CN107747919A - 一种纤维横截面积测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种纤维横截面积测量方法及系统，该方法包括：通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积。本发明考虑到纤维的横截面中的空腔情况，利用需要测量的纤维的显微照片获取显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；利用获得的外部轮廓面积减去空腔面积，计算得到纤维的横截面积，从而减少了纤维横截面积的测量误差。

Description

一种纤维横截面积测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种纤维纺织材料技术领域，特别涉及一种纤维横截面积测量方法及系统。

背景技术

纤维在建筑、汽车、航空等行业的应用越来越多，而纤维的横截面积参数影响着纤维的应用范围。目前在测量纤维的横截面积时，主要是基于天然纤维横截面具有规则的圆形轮廓形状的假设，如图1所示，通过测量纤维的直径D来利用公式：

间接计算获得纤维的横截面面积。单次测量的纤维直径值在显微镜下直接测量获取；纤维直径取多次测量纤维直径的平均值。

但是，现有技术对纤维横截面积的测量误差较大，因此，如何减少纤维横截面积的测量误差是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纤维横截面积测量方法及系统，实现了减少纤维横截面积的测量误差。其具体方案如下：

一种纤维横截面积测量方法，包括：

通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；

利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积。

可选的，所述通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积的过程之前还包括：

获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片；

其中，所述切片样品为利用切片机对通过热固性环氧树脂进行固定的纤维进行切片后得到的样品。

可选的，所述获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片的过程包括：

获取通过光学显微镜对所述切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片，并向所述显微照片上添加相应的比例尺。

可选的，所述纤维为天然纤维或化学纤维。

可选的，所述利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积的过程包括：

利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，通过公式计算得到所述纤维的横截面积；

其中，所述公式为式中，S_imp为所述显微照片中的纤维横截面积，S_out为所述显微照片中的纤维横截面的外部轮廓面积，S_i为所述显微照片中的纤维横截面中任一空腔的横截面积；n为所述显微照片中的所述纤维横截面的空腔数目。

相应的，本发明还公开了一种纤维横截面积测量系统，包括：

面积获取模块，用于通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；

面积计算模块，用于利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积。

可选的，所述面积获取模块之前还包括：

显微照片获取模块，用于获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片；

其中，切片样品为利用切片机对通过热固性环氧树脂进行固定的纤维进行切片后得到的样品。

可选的，显微照片获取模块具体用于，获取通过光学显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片，并向显微照片上添加相应的比例尺。

可选的，所述纤维为天然纤维或化学纤维。

可选的，所述面积计算模块，具体用于利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，通过公式计算得到所述纤维的横截面积；

其中，所述公式为式中，S_imp为所述显微照片中的纤维横截面积，S_out为所述显微照片中的纤维横截面的外部轮廓面积，S_i为所述显微照片中的纤维横截面中任一空腔的横截面积；n为所述显微照片中的所述纤维横截面的空腔数目。

本发明考虑到纤维的横截面中的空腔情况，利用需要测量的纤维的显微照片获取显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；利用获得的外部轮廓面积减去空腔面积，计算得到纤维的横截面积，从而减少了纤维横截面积的测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术测量纤维横截面积方法采用的模型；

图2为本发明实施例提供的一种纤维横截面积测量方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种纤维横截面积测量方法中测量纤维的横截面的纤维照片；

图4为本发明实施例提供的一种纤维横截面积测量方法中计算纤维的横截面的横截面积的计算模型；

图5为本发明实施例提供的一种纤维横截面积测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种纤维横截面积的测量方法，参见图2所示，包括：

步骤S11：通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积。

需要说明的是，利用Image J软件，对获取的显微照片进行分析，得到显微照片中的纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积。

其中，在上述步骤S11之前还包括：

获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片；

其中，切片样品为利用切片机对通过热固性环氧树脂进行固定的纤维进行切片后得到的样品。

需要进行说明的是，获得切片样品的纤维照片的过程为：

首先：使用热固性环氧树脂将天然固定将要测试的纤维。具体的：

a.制备环氧树脂预聚物：将环氧树脂和固化剂按照一定的比例进行混合，通常的混合的质量比的比例是25：3或者15：2；然后持续搅拌混合物2～5分钟；静置混合物2分钟后将其放入真空箱中消除在搅拌过程中产生的气泡，取出后得到环氧树脂预聚物。

