显微高速高温DIC测量技术

材料测试做到一定深度你会碰到三个场景每一个都在传统测量方法的边界上。第一个是介观尺度。你测微电子封装里的热膨胀焊点在升温过程中怎么变形芯片翘曲的量级在微米甚至亚微米应变片贴不上去原子力显微镜能看到表面形貌但给不了全场应变。这个尺度的力学测试能用的手段不多。第二个是高速瞬态。霍普金森杆已经是动态测试的常规手段了但如果你要测的是爆炸冲击、弹道侵彻或者材料在微秒量级内的动态破坏过程应变片和引伸计根本跟不上。就算跟上你也只能拿到一条曲线看不到全场是怎么演化的。第三个是高温。材料在高温下的力学性能是很多应用场景的刚需但高温环境下热辐射会直接淹没光学信号样品表面的散斑怎么制备才能在高温下不脱落不氧化这两个问题就把很多人挡在外面了。新拓三维的XTDIC系统在这三个方向都有对应的配置不是附加功能是从算法和硬件层面做了适配的。先说显微DIC。XTDIC-MICRO是把DIC算法和体式显微镜集成在一起的方案。显微镜提供高倍率的成像能力DIC算法从显微镜拍到的图像序列里提取全场应变。这个组合解决的正是介观尺度的测量需求。你做芯片热膨胀和翘曲分析的时候样品放在显微镜载物台上温度箱给一个热载荷显微镜实时拍摄芯片表面的散斑场图像XTDIC-MICRO的算法把每一帧图像和参考帧做相关计算得到芯片表面每一个位置的位移场再推导出应变场和翘曲量。整个过程的空间分辨率由显微镜的放大倍率决定应变测量精度取决于图像的信噪比和相关算法的亚像素拟合精度。这里面有一个技术细节值得说。显微成像下光学系统的微小漂移就会被放大成明显的位移误差如果不做校正你测到的应变里有一部分是光学系统带来的噪声。XTDIC-MICRO在算法里加了图像校正和漂移补偿的模块原理是在视野里留一部分不参与变形的参考区域用这部分区域的运动来校正整个视场的漂移误差。这个事情说起来简单做起来要把校正算法和相关计算嵌套在一起不是套商用软件加个显微镜就能搞定的。半导体热力学测试是显微DIC的典型应用场景。芯片在工作状态下会产生焦耳热热应力会导致封装结构发生微变形累积到一定程度就是焊点失效或者层间开裂。以前做这个方向的测试很多人是用有限元算因为实测数据很难拿。有了显微DIC之后你可以实际看到热载荷下芯片表面的应变分布哪些区域是拉应变集中的哪些是压应变集中的和热设计里的仿真结果对照能直接指导封装结构的优化。再说高速DIC。XTDIC-SPAR配合高速摄像机使用帧率从1000fps到超过100万fps覆盖的应变率范围很宽。1000fps这个量级适合中低速的动态试验比如落锤冲击、动态压缩。10万fps以上针对的就是真正的瞬态事件了爆炸、弹道侵彻、材料在微秒甚至纳秒量级内的动态响应。高速DIC的数据量很大。100万fps的帧率拍10毫秒就是10000帧图像每一帧都是百万量级的像素相关计算的工作量可想而知。XTDIC-SPAR在算法上做了并行优化用GPU加速相关计算保证高速采集过来的图像序列能实时或者准实时地处理完。如果算法不够快你采集了一堆数据然后发现后处理要跑几天这个体验是很差的。高速DIC能分析的量不止是位移和应变。每一帧图像之间的时间间隔是已知的位移对时间求一阶导就是速度求二阶导就是加速度。所以你做冲击试验的时候不但能知道样品在冲击过程中怎么变形还能知道变形前端的速度和加速度是多少。这些数据合在一起才能完整地描述一个瞬态力学过程。这个方向的应用现在做得比较多的是国防和航空航天领域。弹体侵彻混凝土靶的过程、复合材料在冲击载荷下的层裂行为、含能材料在压缩下的动态响应这些试验的工况都很极端能在试验现场拿到全场应变数据的手段不多高速DIC是其中一个。最后说高温DIC。这个方向的技术门槛主要在两个方面。一个是热辐射。样品温度到600度以上自身的热辐射就足够强到影响图像质量了普通相机拍出来的图像信噪比很差相关计算很容易失效。解决的思路有两个一个是用窄带滤光片加匹配波长的光源只接收特定波长的反射光把热辐射的宽带噪声滤掉。另一个是提高相机的动态范围让弱反射信号也能被有效采集到。另一个是高温散斑。你室温下喷的散斑漆到几百度就烧掉了或者氧化了散斑场就丢了。高温散斑的制备方法有不少比如在样品表面激光加工出微观形貌作为天然散斑或者用耐高温的陶瓷基散斑涂料。不同的温度区间适用不同的方法这个需要根据具体试验条件来选。高温DIC的应用场景很明确。高温合金在服役温度下的力学性能、陶瓷材料在高温下的蠕变行为、金属在热加工过程中的动态再结晶对应的应变演化这些都需要在高温环境下做原位测量。以前这些测试大多是用高温引伸计但高温引伸计的接触式测量本身就会受到热膨胀的干扰而且高温下引伸计的标定也会漂。DIC是非接触的只要光学路径上的热畸变能校正测量本身不受温度影响。这三个高端方向有一个共同点。它们都在传统测量手段的边界上单点测量进不去全场测量又有各自的技术门槛。新拓三维做DIC做了十余年积累的不是几篇论文或者几个专利是这些具体场景下怎么把测量做稳定的经验。显微DIC的漂移校正怎么做、高速DIC的海量数据怎么处理、高温DIC的热辐射怎么滤除这些都是在实际用起来的时候才会碰到并且解决的问题。技术这个东西原理上说得通和实际能用起来中间有很长的距离。我们做的就是这个中间的 part。你现在做的材料测试如果碰到了传统方法够不着的场景可以看看DIC这条路能不能走通。不一定非要用我们的设备但这个技术路线本身是经过验证的特别适合那些你想看全场、想测极端条件、想拿更多数据来做分析的试验。