Mesure de la répartition de la souche Micro / Nano-scale à partir de Franges Moiré d'échantillonnage
Summary
Une technique de moiré d'échantillonnage mettant en vedette des méthodes d'échantillonnage de 2 pixels et multi-pixels pour des mesures de distribution de contraintes de haute précision à la micro / nano-échelle est présentée ici.
Abstract
Ce travail décrit la procédure de mesure et les principes d'une technique de moiré d'échantillonnage pour les mesures de déformation de micro-nano-échelle. La technique développée peut être réalisée de deux façons: à l'aide de la méthode de moiré de multiplication reconstruite ou de la méthode de moiré d'échantillonnage par décalage spatial. Lorsque le pas de la grille de l'échantillon est d'environ 2 pixels, des franges de moiré d'échantillonnage de 2 pixels sont générées pour reconstituer un motif de moiré de multiplication pour une mesure de déformation. Les sensibilité au déplacement et à la contrainte sont deux fois plus élevées que dans la méthode de moiré de balayage traditionnel dans le même champ de vision large. Lorsque le pas de la grille de l'échantillon est supérieur ou égal à 3 pixels, des franges moirées d'échantillonnage multi-pixels sont générées et une technique de déphasage spatial est combinée pour une mesure de déformation complète. La précision de la mesure de la contrainte est sensiblement améliorée, et la mesure automatique des lots est facilement réalisable.Les deux méthodes peuvent mesurer les distributions de contraintes bidimensionnelles (2D) à partir d'une image de grille à un seul plan sans faire tourner l'échantillon ou les lignes de balayage, comme dans les techniques de moiré traditionnelles. À titre d'exemple, les distributions de déplacement et de déformation 2D, y compris les souches de cisaillement de deux spécimens plastiques renforcés par des fibres de carbone, ont été mesurées lors de tests de flexion en trois points. On s'attend à ce que la technique proposée joue un rôle important dans les évaluations quantitatives non destructives des propriétés mécaniques, des occurrences de fissures et des contraintes résiduelles d'une variété de matériaux.
Introduction
Les mesures de déformation micro / nano-échelle sont essentielles pour évaluer les propriétés mécaniques, les comportements d'instabilité, les contraintes résiduelles et les occurrences de fissures de matériaux avancés. Étant donné que les techniques optiques sont sans contact, à l'échelle du champ et non destructives, diverses méthodes optiques ont été développées pour la mesure de la déformation au cours des dernières décennies. Au cours des dernières années, les techniques de mesure de déformation micro / nano-échelle comprennent principalement les méthodes moiré 1 , 2 , 3 , 4 , l'analyse de phase géométrique (GPA) 5 , 6 , la transformation de Fourier (FT), la corrélation d'image numérique (DIC) et L'interférométrie électronique de type moucheté (ESPI). Parmi ces techniques, GPA et FT ne sont pas bien adaptés aux mesures de déformation complexes car il existe plusieurs fréquences. La méthode DIC est simMais impuissante contre le bruit, car le transporteur de déformation est aléatoire. Enfin, ESPI est fortement sensible aux vibrations.
Parmi les méthodes de moiré micro / nano-échelle, les méthodes les plus couramment utilisées actuellement sont les méthodes de moiré de balayage par microscope, telles que le balayage d'électrons moiré 7 , 8 , 9 , le moiré de balayage laser 10 , 11 et le microscope à force atomique (AFM) moiré 12 , Et certaines méthodes de moiré à base de microscope, telles que la méthode 13 , 14 , 15 de moiré numérique / chevauchement et la méthode de multiplication / moiré fractionnaire 16 , 17 . La méthode de moiré de balayage présente de nombreux avantages, comme un large champ de vision, un grand resoLa lution et l'insensibilité au bruit aléatoire. Cependant, la méthode traditionnelle de moiré de balayage est incommode pour les mesures de déformation 2D, car il faut faire pivoter l'étage d'échantillonnage ou la direction de balayage de 90 ° et pour numériser deux fois pour générer des franges moirées dans deux directions 18 . La rotation et les processus de double balayage introduisent une erreur de rotation et prennent beaucoup de temps, influençant gravement la précision de mesure de la souche 2D, en particulier pour la souche de cisaillement. Bien que la technique de décalage temporel 19 , 20 puisse améliorer la précision de la mesure de déformation, elle nécessite du temps et un dispositif de déphasage spécial inadapté aux tests dynamiques.
La méthode moiré d'échantillonnage 21 , 22 présente une grande précision dans les mesures de déplacement et est maintenant principalement utilisée pour les mesures de déflexion sur les ponts lorsque les automobiles pcul. Pour étendre la méthode du moiré d'échantillonnage aux mesures de la souche 2D à micro / nano-échelle, une méthode de multiplication de moiré reconstruit a été nouvellement développée à partir de franges moirées d'échantillonnage de 2 pixels, dans lesquelles les mesures sont deux fois plus sensibles et le large champ de vision des La méthode de moiré à balayage est conservée. En outre, la méthode de moiré d'échantillonnage par décalage spatial est également développée à partir de franges moirées à échantillonnage multi-pixels, ce qui permet des mesures de contraintes de haute précision. Ce protocole présentera la procédure détaillée de mesure de la contrainte et devrait aider les chercheurs et les ingénieurs à apprendre à mesurer la déformation, à améliorer les processus de fabrication des matériaux et des produits.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans la technique décrite, une étape difficile est la fabrication de grille ou de grille micro / nano-échelle (abrégée en grille) 26 si aucun modèle périodique n'existe sur l'échantillon. Le pas de la grille doit être uniforme avant la déformation car c'est un paramètre important pour la mesure de déformation. Si le matériau est un métal, un alliage de métal, ou une lithographie en céramique, UV ou chauffage nanoimprimé (NIL) 27 , la lithograph…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par JSPS KAKENHI, les numéros de subvention JP16K17988 et JP16K05996 et par le Programme de promotion de l'innovation stratégique interministérielle, unité D66, Mesure et analyse innovantes pour les matériaux structuraux (SIP-IMASM), exploité par le cabinet. Les auteurs sont également reconnaissants aux Drs. Satoshi Kishimoto et Kimiyoshi Naito au NIMS pour leur matériel 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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