b.取一定量环氧树脂预聚物并小心浇注在需要测试的天然纤维上。

c.在室温条件下固化24～48小时，得到所需样品。

其次，利用切片机制备切片样品，具体过程为：

a.将固化后样品的一端用刀切成金字塔形，然后将其固定在切片机的样品架上。

b.将样品架和切片刀具安装在切片机中，并借助共焦显微镜将样品和切片刀具置于一个便于切割的位置。

c.选择合适的切割速度和进给量。

d.打开防静电开关，将防静电装置放在需要切割的区域。

e.开始切割。按照不同的进给量持续切割，按照进给量由大到小的顺序依次为：毛修剪、半薄切片、目标微切、超薄切片。

f.将切片样品收集在滤纸上，干燥保存。

最后：利用显微镜获取切片样品的显微照片。

需要进行说明的是，上述显微镜是光学显微镜，必要情况下是其他显微镜，例如电子扫描隧道显微镜等。具体的：

a.将切片所得样品的横截面垂直向上放置在载玻片上。

b.调节样品与光学显微镜目镜的距离进行对焦。

c.选择合适的放大倍数使横截面清晰可见。

d.添加比例尺、通过显微镜系统软件Analysis auto拍摄并保存照片，获得显微照片。如图3所示为一张天然苎麻纤维横截面的显微照片。由图可见，两个纤维横截面均具有不规则的内部结构，纤维的中心空腔表现为塌陷的不规则通道。

步骤S12：利用获得的外部轮廓面积和空腔面积，计算得到纤维的横截面积。

具体的，利用获得的外部轮廓面积和空腔面积，通过公式计算得到纤维的横截面积；

其中，公式为:

式中，S_imp为所述显微照片中的纤维横截面积，S_out为所述显微照片中的纤维横截面的外部轮廓面积，S_i为所述显微照片中的纤维横截面中任一空腔的横截面积；n为所述显微照片中的所述纤维横截面的空腔数目，参见图4所示。

本实施例中，步骤S12的具体过程为：

a.导入横截面显微照片并选择正确的比例尺；

b.将图3所示的天然纤维横截面的外部轮廓和每个不规则空腔分别分析并测量其所占区域面积；

c.结果统计汇总后按照图4中的公式计算显微照片中的纤维的横截面积。

需要说明的是，上述纤维通常是天然纤维，当然必要情况下也可以是化学纤维。天然纤维沿纤维长丝的“直径”参数变化很大。当纤维受到应力被拉伸时，断裂通常会出现在最小直径的薄弱区域。而且这种沿着纤维方向的不连续性也表现在“横截面积”参数上。由于力学强度σ＝F/S中，在数值上与S密切相关，其中，F代表拉伸断裂最大应力，S代表纤维的横截面面积。因此横截面的不规则性是影响准确测量天然纤维拉伸力学的强度的关键因素。大量研究发现，即使是完全相同类型的天然纤维，其拉伸力学性能也常常表现出明显的分散性。例如，拉伸测试得到的苎麻纤维的抗拉强度值介于348MPa和938MPa之间，最大值和最小值几乎相差了3倍。

本发明实施例提供的纤维横截面积的测量方法考虑到纤维的横截面中的空腔情况，利用需要测量的纤维的显微照片获取显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；利用获得的外部轮廓面积减去空腔面积，计算得到纤维的横截面积，从而减少了纤维横截面积的测量误差。

为了评估本发明实施例提供的纤维横截面积的测量方法的有效性，本发明实施例还包括：

采用威布尔分析法对测试数据进行统计分析，由线性相关性系数和威布尔模量反应拉伸强度数据的分散度。

具体的，威布尔分布方法为：

拉伸强度分布的威布尔两参数对数表达式为：

其中，P_f(σ)是长度为L的纤维在施加应力σ时的断裂概率，σ₀是特征强度，m是形状参数，即称为威布尔模量，m值越高，数据分散程度越小。通过公式(5)估算断裂概率P_fi

其中，i代表第i次拉伸测试，n代表测试次数。

将本发明和现有技术测得的天然纤维横截面积数据分别代入σ＝F/S计算得到各自的纤维强度。然后根据威布尔分布公式(4-5)绘制分布图并计算威布尔模量。

需要说明的是，通过测试天然苎麻纤维的拉伸强度并绘制相应的威布尔分布图，其中，纤维的长度为22mm、测试次数为15次，结果发现：相比常规直径法，由本发明利用的Image J软件测得的数据点具有更好的线性相关性，两种方法的线性相关性系数R²分别为0.93、0.95。表明本发明提供的纤维横截面积的测量方法能够有效降低天然纤维拉伸力学性能的分散度。

