Medición de la distribución de las microescenas a escala nanométrica a partir del muestreo
Summary
Se presenta aquí una técnica de moiré de muestreo con métodos de muestreo de 2 píxeles y multipíxeles para medidas de distribución de deformación de alta precisión a escala micro / nano.
Abstract
Este trabajo describe el procedimiento de medición y los principios de una técnica de muaré de muestreo para mediciones de deformación de campo completo de micro / nano escala. La técnica desarrollada puede realizarse de dos maneras: usando el método moiré de multiplicación reconstruido o el método moiré de muestreo de desplazamiento de fase espacial. Cuando el paso de rejilla de la muestra es de alrededor de 2 píxeles, se generan franjas de moiré de muestreo de 2 píxeles para reconstruir un patrón de multiplicación de moiré para una medición de deformación. Tanto las sensibilidades de desplazamiento como de deformación son dos veces más altas que en el método tradicional de moiré de exploración en el mismo amplio campo de visión. Cuando el paso de rejilla de la muestra es alrededor o mayor de 3 píxeles, se generan franjas de moiré de muestreo de múltiples píxeles y se combina una técnica de desplazamiento de fase espacial para una medición de deformación de campo completo. La precisión de medición de deformación se mejora significativamente y la medición automática de lotes es fácilmente alcanzable.Ambos métodos pueden medir las distribuciones de deformaciones bidimensionales (2D) a partir de una imagen de cuadrícula de un solo disparo sin girar las muestras o líneas de exploración, como en las técnicas de moiré tradicionales. Como ejemplos, se midieron las distribuciones de desplazamiento y de deformación 2D, incluidas las cepas cortantes de dos especímenes de plástico reforzado con fibra de carbono, en ensayos de flexión en tres puntos. Se espera que la técnica propuesta desempeñe un papel importante en las evaluaciones cuantitativas no destructivas de las propiedades mecánicas, las ocurrencias de grietas y las tensiones residuales de una variedad de materiales.
Introduction
Las medidas de deformación micro / nano escala son vitales para evaluar las propiedades mecánicas, comportamientos de inestabilidad, tensiones residuales y fenómenos de fisuras de materiales avanzados. Dado que las técnicas ópticas son sin contacto, de campo completo y no destructivas, se han desarrollado varios métodos ópticos para la medición de deformación durante las últimas décadas. En los últimos años, las técnicas de medición de deformación micro / nano escala incluyen principalmente los métodos moiré 1 , 2 , 3 , 4 , análisis de fase geométrica (GPA) 5 , 6 , transformación de Fourier (FT), correlación de imagen digital (DIC) Interferometría electrónica de patrones de manchas (ESPI). Entre estas técnicas, el GPA y el FT no son adecuados para mediciones de deformación complejas porque existen múltiples frecuencias. El método de DIC es simPero impotente contra el ruido porque el portador de la deformación es moteado al azar. Por último, ESPI es muy sensible a la vibración.
Entre los métodos de moiré micro / nano escala, los métodos más comúnmente utilizados actualmente son los métodos de moiré de escaneo con microscopio, como el moiré de exploración de electrones 7 , 8 , 9 , el moiré 10 , 11 de exploración láser y el moiré de fuerza atómica 12 , Y algunos métodos de moiré a base de microscopio, como el método de moiré digital / superpuesto 13 , 14 , 15 y el método de multiplicación / fracción de moiré 16 , 17 . El método moiré de exploración tiene muchas ventajas, tales como un amplio campo de visión, alto resoY la insensibilidad al ruido aleatorio. Sin embargo, el método de moiré de exploración tradicional es inconveniente para las mediciones de deformación 2D porque es necesario girar la etapa de muestreo o la dirección de escaneado en 90 ° y escanear dos veces para generar franjas de moiré en dos direcciones 18 . La rotación y los procesos de exploración dual introducen un error de rotación y tardan mucho tiempo, influyendo seriamente en la precisión de medición de la deformación 2D, especialmente para la deformación por cizallamiento. Aunque la técnica de desplazamiento de fase temporal 19 , 20 puede mejorar la precisión de medición de deformación, requiere tiempo y un dispositivo especial de cambio de fase inadecuado para ensayos dinámicos.
El método de muaré de muestreo 21 , 22 tiene una alta precisión en las mediciones de desplazamiento y ahora se usa principalmente para mediciones de deflexión en puentes cuando los vehículos pculo. Para extender el método de moiré de muestreo a mediciones de deformación micro / nano escala 2D, se ha desarrollado recientemente un método de moiré de multiplicación reconstruido 23 a partir de franjas de moiré de muestreo de 2 píxeles, en las que las mediciones son dos veces más sensibles y el amplio campo de visión del Se mantiene el método de escaneado moiré. Además, el método de moiré de muestreo de desplazamiento de fase espacial también se desarrolla a partir de franjas de moiré de muestreo de múltiples píxeles, lo que permite mediciones de deformación de alta precisión. Este protocolo introducirá el procedimiento detallado de medición de deformaciones y se espera que ayude a investigadores e ingenieros a aprender cómo medir deformaciones, mejorando los procesos de fabricación de materiales y productos.
Protocol
Representative Results
Discussion
En la técnica descrita, un paso desafiante es la fabricación de rejilla o rejilla de micro / nano escala (abreviada como rejilla) 26 si no existe un patrón periódico en la muestra. El paso de la rejilla debe ser uniforme antes de la deformación porque es un parámetro importante para la medición de la deformación. Si el material es un metal, una aleación metálica o una litografía de nanoimpresión cerámica, UV o de calefacción (NIL) 27 , litografía de haz de e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI, los números de subvención JP16K17988 y JP16K05996, y por el Programa Interministerial de Promoción de Innovación Estratégica, Unidad D66, Medición y Análisis Innovadores para Materiales Estructurales (SIP-IMASM), operado por la oficina del gabinete. Los autores también agradecen a los Dres. Satoshi Kishimoto y Kimiyoshi Naito en NIMS por su material 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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