CN102435628B - 一种多孔电极材料组织形貌表征方法 - Google Patents
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Abstract
一种多孔电极材料组织形貌表征方法，属电子材料与计算机图像处理交叉领域。该方法通过基于材料显微图像数字分析技术的“微空间三角形算法”和“微孔形貌灰度阈值分割聚类方法”，将数字图像分析处理技术引入到多孔电极材料表面组织形貌表征中，结合多孔电极材料SEM图像的实际特点，通过“微空间三角形算法”快速得到多孔电极材料的有效面积。通过对多孔电极材料微孔的灰度阈值分割与聚类统计，快速得到多孔电极材料的微孔的统计分布。与传统的表征方法相比，本发明具有方便、快捷的特点，对工程实践中实现多孔电极材料表面组织形貌的在线监测/检测、优化材料制备工艺具有指导作用。
Description
技术领域
本发明属于电子材料与计算机图像处理交叉技术领域，特别涉及一种多孔电极材料组织形貌的快速分析表征方法。
背景技术
多孔材料所存在的大量孔隙使得多孔材料具有致密材料难以拥有的优异性能：相对密度较小，比表面积大，具有较高化学反应活性和电子学特性等。基于上述特点，多孔电极材料是制造高比容电容器、锂电池、太阳能电池、燃料电池的关键材料，在国防、航空航天、新能源、纯电动汽车等领域有重要的应用。多孔电极材料的表面组织形貌极大地影响着其所制造器件的性能。多孔电极材料的表面组织形貌通常在宏观上具有统计分布特征，微观上具有较大随机性。快速、方便的表面组织形貌表征方法对优化和稳定此类材料制造工艺具有重要的意义。
以广泛应用于整流滤波、能量存储与转换、讯号旁路与耦合等电路系统的铝电解电容器为例，其核心构件是铝电极箔。铝电极箔是一种典型的多孔电极材料，比率容量是其最重要的性能指标。铝电极箔比率容量主要取决于其表面多孔形貌特征，并直接决定铝电解电容器产品的性能与尺寸。工业上主要通过在混酸体系中对铝光箔实施化学或电化学的腐蚀扩面处理，形成微观腐蚀孔洞，从而增加铝电极箔的比表面积。其中，交流电蚀技术可使蚀孔反复处于活化与钝化的交替过程中，一定形状的蚀孔层层套接，形成海绵状或者蚕食状蚀孔，所制备的电极箔主要应用于中低压铝电解电容器。直流电蚀技术可使蚀孔一直处于活化状态垂直生长，直到蚀孔内电化学条件改变导致蚀孔钝化，形成隧道状蚀孔，所制备的电极箔主要应用于高压铝电解电容器。无论是海绵状蚀孔还是隧道状蚀孔都使得电极箔表面呈现出随机孔洞分布状态，形成复杂形貌特征。
已有的多孔电极材料的表面组织孔隙率及形貌的分析表征方法主要有电量法、重量法、电容量法以及BET方法，以上方法均是基于表面化学质量计量法(MCM，Mass ChangeMethod)或表面电化学电量计量法(CAM，Coulometry Analysis Method)，上述方法或不能直接对孔洞分布状态进行表征，或表征过程复杂、周期过长，不适应工业在线检测/监测对表征方法快速、方便的要求。
已有的专利CN 101477022A基于多尺度系统理论量化表征了薄膜材料的表面形貌。专利CN 101000296A基于金相组织数字图像灰度信息三维重构了金相组织的微观浮凸。本发明提出了基于材料显微图像数字分析技术的“微空间三角形算法”和“微孔形貌阈值分割聚类方法”，实现了基于数字图像分析处理技术对多孔电极材料组织形貌的快速量化表征。
技术内容
本发明将数字图像分析处理技术引入到多孔电极材料表面组织形貌表征中，结合多孔电极材料SEM图像的实际特点，通过“微空间三角形算法”快速得到多孔电极材料的有效面积。并提出了一种基于材料显微图像数字分析技术的微孔形貌阈值分割聚类方法，通过对多孔电极材料微孔的灰度阈值分割与聚类统计，快速得到多孔电极材料的微孔的统计分布。应用于铝电极箔表征时，还可得到蚀孔分布状态随阳极氧化电压的变化规律。基于上述思想，通过计算机编程，本发明可对多孔电极表面组织形貌进行快速、有效地量化表征。
