Mikro- / Nanometer-Dehnungsverteilungsmessung von Sampling Moiré Fringes
Summary
Eine Stichproben-Moiré-Technik mit 2-Pixel- und Mehrpixel-Abtastverfahren für hochpräzise Dehnungsverteilungsmessungen im Mikro- / Nanoskala wird hier vorgestellt.
Abstract
Diese Arbeit beschreibt das Messverfahren und die Prinzipien einer Probenahme-Moiré-Technik für Vollfeld-Mikro / Nano-Skalen-Deformationsmessungen. Die entwickelte Technik kann auf zwei Arten durchgeführt werden: unter Verwendung der rekonstruierten Multiplikations-Moiré-Methode oder der räumlichen Phasenverschiebungs-Probenahme-Moiré-Methode. Wenn die Probenrasterhöhe etwa 2 Pixel beträgt, werden 2-Pixel-Sampling-Moiré-Fransen erzeugt, um ein Multiplikations-Moiré-Muster für eine Deformationsmessung zu rekonstruieren. Sowohl die Verschiebungs- als auch die Dehnungsempfindlichkeiten sind doppelt so hoch wie bei der traditionellen Scan-Moiré-Methode im selben Weitfeld. Wenn die Probengitterteilung um oder mehr als 3 Pixel beträgt, werden Mehrpixel-Abtast-Moiré-Fransen erzeugt und eine räumliche Phasenverschiebungstechnik wird für eine Vollfeld-Deformationsmessung kombiniert. Die Dehnungsmessgenauigkeit wird deutlich verbessert und die automatische Chargenmessung ist leicht erreichbar.Beide Methoden können die zweidimensionalen (2D) Dehnungsverteilungen aus einem Einzelbild-Gitterbild messen, ohne die Proben- oder Abtastlinien zu drehen, wie bei herkömmlichen Moiré-Techniken. Als Beispiele wurden die 2D-Verschiebungs- und Dehnungsverteilungen einschließlich der Scherstämme von zwei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffproben in Dreipunkt-Biegeversuchen gemessen. Die vorgeschlagene Technik wird voraussichtlich eine wichtige Rolle bei der zerstörungsfreien quantitativen Auswertung von mechanischen Eigenschaften, Rissauftreten und Restspannungen einer Vielzahl von Materialien spielen.
Introduction
Mikro- / nanoskalige Verformungsmessungen sind für die Bewertung der mechanischen Eigenschaften, des Instabilitätsverhaltens, der Restspannungen und des Rissauftretens von fortgeschrittenen Materialien von entscheidender Bedeutung. Da optische Techniken berührungslos, vollfeld- und zerstörungsfrei sind, wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene optische Methoden für die Deformationsmessung entwickelt. In den letzten Jahren umfassen die mikro- / nanoskaligen Deformationsmesstechniken vor allem die Moiré-Methoden 1 , 2 , 3 , 4 , die geometrische Phasenanalyse (GPA) 5 , 6 , die Fourier-Transformation (FT), die digitale Bildkorrelation (DIC) und Elektronische Speckle-Muster-Interferometrie (ESPI). Unter diesen Techniken sind GPA und FT nicht gut für komplexe Deformationsmessungen geeignet, da mehrere Frequenzen existieren. Die DIC-Methode ist simAber machtlos gegen Lärm, weil der Verformungsträger zufällige Flecken ist. Schließlich ist ESPI stark empfindlich gegenüber Vibrationen.
Unter den mikro- / nanoskaligen Moiré-Methoden sind derzeit die am häufigsten verwendeten Methoden die Mikroskop-Scanning-Moiré-Methoden wie Elektronen-Scanning-Moiré 7 , 8 , 9 , Laserscanning Moiré 10 , 11 und Atomkraftmikroskop (AFM) Moiré 12 , Und einige mikroskopbasierte Moiré-Verfahren, wie das digitale / überlappende Moiré 13 , 14 , 15- Verfahren und das Multiplikations- / Fraktions-Moiré-Verfahren 16 , 17 . Die Scan-Moiré-Methode hat viele Vorteile, wie ein breites Sichtfeld, hohe ResoLution und Unempfindlichkeit gegenüber zufälligem Rauschen. Jedoch ist das herkömmliche Abtast-Moiré-Verfahren für 2D-Dehnungsmessungen unpraktisch, da es notwendig ist, die Probenstufe oder die Abtastrichtung um 90 ° zu drehen und zweimal zu scannen, um Moiré-Fransen in zwei Richtungen 18 zu erzeugen. Rotation und die Dual-Scanning-Prozesse führen Rotationsfehler ein und nehmen eine lange Zeit, die die Messgenauigkeit des 2D-Stammes, insbesondere für die Scherbeanspruchung, ernsthaft beeinflusst. Obwohl die zeitliche Phasenverschiebungstechnik 19 , 20 die Deformationsmessgenauigkeit verbessern kann, benötigt sie Zeit und eine spezielle Phasenverschiebungsvorrichtung, die für dynamische Tests ungeeignet ist.
Das Probenahme-Moiré-Verfahren 21 , 22 hat eine hohe Genauigkeit bei Verschiebungsmessungen und wird nun hauptsächlich für Umlenkmessungen an Brücken verwendet, wenn Automobile pArsch. Um das Probenahme-Moiré-Verfahren auf mikro- / nanoskalige 2D-Dehnungsmessungen zu erweitern, wurde eine rekonstruierte Multiplikations-Moiré-Methode von 2-Pixel-Sampling-Moiré-Fransen neu entwickelt, bei denen die Messungen doppelt so empfindlich sind und das weite Sichtfeld der Scan-Moiré-Methode wird gehalten. Darüber hinaus wird die räumliche Phase-Shifting-Sampling Moiré-Methode auch aus Multi-Pixel-Sampling Moiré Fransen entwickelt, so dass hochgenaue Dehnungsmessungen. Dieses Protokoll wird die detaillierte Belastung Messverfahren vorstellen und wird erwartet, dass Forscher und Ingenieure lernen, wie man Deformation zu messen, die Verbesserung der Herstellungsprozesse von Materialien und Produkten.
Protocol
Representative Results
Discussion
In der beschriebenen Technik ist ein anspruchsvoller Schritt das Mikro- / Nanoskalige-Gitter oder Gitter (abgekürzt als Gitter) -Fertigung 26, wenn kein periodisches Muster auf der Probe existiert. Der Rasterabstand sollte vor Verformung einheitlich sein, da es ein wichtiger Parameter für die Deformationsmessung ist. Wenn das Material ein Metall, eine Metalllegierung oder eine keramische, UV- oder Heiznanoimprint-Lithographie (NIL) 27 ist , können die Elektronenstrahl-L…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI unterstützt, die Nummern JP16K17988 und JP16K05996 sowie das von der Kabinettsbüro betriebene interministerielle Strategie für strategische Innovationsförderung, Referat D66, Innovative Messungen und Analysen für Strukturmaterialien (SIP-IMASM). Die Autoren sind auch Drs dankbar. Satoshi Kishimoto und Kimiyoshi Naito bei NIMS für ihr CFK-Material.
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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