本发明实施例提供了第一种纤维横截面积的测量方法的具体实施方式，其过程如下：

首先将环氧树脂和固化剂按照质量比为25：3的比例混合，然后持续搅拌混合物2～5分钟；静置混合物2分钟后将其放入真空箱中消除在搅拌过程中产生的气泡，取出后得到环氧树脂预聚物。取一定量环氧树脂预聚物并小心浇注在拉伸测试，断裂后的，长度为22mm天然纤维上。在室温条件下固化24～48小时，得到所需样品。

将固化后样品的一端用刀切成金字塔形，然后使用切片机选择合适的切割速度，按照不同的进给量，在防静电装置辅助下持续切割。将切片样品收集在滤纸上，干燥保存。将切片所得样品的横截面在光学显微镜下拍摄并保存具有比例尺的清晰照片。将照片中天然纤维横截面的外部轮廓和每个不规则空腔分别采用Image J软件分析并测量其所占区域面积，结果统计汇总后按照公式(3)计算横截面积。

将测得的天然纤维横截面积数据代入σ＝F/S计算得到纤维强度。然后采用威布尔分析法对测试数据进行统计分析，对比常规直径法测试数据，由线性相关性系数和威布尔模量反应拉伸强度数据的分散度。最终天然纤维的横截面积和威布尔模量结果见表1。

表1 不同长度天然纤维的横截面积和威布尔模量结果

本发明实施例提供了第二种纤维横截面积的测量方法的具体实施方式，其过程如下：

首先将环氧树脂和固化剂按照质量比为25：3的比例混合，然后持续搅拌混合物2～5分钟；静置混合物2分钟后将其放入真空箱中消除在搅拌过程中产生的气泡，取出后得到环氧树脂预聚物。取一定量环氧树脂预聚物并小心浇注在拉伸测试断裂后的，长度为50mm天然纤维上。在室温条件下固化24～48小时，得到所需样品。

将固化后样品的一端用刀切成金字塔形，然后使用切片机选择合适的切割速度，按照不同的进给量，在防静电装置辅助下持续切割。将切片样品收集在滤纸上，干燥保存。将切片所得样品的横截面在光学显微镜下拍摄并保存具有比例尺的清晰照片。将照片中天然纤维横截面的外部轮廓和每个不规则空腔分别采用Image J软件分析并测量其所占区域面积，结果统计汇总后按照公式(3)计算横截面积。

将测得的天然纤维横截面积数据代入σ＝F/S计算得到纤维强度。然后采用威布尔分析法对测试数据进行统计分析，对比常规直径法测试数据，由线性相关性系数和威布尔模量反应拉伸强度数据的分散度。最终天然纤维的横截面积和威布尔模量结果见表1。

本发明实施例提供了第三种纤维横截面积的测量方法的具体实施方式，其过程如下：

按照第一种纤维横截面积的测量方法的具体实施方式，改变环氧树脂和固化剂的混合比例，按照质量比为15:2的比例制备环氧树脂预聚物。

取一定量环氧树脂预聚物并小心浇注在拉伸测试，断裂后长度为22mm的天然纤维上。在室温条件下固化24～48小时，得到所需样品。将固化后样品的一端用刀切成金字塔形，然后使用切片机选择合适的切割速度，按照不同的进给量，在防静电装置辅助下持续切割。将切片样品收集在滤纸上，干燥保存。将切片所得样品的横截面在光学显微镜下拍摄并保存具有比例尺的清晰照片。将照片中天然纤维横截面的外部轮廓和每个不规则空腔分别采用Image J软件分析并测量其所占区域面积，结果统计汇总后按照公式(3)计算横截面积。

将测得的天然纤维横截面积数据代入σ＝F/S计算得到纤维强度。然后采用威布尔分析法对测试数据进行统计分析，对比常规直径法测试数据，由线性相关性系数和威布尔模量反应拉伸强度数据的分散度。

本发明实施例提供了第四种纤维横截面积的测量方法的具体实施方式，其过程如下：

按照第一种纤维横截面积的测量方法的具体实施方式，改变环氧树脂和固化剂的混合比例，按照质量比为15:2的比例制备环氧树脂预聚物。

取一定量环氧树脂预聚物并小心浇注在拉伸测试，断裂后的，长度为50mm的天然纤维。在室温条件下固化24～48小时，得到所需样品。将固化后样品的一端用刀切成金字塔形，然后使用切片机选择合适的切割速度，按照不同的进给量，在防静电装置辅助下持续切割。将切片样品收集在滤纸上，干燥保存。将切片所得样品的横截面在光学显微镜下拍摄并保存具有比例尺的清晰照片。将照片中天然纤维横截面的外部轮廓和每个不规则空腔分别采用Image J软件分析并测量其所占区域面积，结果统计汇总后按照公式(3)计算横截面积。