其中多孔电极材料微孔表面积通过“微空间三角形算法”得到。核心技术思想及实现方法为：将多孔电极材料制成电镜分析样品，通过扫描电子显微镜成像样品的SEM图像；在SEM图像中以相邻每三个像素点组成一个微空间三角形，累积计算该SEM图像中所有微空间三角形的面积得到该SEM图像表征范围的有效面积；最后将该SEM图像的有效面积乘以样品表面实际几何尺寸与SEM图像的几何尺寸之间的比率，得到多孔电极材料待测样品的有效表面积。微空间三角形算法相对于传统的实验方法具有实施过程简单、计算快捷的优点。
多孔电极材料的微孔统计分布通过“微孔形貌阈值分割聚类方法”得到。核心技术思想及实现方法为：依据材料SEM图像的实际特点，选择不同的滤波器对图像进行滤波，再对图像进行形态学处理，然后对形态学处理后的图像进行灰度阈值分割，最后采用软件程序自动定量地统计多孔电极材料微孔的孔径大小和数量，实现多孔电极材料微孔的聚类统计。
本发明技术方案如下：
一种多孔电极材料组织形貌表征方法，包括以下步骤：
步骤1：通过扫描电子显微镜成像获得多孔电极材料待测样品表面的SEM图像。
步骤2：建立微空间三角形数学模型，编写相应程序计算多孔电极材料待测样品的有效表面积，其过程如图1所示。基本过程是：以步骤1所得SEM图像上每相邻的3个像素点组成一个微空间三角形，计算SEM图像上的所有微空间三角形的面积之和，再乘以多孔电极材料待测样品表面实际几何尺寸与SEM图像的几何尺寸之间的比率，得到多孔电极材料待测样品的有效表面积。
步骤3：对多孔电极材料待测样品表面的SEM图像进行微孔的灰度阈值分割，得到多孔电极材料待测样品的微孔分布图像。
步骤4：对步骤3得到的微孔分布图像进行微孔聚类统计，根据微孔孔径大小将微孔划分为不同的统计区间，利用计算机编程自动统计各个统计区间微孔的数量。
上述技术方案中，步骤2中计算SEM图像上的所有微空间三角形的面积之和时，需要先计算每个微空间三角形的面积。计算单个微空间三角形的面积的方法为：首先在SEM图像建立直角坐标系，直角坐标系的X-Y平面与SEM图像所在平面重合；然后再确定的直角坐标系下确定微空间三角形三个顶点的坐标(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)和(x3、y3、z3)；最后由微空间三角形三个顶点的坐标(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)和(x3、y3、z3)计算出该微空间三角形的面积。其中微空间三角形顶点的X轴坐标和Y轴坐标由该顶点到直角坐标系坐标原点的像素距离乘以单个像素点对应的实际距离得到，而单个像素点对应的实际距离由SEM图像上的标尺长度除以标尺内的像素点个数得到；微空间三角形顶点的Z轴坐标与该顶点的灰度值相关，确定微空间三角形顶点的Z轴坐标与该顶点的灰度值的关系时，先取一片已经由现有方法测得有效表面积的多孔电极材料样品(标样)，在相同的扫描电子显微镜成像条件下获得该样品的SEM图像，由于步骤2中计算SEM图像上的所有微空间三角形的面积之和时，所有顶点的X轴坐标、Y轴坐标和灰度值均已知，只有灰度值对应的Z轴坐标的比例标度未知，因此设由步骤2所得到的该样品的有效表面积S1等于该样品由现有方法测得的有效表面积S0，即可计算出灰度值对应的Z轴坐标的比例标度。有了灰度值对应的Z轴坐标的比例标度，则所有微空间三角形顶点的Z轴坐标即可由该顶点的灰度值乘以灰度值对应的Z轴坐标的比例标度得到。
上述技术方案中，为了实现对多孔电极材料微孔形貌的灰度阈值分割，步骤3包括以下具体步骤：
