aşağı örnekleme aralıkları T = 3 piksel olacak şekilde ayarlandı. Tarama bozulmasının potansiyel etkisini önlemek için, ilgi alanı olarak 1.15 x 0.49 mm2 boyutunda bir merkezi alan seçilmiştir. Adım 4.3'te anlatılan yöntemi kullanarak, moiré fazı disX ve y yönlerinde hem 0.2 N hem de 10.8 N'de tribüsler elde edildi ( Şekil 3c ). 2D düzlemsel yer değiştirmelerinin ( Şekil 3d ), 2D normal suşların ve kayma suşunun ( Şekil 3e ) dağılımları belirlendi.

CFRP # 2'nin deplasman dağılımı ( Şekil 3d ) özellikleri, y yönünde yer değiştirmenin biraz farklı olması dışında CFRP # 1'in ( Şekil 2d ) benzerdir. X- yönlendirme gerginliği ve CFRP # 2'nin kesme gerginliğinin ( Şekil 3e ) özellikleri, eğilme örneğinin deformasyon özelliklerine uygun olarak CFRP # 1'in ( Şekil 2e ) özelliklerine de benzer. Bununla birlikte, CFRP # 2'nin ( Şekil 3e ) y- yönü soyu farklıdırCFRP # 1'inkinden daha fazladır çünkü CFRP # 2 bir lamine numunedir. Tüm alan içerisinde neredeyse negatif olan y yönünde gerinmenin dağılımından çeşitli katmanlar gözlemlenebilir.

Şekil 1
Şekil 1: Örnekleme harn oluşumu ilkesi ve ölçüm süreci. ( A ) Örnekleme perdesi T = 2 piksel olduğunda 2 piksel örneklemeli moiré saçaklardan yeniden yapılandırılmış moirenin üretim ilkesi. ( B ) Çok adımlı faz kaydırmalı örnekleme moiresi saçakların oluşma ilkesi ve örnekleme perdesi T ≥3 piksel olduğunda moiré fazı için ölçüm işlemi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

p-together.within-page = "1"> şekil 2
Şekil 2: CFRP # 1'in deformasyon ölçüm sonuçları. ( A ) Lazerli mikroskop altında üç nokta büküm testinin deneysel kurulumu ve numune diyagramı. ( B ) Mikro ızgaralı CFRP # 1'in gözlenen yüzeyi. ( C ) Gerinim ölçer değeri 0.00533 iken, iki aşamalı örnekleme hareketi kalıpları ve yeniden yapılandırılmış çarpma moiré paterni. ( D ) x ve y yönlerinde ölçülen yer değiştirme dağılımları. ( E ) CFRP # 1'in x yönü, y yönü ve kesme suşlarının ölçülen dağılımları. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 3 "class =" xfigimg "src =" / dosyalar / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
Şekil 3: Lamine CFRP # 2'nin deformasyon ölçüm sonuçları. ( A ) Lazer mikroskopu altında üç nokta bükülme testinin diyagramı. ( B ) Mikro ızgaralı CFRP # 2'nin gözlenen yüzeyi. ( C ) örnekleme moiresi saçaklarının, x ve y yönlerinde 0.2 N ön yük ve 10.8 N yükte sarılmış faz (aralık: -π ~ π) dağılımı. ( D ) y yönündeki sapma (-200 μm) görüntülendiğinde, x ve y yönlerinde ölçülen yer değiştirme dağılımları. ( E ) CFRP # 2'nin x yönü, y yönü ve kesilme soylarının ölçülen dağılımı. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Açıklanan teknikte, zorlu bir adım, numunede periyodik bir desen mevcut değilse mikro / nano ölçekli ızgaralı veya ızgaralı (ızgaralı olarak kısaltılmış) üretimdir26. Izgara aralığı deformasyona uğramadan önce üniform olmalı çünkü deformasyon ölçümü için önemli bir parametredir. Malzeme metal, metal alaşım veya seramik ise, UV veya ısıtma nanoimprint litografi (NIL) 27 , elektron ışını litografi (EBL) 2 , odaklanmış iyon demeti (FIB) öğütme 6 veya ızgara çoğaltma yöntemi 26 olabilir Kullanılmış. Malzeme zayıf bir polimer içeriyorsa, EBL ve FIB öğütme önerilmez. Malzemenin bir bileşeni ısıya direnç göstermediğinde, ısıtma NIL'i kullanılamaz. Numune ince bir film ise, grid duplicate yöntemi uygulamak zordur çünkü numuneyi ayırmak kolay değildir.