将测得的天然纤维横截面积数据代入σ＝F/S计算得到纤维强度。然后采用威布尔分析法对测试数据进行统计分析，对比常规直径法测试数据，由线性相关性系数和威布尔模量反应拉伸强度数据的分散度。

相应的，本发明实施例还公开了一种纤维横截面积测量系统，参见图5所示，包括：

面积获取模块11，用于通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积。

本实施例中，上述面积获取模块11之前还包括显微照片获取模块，具体的：

上述显微照片获取模块，用于获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片；

其中，所述切片样品为利用切片机对通过热固性环氧树脂进行固定的纤维进行切片后得到的样品。

需要说明的是，上述显微照片获取模块具体用于，获取通过光学显微镜对所述切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片，并向所述显微照片上添加相应的比例尺。

面积计算模块12，用于利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积。

其中，上述面积计算模块12，具体用于利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，通过公式计算得到所述纤维的横截面积；

其中，上述公式为：

式中，S_imp为所述显微照片中的纤维横截面积，S_out为所述显微照片中的纤维横截面的外部轮廓面积，S_i为所述显微照片中的纤维横截面中任一空腔的横截面积；n为所述显微照片中的所述纤维横截面的空腔数目。

需要说明的是，面积计算模块12的工作过程为：

a.导入横截面显微照片并选择正确的比例尺；

b.将附图3所示的天然纤维横截面的外部轮廓和每个不规则空腔分别分析并测量其所占区域面积；

c.结果统计汇总后按照上述公式计算显微照片中的纤维的横截面积。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的纤维横截面积测量方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种纤维横截面积测量方法，其特征在于，包括：

通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；

利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积。

2.根据权利要求1所述的纤维横截面积测量方法，其特征在于，所述通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积的过程之前还包括：

获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片；

其中，所述切片样品为利用切片机对通过热固性环氧树脂进行固定的纤维进行切片后得到的样品。

3.根据权利要求2所述的纤维横截面积测量方法，其特征在于，所述获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片的过程包括：

获取通过光学显微镜对所述切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片，并向所述显微照片上添加相应的比例尺。

4.根据权利要求1所述的所述的纤维横截面积测量方法，其特征在于，所述纤维为天然纤维或化学纤维。

5.根据权利要求1至4任一项所述的纤维横截面积测量方法，其特征在于，所述利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积的过程包括：

利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，通过公式计算得到所述纤维的横截面积；

其中，所述公式为式中，S_imp为所述显微照片中的纤维横截面积，S_out为所述显微照片中的纤维横截面的外部轮廓面积，S_i为所述显微照片中的纤维横截面中任一空腔的横截面积；n为所述显微照片中的所述纤维横截面的空腔数目。

6.一种纤维横截面积测量系统，其特征在于，包括：

面积获取模块，用于通过对获取的纤维横截面的显微照片进行分析，得到所述显微照片中纤维横截面的外部轮廓面积和该纤维横截面中的空腔面积；

面积计算模块，用于利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，计算得到所述纤维的横截面积。

7.根据权利要求6所述的纤维横截面积测量系统，其特征在于，所述面积获取模块之前还包括：

显微照片获取模块，用于获取通过显微镜对切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片；

其中，所述切片样品为利用切片机对通过热固性环氧树脂进行固定的纤维进行切片后得到的样品。

8.根据权利要求7所述的纤维横截面积测量系统，其特征在于，

所述显微照片获取模块具体用于，获取通过光学显微镜对所述切片样品进行拍照后得到的纤维横截面的显微照片，并向所述显微照片上添加相应的比例尺。

9.根据权利要求6所述的所述的纤维横截面积测量系统，其特征在于，所述纤维为天然纤维或化学纤维。

10.根据权利要求6至9任一项所述的纤维横截面积测量系统，其特征在于，

所述面积计算模块，具体用于利用获得的所述外部轮廓面积和所述空腔面积，通过公式计算得到所述纤维的横截面积；

其中，所述公式为式中，S_imp为所述显微照片中的纤维横截面积，S_out为所述显微照片中的纤维横截面的外部轮廓面积，S_i为所述显微照片中的纤维横截面中任一空腔的横截面积；n为所述显微照片中的所述纤维横截面的空腔数目。