步骤3-1：对多孔电极材料待测样品表面的SEM图像进行滤波处理。滤波器的选择包括空间滤波器和频域滤波器。空间滤波器可选择矩形平均滤波器、圆形平均滤波器、高斯低通滤波器、拉普拉斯滤波器、中值滤波器等。频域滤波器可选择低通频域滤波器、高通频域滤波器等。由于得到图像的具体情况不同，因此选择的滤波器种类也不同。如果图像比较模糊，则采用高通滤波器削弱图像的低频而保持图像的高频相对不变，从而使图像清晰。以铝电极箔表面组织形貌分析为例，由于采样、设备等造成的椒盐噪声污染对图像分割的效果有较大影响，可采用中值滤波器对SEM图像进行滤波，中值滤波器能有效降低图像的椒盐噪声。
步骤3-2：对步骤3-1滤波处理后的SEM图像进行形态学处理。根据需要分割的SEM图像的大小、形状特征选择相应的结构元素对滤波处理后的SEM图像进行形态学中的开运算，然后用滤波处理后的SEM图像减去开运算后的图像，得到待分割处理图像。其中开运算中的结构元素可选择菱形结构元素、圆盘形结构元素、线性结构元素等。以铝电极箔表面组织形貌分析为例，由于铝电极箔孔洞类似于圆形，因此我们选择圆盘形结构元素对滤波后的图像进行开运算，然后用滤波后的图像减去开运算后的图像，得到待分割图像。
步骤3-3：对步骤3-2所得待分割图像进行灰度阈值分割。灰度分割阈值T＝Y-K1·X+K2，其中Y为步骤3-2所得待分割图像的平均灰度值，X为步骤3-2所得待分割图像的灰度值标准差，K1、K2为敏感度调节因子，K1的取值范围为[0，10]，K2的取值范围为[0，30]。将待分割图像中像素点灰度值在T±B(B为灰度阈值T的波动范围、且0≤B≤30)范围内的像素点认为是微孔像素点，将待分割图像中所有微孔像素点灰度值置为1，非微孔像素点灰度值置为0，得到二值化微孔分布图像。
上述技术方案中，为了实现对SEM图像微孔进行有效的聚类统计，步骤4包括以下具体步骤：
步骤4-1：编程计算并存储步骤3得到的微孔分布图像中每一个微孔的孔径数据。以铝电极箔表面组织形貌分析为例，由于铝电极箔表面微孔的不规则特性，定义微孔的孔径为微孔边界上最远两点之间的距离。计算时可首先利用程序标定图像中微孔的边界，然后依据对孔径的定义计算图像中每一个微孔孔径的像素距离，最后通过X轴、Y轴实际物理标度将孔径的像素距离转化为孔径的实际物理距离。
步骤4-2：编程对步骤4-1中存储的微孔孔径进行聚类统计得到微孔分布的统计信息。以铝电极箔表面组织形貌分析为例，根据铝电极箔表面组织形貌特点，可将微孔孔径分为不同的区间分别统计各个区间内微孔的数量。
本发明通过综合应用微空间三角形模型，多孔电极材料微孔的灰度阈值分割模型、多孔电极材料微孔的聚类统计方法，可实现对多孔电极材料表面形貌进行有效的量化表征，得到多孔电极材料的有效面积、多孔电极材料表面微孔的分布。与传统的表征方法相比，本发明具有方便、快捷的特点，对工程实践中实现多孔电极材料表面组织形貌的在线监测/检测、优化材料制备工艺具有指导作用。
附图说明
图1为采用本发明流程示意图。
图2为传统实验方法和使用本发明分别得到的中低压铝电极箔的有效面积随阳极氧化电压的变化。
图3为实际中低压铝电极箔的SEM图像。
图4为按步骤3-1对图3进行中值滤波后的图像。
图5为按步骤3-2对图4进行形态学运算后的图像。
图6为按步骤3-3对图5进行阈值分割后得到的蚀孔分布图像。
图7为利用微孔聚类统计得到的中低压铝电极箔表面蚀孔分布状态。
图8为平均孔径为0.1μm蚀孔数量随阳极氧化电压的变化。
具体实施方式
下面以铝电解电容器用铝电极箔表面组织形貌分析表征为例，对本发明具体实施方式进行阐述。
一、有效表面积表征：
(1)制备不同阳极氧化电压下的中低压铝电极箔样品。通过扫描电镜成像获得对应样品的SEM图像。
