新方法在高放大倍率下测量纳米级材料响应

用于豪华轿车和军用车辆挡风玻璃的安全玻璃需要坚硬、坚固、防碎，而且还要薄——既要提高能见度，又要减轻重量，这对航空航天飞行器来说尤其重要。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校最近研究的动机是使用一种有前途的新型透明陶瓷尖晶石来替代传统的分层安全玻璃，该研究产生了一种测量玻璃等材料发生变化的新方法。纳米级。

“我们使用了透射电子显微镜，它已广泛用于在分子、颗粒或亚颗粒水平上对材料进行成像，以帮助我们了解这些材料的行为，因为在电子显微镜中，电子束波长可以探测的距离比可见光显微镜，”伊利诺伊州航空航天工程系教授兼先进材料测试和评估实验室主任约翰兰布罗斯说。

“然而，除了成像之外，我们希望将电子显微镜变成全场计量测量仪器。之前已经在电子显微镜中进行了测量，但只是通过粒子跟踪在单个点进行测量。我们添加了数字图像相关功能，我们扩展了这些功能用于这种非常高倍率、高分辨率的显微镜仪器。”

Lambros 解释说，电子显微镜为必须克服的数字图像相关计量学带来了独特的挑战。

“因为不是光束，而是电子束照亮样品，透射电子显微镜的环境更加恶劣。操作非常困难，而且都是在真空中完成的，”他说。“成像要困难得多，而且样本规模非常小。”

研究人员首先在材料研究实验室的聚焦离子束设施中从一块二氧化硅(一种玻璃)中离子研磨出弯曲束。在真空沉积室中，金薄膜沉积在光束上。然后，样品被加热，连续薄膜分裂成小岛，这提供了足够的对比度，在电子显微镜下可以在二氧化硅样品上看到。

“使用扫描电子显微镜，图像是样品表面的图像，因为电子束从表面反弹，”兰布罗斯说。“但在透射电子显微镜中，电子束穿过必须非常薄的样品，并且响应通过厚度进行平均。SEM 中的数字图像相关性已经使用了很长时间，因为它更容易获得”

研究人员随着时间的推移拍摄图像，最长 300 秒，同时样品受到弯曲载荷，并将图像与图像进行比较，以测量沉积在表面上的金颗粒如何移动。

“随着加载的进行，数字图像相关会拍摄一系列金点的图像。通过将一个图像与下一个图像进行比较，您可以映射正在发生的事情——不仅仅是在边缘周围，还有样本内部的内部特征，”兰布罗斯说。“因此，在这个项目中，我们使用粒子跟踪作为检查或控制，然后使用 TEM 中的数字图像相关性展示了高度可比的结果。”

Lambros 解释说，通过粒子跟踪，通常跟踪的粒子更少，这意味着更少的测量点。与 DIC 相比，粒子必须移动更大的量才能让我们看到图像中的运动。

“这项研究是关于在透射电子显微镜中开发数字图像相关方法。现在我们已经确认该方法有效，我们可以复制它并用它来研究尖晶石材料的纳米级行为，这是我们最初的兴趣， “兰布罗斯说。

他说，他们已经开始了尖晶石研究，将金颗粒放在尖晶石样品上形成图案，但尚未在透射电子显微镜中尝试过。

“图案适用于尖晶石，但尖晶石还会存在其他问题，因为它是结晶的，并且晶体在 TEM 中的表现与非晶玻璃非常不同，”兰布罗斯说。“在实验力学中，我们最大的限制之一是我们主要关注表面上发生的事情。我们试图从中推断出材料内部发生的事情，这是一项艰巨的任务。这种方法确实具有开创性，因为现在我们将能够以新的方式和非常高的放大倍率对材料进行成像。”

这项研究“使用数字图像相关和粒子跟踪的透射电子显微镜中的全场变形测量”，由 AE 博士撰写。学生张一光、林峰、沉狄龙和约翰兰布罗斯发表在材料表征。

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