Için kritik adımÖnerilen tekniği kullanarak deformasyon öncesi ve sonrasında ızgara görüntüsünün gerinim ölçümü, prensibi konvansiyonel girişim yamalı saçakların oluşum prensibinden farklı olan örnekleme moiren saçaklarının 22 oluşturulmasıdır. Farklı örnekleme moiré saçaklar oluşturmak için, bir FT algoritması gibi bir alçak geçiren filtrenin istenmeyen çizgileri veya noktaları bastırması önerilir. Örnekleme moiresi saçakları, aşağı örneklemeden sonra ( yani ızgara görüntüsünün inceltilmesi) ve doğrusal yoğunluk enterpolasyonundan sonra belirsiz olduğunda, aşağı örneklemeden önce ortalama bir filtre gibi bir yumuşatma filtresi kullanılabilir. İkinci veya üçüncü dereceden B-spline enterpolasyon algoritması, yoğunluk enterpolasyonu için farklı örnekleme moire saçakları oluşturmak için kullanılabilir.

Geleneksel moiré yöntemleri ile karşılaştırıldığında, gerinim dağılımı ölçümü için önerilen örnekleme moiré tekniği,Basit bir 2D gerinim ölçümü yapar ve basit işleme, yüksek hız, yüksek deformasyon hassasiyeti ve yüksek ölçüm doğruluğu sağlar 23 . 2D gerilme ölçümü, geleneksel yöntemlerde gerekli olan, numune kademesini veya mikroskopun tarama çizgilerini döndürmeden kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Buna ek olarak, dinamik deformasyon da ölçülebilir, zira gerekli bilgiler her yükte yalnızca tekli ızgaralı bir görüntüdür. Bu, zamana bağlı faz kaydırmalı moiré metoduyla yapılamaz, çünkü her yükte zamanla birlikte birkaç ızgara veya moire görüntüsü gereklidir.

Tarif edilen teknik, mikro / nano ölçeklerde kolay 2D gerinim ölçümlerine izin vermekle birlikte, herhangi bir başka teknikte olduğu gibi kendi kısıtlamaları 23'e sahiptir. Kaydedilen bir resimdeki ızgara aralığı, 2 piksel veya çok pikselli örnekleme moiré saçak oluşturmak için 1.8 pik değerden daha büyük olmalıdır. Resimdeki ızgara aralığı 2 pi civarındaysaXels, 2 piksel örnekleme moiré saçak, aynı büyütmede aynı görüş alanı ile, moire saçaklar tarayan mikroskopun yerini alabilir. Bununla birlikte, bir görüntüdeki ızgara aralığı, belirgin tarama moiré saçakları doğrudan gözlenebildiği zaman mikroskopun en yüksek tarama çözünürlüğünde yaklaşık 1 piksel ise, örnekleme moiré saçakları aynı büyütmede oluşmayacaktır. Mikroskop büyütme arttıkça numune moiré saçaklar yaratılabilir, ancak deformasyon ölçümü için görüş alanı azalır. Neyse ki, ticari mikroskopların tarama çözünürlüğü gelişiyor ve örnekleme moiresi saçakları çoğu durumda üretilebiliyor. Tarama çözünürlüğü ne kadar yüksek olursa, bir ızgara adımının piksel sayısı o kadar büyük olur ve gerinim ölçümü doğruluğu o kadar yüksek olur.

2-piksel örnekleme hareketi ile yeniden yapılandırılmış çoğaltma moiré yönteminin aksineÇok piksel örneklemeli moiré saçaklardan elde edilen, mekansal faz kaydırmalı örnekleme moiré yöntemi, daha yüksek bir işlem hızı ve daha yüksek bir ölçüm doğruluğu ancak daha küçük bir görüş alanı sunmaktadır. Yöntemin seçimi, örnek ızgara adımının piksel sayısına veya örnek ızgaranın pitch sayısının kontrol edilebilir olması durumunda gerekli ölçüm doğruluğuna ve görüş alanına bağlıdır. Her iki yöntem tahribatsız deformasyon ölçümleri almakta ve mekanik özelliklerin, çatlak oluşumu ve büyümesinin, artık gerilmelerin, kusur tespiti, yapısal karakterizasyonu vb. Nicel değerlendirmeler yapmak için kullanışlıdır .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma JSPS KAKENHI, hibe numaraları JP16K17988 ve JP16K05996 tarafından ve Kabine Ofisi tarafından işletilen Yapısal Malzemeler için Yenilikçi Ölçme ve Analiz (SIP-IMASM) Birimi D66'nın D66 Birimi Stratejik Yenilik Geliştirme Programı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar Drs'a da minnettarlar. Satoshi Kishimoto ve Kimiyoshi Naito CFRP materyalleri için NIMS'de.

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

Mühendislik Sayı 123 Deformasyon dağılımı gerinim ölçme örnekleme hareketi görüntü işleme optik yöntem mikro / nano ölçekli kompozit malzemeler
Örneklemeden Mozaik Saçaklardan Mikro / Nano-Ölçekli Gerinim Dağılım Ölçümü
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