(2)用界面电化学方法对标样的有效表面积进行表征，利用本发明步骤2对SEM图像灰度值进行标定，获得Z轴的实际物理标度，并利用微空间三角形法计算试样的有效面积。
(3)将不同阳极氧化电压下得到的中低压铝电极箔SEM图像分别输入电脑，采用同一Z轴比例标度，利用本发明建立的微空间三角形法快速计算出不同阳极氧化电压下中低压铝电极箔的有效面积。
传统实验方法得到的有效面积与利用本发明得到的有效面积测试数据如图2所示。
二、微孔聚类统计：
(1)实际得到的中低压铝电极箔的SEM图像如图3所示，中低压铝电极箔表面组织形貌SEM图像由于采样和设备等原因存在椒盐噪声污染，根据椒盐噪声的特点我们选择中值滤波器对获得的SEM图像进行滤波，中值滤波器能有效消除SEM图像的椒盐噪声，滤波后的图像如图4所示。
(2)对滤波后的图像选择合适的结构元素进行开运算，针对本例中滤波后的中低压铝电极箔表面微孔呈类圆形的特点，我们选择圆盘形结构元素对滤波后的图像进行开运算，然后用滤波后的图像减去开运算后的图像，从而得到背景合理估计的图像，如图5所示。
(3)根据步骤3计算图像种子点的灰度阈值，并对图像进行分割以及二值化处理，得到准确反映中低压铝电极箔表面蚀孔分布的图像，如图6所示。
(4)利用本发明对蚀孔分布图像进行蚀孔聚类统计，快速得到不同阳极氧化电压下中低压铝电极箔蚀孔的分布状态以及特定孔径的蚀孔随阳极氧化电压升高的变化规律，如图7、图8所示。
Claims (7)
1.一种多孔电极材料组织形貌表征方法，包括以下步骤：
步骤1：通过扫描电子显微镜成像获得多孔电极材料待测样品表面的SEM图像；
步骤2：建立微空间三角形数学模型，编写相应程序计算多孔电极材料待测样品的有效表面积；基本过程是：以步骤1所得SEM图像上每相邻的3个像素点组成一个微空间三角形，计算SEM图像上的所有微空间三角形的面积之和，再乘以多孔电极材料待测样品表面实际几何尺寸与SEM图像的几何尺寸之间的比率，得到多孔电极材料待测样品的有效表面积；
步骤3：对多孔电极材料待测样品表面的SEM图像进行微孔的灰度阈值分割，得到多孔电极材料待测样品的微孔分布图像；
步骤4：对步骤3得到的微孔分布图像进行微孔聚类统计，根据微孔孔径大小将微孔划分为不同的统计区间，利用计算机编程自动统计各个统计区间微孔的数量；
其中，步骤2中计算SEM图像上的所有微空间三角形的面积之和时，需要先计算每个微空间三角形的面积，而计算单个微空间三角形的面积的方法为：首先在SEM图像建立直角坐标系，直角坐标系的X-Y平面与SEM图像所在平面重合；然后再确定的直角坐标系下确定微空间三角形三个顶点的坐标（x1、y1、z1）、（x2、y2、z2）和（x3、y3、z3）；最后由微空间三角形三个顶点的坐标（x1、y1、z1）、（x2、y2、z2）和（x3、y3、z3）计算出该微空间三角形的面积；其中微空间三角形顶点的X轴坐标和Y轴坐标由该顶点到直角坐标系坐标原点的像素距离乘以单个像素点对应的实际距离得到，而单个像素点对应的实际距离由SEM图像上的标尺长度除以标尺内的像素点个数得到；微空间三角形顶点的Z轴坐标与该顶点的灰度值相关，确定微空间三角形顶点的Z轴坐标与该顶点的灰度值的关系时，先取一块已经由现有方法测得有效表面积的多孔电极材料样品在相同的扫描电子显微镜成像条件下获得该样品的SEM图像，由于步骤2中计算SEM图像上的所有微空间三角形的面积之和时，所有顶点的X轴坐标、Y轴坐标和灰度值均已知，只有灰度值对应的Z轴坐标的比例标度未知，因此设由步骤2所得到的该样品的有效表面积S1等于该样品由现有方法测得的有效表面积S0，即可计算出灰度值对应的Z轴坐标的比例标度，有了灰度值对应的Z轴坐标的比例标度，则所有微空间三角形顶点的Z轴坐标即可由该顶点的灰度值乘以灰度值对应的Z轴坐标的比例标度得到。
2.根据权利要求1所述的多孔电极材料组织形貌表征方法，其特征在于，步骤3包括以下具体步骤：
