Misura di distribuzione di sforzo micro / nano-scala da campionature Moiré Fringes
Summary
Qui viene presentata una tecnica di moiré di campionamento con metodi di campionamento a pixel da 2 pixel e multispagine per misure di distribuzione di strain ad alta precisione a micro / nano scala.
Abstract
Questo lavoro descrive la procedura di misurazione ei principi di una tecnica di moiré di campionamento per le misurazioni di deformazione a scala micro / nano a campo pieno. La tecnica sviluppata può essere eseguita in due modi: utilizzando il metodo moiré di moltiplicazione ricostruito o il metodo moiré di campionamento spostamento di fase. Quando l'intensità della griglia del campione è di circa 2 pixel, vengono creati frange di moiré di campionamento a 2 pixel per ricostruire un modello di moiré di moltiplicazione per una misura di deformazione. Entrambe le sensibilità di spostamento e di tendenza sono due volte più elevate rispetto al metodo di moiré tradizionale di scansione nello stesso ampio campo visivo. Quando l'intensità della griglia del campione è di circa o maggiore di 3 pixel, vengono creati fringere di moiré di campionamento a più pixel e una combinazione di tecniche di spostamento di fase per una misura di deformazione a campo pieno. L'accuratezza della misurazione del ceppo è notevolmente migliorata e la misura automatica del batch è facilmente raggiungibile.Entrambi i metodi possono misurare le distribuzioni bidimensionali (2D) di una singola immagine di griglia senza ruotare il campione o le linee di scansione, come nelle tecniche moiré tradizionali. Come esempi, le distribuzioni di spostamento e deformazione 2D, inclusi i ceppi di taglio di due esemplari di plastica rinforzati con fibra di carbonio, sono stati misurati in prove di flessione a tre punti. Si prevede che la tecnica proposta gioca un ruolo importante nelle valutazioni quantitative non distruttive delle proprietà meccaniche, fenomeni di crepe e sollecitazioni residue di una varietà di materiali.
Introduction
Le misure di deformazione a scala micro / nano sono fondamentali per valutare le proprietà meccaniche, i comportamenti di instabilità, le sollecitazioni residue e gli eventi di creazione di materiali avanzati. Poiché le tecniche ottiche sono non-contatti, a campo pieno e non distruttivo, sono stati sviluppati diversi metodi ottici per la misura della deformazione negli ultimi decenni. Negli ultimi anni, le tecniche di misura della deformazione a scala micro / nano includono principalmente i metodi moiré 1 , 2 , 3 , 4 , l'analisi di fase geometrica (GPA) 5 , 6 , la trasformazione di Fourier (FT), la correlazione digitale di immagini (DIC) e Interferometria elettronica a speckle (ESPI). Tra queste tecniche, GPA e FT non sono adatti per misure di deformazione complesse perché esistono più frequenze. Il metodo DIC è simMa impotente contro il rumore, perché il vettore di deformazione è speckle casuale. Infine, ESPI è fortemente sensibile alla vibrazione.
Tra i metodi di moiré micro / nano-scala, i metodi più comunemente utilizzati sono attualmente i metodi di scansione del microscopio moiré come moiré 7 , 8 , 9 , scansione laser moiré 10 , 11 e microscopio a forza atomica moiré 12 , E alcuni metodi di moiré basati sul microscopio, come il metodo moiré digitale / sovrapposto 13 , 14 , 15 e il metodo di moltiplicazione / frazionamento moiré 16 , 17 . Il metodo di moiré di scansione ha molti vantaggi, come un ampio campo visivo, alto rendimentoL'insensibilità al rumore casuale. Tuttavia, il metodo di moiré tradizionale di scansione è scomodo per le misurazioni di ceppo 2D perché è necessario ruotare la fase di campionamento o la direzione di scansione per 90 ° e scansionare due volte per generare le frange in moire in due direzioni 18 . La rotazione ei processi di scansione doppio introducono errori di rotazione e richiedono molto tempo, influenzando seriamente l'accuratezza della misurazione del ceppo 2D, in particolare per il ceppo di taglio. Anche se la tecnica temporale di spostamento di fase 19 , 20 può migliorare l'accuratezza della misurazione della deformazione, richiede tempo e un dispositivo di spostamento di fase speciale non adatto per test dinamici.
Il metodo di moiré di campionamento 21 , 22 ha un'alta precisione nelle misure di spostamento ed è ora utilizzato principalmente per misure di deflessione sui ponti quando le automobili pculo. Per estendere il metodo del moiré di campionamento a misure di tensione 2D a micro / nano scala, è stato recentemente sviluppato un metodo di moiré di moltiplicazione ricostituito 23 da due frange di moiré di campionamento a due pixel, in cui le misure sono due volte sensibili e l'ampio campo visivo della Viene mantenuto il metodo di scansione del moiré. Inoltre, il metodo di moiré di campionamento spostamento di fase è sviluppato anche dai fringoni moiré a campionamento multi-pixel, consentendo misure di strain ad alta precisione. Questo protocollo introdurrà la procedura dettagliata di misurazione del ceppo e dovrebbe aiutare i ricercatori e gli ingegneri a imparare a misurare la deformazione, migliorando i processi di produzione dei materiali e dei prodotti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nella tecnica descritta, un passo impegnativo è la realizzazione della griglia di micro / nano scala o di griglia (abbreviata come griglia) 26 se sul modello non esiste un pattern periodico. Il passo della griglia deve essere uniforme prima della deformazione perché è un parametro importante per la misura della deformazione. Se il materiale è un metallo, una litografia in metallo o una ceramica, la litografia a nano d'impronta UV o riscaldamento (NIL) 27 , la litog…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da JSPS KAKENHI, i numeri di sovvenzione JP16K17988 e JP16K05996 e dal Programma di promozione strategica dell'Innovazione Strategica Cross-Ministerial Unit D66, Misurazione Innovativa e Analisi per i Materiali Strutturali (SIP-IMASM), gestito dall'ufficio del mobile. Gli autori sono anche grati al Dott. Satoshi Kishimoto e Kimiyoshi Naito a NIMS per il loro materiale CFRP.
Materials
| 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 |
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