步骤3-1：对多孔电极材料待测样品表面的SEM图像进行滤波处理；
步骤3-2：对步骤3-1滤波处理后的SEM图像进行形态学处理；根据需要分割的SEM图像的大小、形状特征选择相应的结构元素对滤波处理后的SEM图像进行形态学中的开运算，然后用滤波处理后的SEM图像减去开运算后的图像，得到待分割处理图像；
步骤3-3：对步骤3-2所得待分割图像进行灰度阈值分割；灰度分割阈值T=Y-K1·X+K2，其中Y为步骤3-2所得待分割图像的平均灰度值，X为步骤3-2所得待分割图像的灰度值标准差，K1、K2为敏感度调节因子，K1的取值范围为[0,10]，K2的取值范围为[0,30]；将待分割图像中像素点灰度值在T±B范围内的像素点认为是微孔像素点，将待分割图像中所有微孔像素点灰度值置为1，非微孔像素点灰度值置为0，得到二值化微孔分布图像；其中B为灰度阈值T的波动范围、且0≤B≤30。
3.根据权利要求2所述的多孔电极材料组织形貌表征方法，其特征在于，步骤3-1中滤波器采用空间滤波器或频域滤波器。
4.根据权利要求3所述的多孔电极材料组织形貌表征方法，其特征在于，所述空间滤波器为矩形平均滤波器、圆形平均滤波器、高斯低通滤波器、拉普拉斯滤波器或中值滤波器。
5.根据权利要求3所述的多孔电极材料组织形貌表征方法，其特征在于，所述频域滤波器为低通频域滤波器或高通频域滤波器。
6.根据权利要求3所述的多孔电极材料组织形貌表征方法，其特征在于，步骤3-2中所述开运算中的结构元素为菱形结构元素、圆盘形结构元素或线性结构元素。
7.根据权利要求1所述的多孔电极材料组织形貌表征方法，其特征在于，步骤4包括以下具体步骤：
步骤4-1：编程计算并存储步骤3得到的微孔分布图像中每一个微孔的孔径数据；
步骤4-2：编程对步骤4-1中存储的微孔孔径进行聚类统计得到微孔分布的统计信息。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1047533B1 (de) * | 1997-08-23 | 2003-05-07 | SAMA Maschinenbau GmbH | Verfahren zur herstellung von tassen |
| CN102683391A (zh) * | 2004-06-04 | 2012-09-19 | 伊利诺伊大学评议会 | 用于制造并组装可印刷半导体元件的方法和设备 |
-
2011
- 2011-11-02 CN CN 201110341358 patent/CN102435628B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP1047533B1 (de) * | 1997-08-23 | 2003-05-07 | SAMA Maschinenbau GmbH | Verfahren zur herstellung von tassen |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘守新等.活性炭孔结构对TiO_2/AC复合光催化剂光催化活性的影响.《物理化学学报》.2008,第24卷(第03期),533-538. |
| 活性炭孔结构对TiO_2/AC复合光催化剂光催化活性的影响;刘守新等;《物理化学学报》;20080315;第24卷(第03期);533-538 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102435628A (zh) | 2012-05-02 |
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