CN108303523B - 一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法，该方法过程如下：倾转样品台拍摄两个不同观察视角下的复合材料断面显微照片，匹配两幅显微照片中同一纤维轮廓点的同名像点，计算轮廓点三维坐标，拟合全部纤维轮廓点为圆柱，以圆柱轴线参数确定表示纤维取向的纤维偏向角和方位角，计算沿特定方向的纤维取向程度。该发明避免了人机交互重新绘制复合材料剖切面显微图像中纤维截面，同时简化了样品制备过程和显微图像处理过程，并避免了绘制纤维截面引入的人工误差。此外可将本发明方法直接用于测量复合材料力学性能测试后材料断面上纤维取向，更能直接考察复合材料力学性能和纤维取向间关系。
Description
技术领域
本发明涉及短纤维增强复合材料评估技术领域，具体涉及一种基于显微三维重建的短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法。
背景技术
短纤维增强复合材料是用途最广的一类复合材料，具有比强度和比模量大、成型工艺简单、可二次加工等诸多优点。短纤维增强复合材料在成型过程中，短纤维在外场的作用下产生不同的取向。纤维增强复合材料承受载荷时，在各方向的力学性能正比于该方向上取向纤维的体积含量。一般用复合材料某一截面上纤维取向分布来近似复合材料内部纤维取向分布，以评估复合材料内部纤维取向程度。
增强复合材料成型过程中纤维取向演化的数值模拟研究中，定量评估纤维取向程度可为评判模型建立及相关假设的准确性、合理性提供依据。同时定量评估纤维取向程度可为复合材料的力学性能预测及评估提供基础数据。可见，定量评估纤维取向程度具有重要意义。
文献“Denton D L,Munson S H.Use of X-radiographic tracers to measurefiber orientation in short fiber composites[A].In:Wilson D.W.High ModulusFiber Composites in Ground Transportation and High Volume Applications[C].Philadelphia:ASTM International,1985:23-35”根据复合材料薄片的X光衍射图案来量化评估玻璃纤维整体的取向程度。但该方法在实际应用中要求纤维具有高度结晶且基体是非结晶的，因此应用范围十分有限。
目前更常用的方法是根据纤维截面椭圆长短轴长之比和长轴方向来确定纤维取向，这种方法的主要问题是无法处理同一形状椭圆截面对应两种纤维取向的问题。文献“Davidson N C,Clarke AR,Archenhold G.Large-area,high-resolution imageanalysis of composite materials[J].Journal of Microscopy,1997,185(2):233–242”报导了一种纤维取向程度评估方法，该方法通过对复合材料内部两个连续剖面显微照片的分析计算来确定纤维的三维姿态，实现了对短纤维增强复合材料纤维取向程度的定量评估，同时解决了同一椭圆截面对应两种纤维取向的问题。但该方法需要制备复合材料两个或多个连续剖面，不但过程繁琐，最终结果也易受剖面质量制约。中国发明专利CN01210268547.0短纤维增强复合材料纤维定向程度定量评估方法，在图形图像软件中重新绘制复合材料剖面显微照片中纤维截面椭圆，根据已提取的椭圆截面参数计算纤维方向向量，并通过选取适当的剖切面方式解决了同一椭圆截面对应两种纤维取向的问题。但该方法需要人工重新绘制纤维截面，考虑到显微照片中纤维数量较大，上述处理过程同样十分繁琐，工作强度较大，同时会致使纤维截面椭圆参数的计算引入人工误差，此外纤维截面边界清晰程度也易受剖切痕迹影响。
除上述方法外，文献“Shen H,Nutt S,Hull D.Direct observation andmeasurement of fiber architecture in short fiber-polymer composite foamthrough micro-CT imaging[J].Composites Science&Technology,2004,64(13–14):2113-2120”报导了一种应用CT三维重建技术量化评估复合材料中纤维取向程度的方法，该方法直接重现复合材料内部纤维的三维结构，避免了用复合材料二维截面上纤维取向分布近似复合材料内部纤维取向分布导致最终结果引入的偏差。但该方法的进一步应用仍受严重制约，除设备昂贵外，更主要的缺陷是空间分辨率低下，此外也不适用于基体和纤维原子密度接近的复合材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种简便同时有效的基于显微三维重建的短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法，所述的评估方法基于显微三维重建，包括下列步骤：
S1、将待测复合材料断面朝上固定在显微镜样品台上，使样品台水平放置，此时记录样品台倾转角度的附带量角器读数为0，建立直角坐标系o-xyz，其中xoy平面与样品台平行，z轴垂直于样品台；
S2、旋转样品台，当量角器读数分别为±Δθ时，即样品台倾转±Δθ时，分别拍摄当前观察视角下的复合材料断面显微照片；
S3、使用图像处理程序或软件提取两幅显微照片中各根纤维的轮廓；
S4、计算纤维的轮廓点三维坐标，设复合材料断面上一点a(ξ，η，z)在所述的两幅显微照片中同名像点A(X1，Y1)和A'(X2，Y2)，该点三维坐标的计算式为：
S5、拟合纤维的所有轮廓三维点为圆柱，以所述的圆柱轴线作为纤维轴线，根据纤维轴线参数计算用于表示纤维取向的纤维偏向角和方位角φ，对断面上所有纤维的偏向角和方位角φ进行统计，其中，纤维偏向角的取值范围在0°至90°之间，方位角φ的取值范围在-90°至90°之间；
S6、按如下表达式计算沿z轴的纤维取向度：
其中：
上式中是偏向角被统计的次数，fp的范围在-1至1之间，fp＝1时说明所有纤维均平行于z轴，fp＝-1时说明所有纤维均垂直于z轴，fp值与沿z轴的纤维取向程度成正比。
进一步地，所述的Δθ取值区间为5°至15°。
进一步地，所述的步骤S3过程如下：
提取并匹配两幅复合材料断面显微照片中的SIFT图像特征点，取出匹配效果最佳的15个SIFT图像特征点对，计算SIFT图像特征匹配点对纵坐标之差的平均值，以该平均值在高度方向上对两幅复合材料断面显微照片进行裁剪，使材料断面上同一点的同名像点纵坐标相等，即去除纵向视差；利用GAC活动轮廓模型图像分割方法提取两幅复合材料断面显微照片中各纤维轮廓。
进一步地，所述的步骤S4中若纤维轮廓点a在Δθ观察视角下显微照片中像点为A，则在－Δθ观察视角下显微照片中，与A同高度的水平扫描线与纤维轮廓有两个交点A'和A”为可能的同名像点，由同名像点应位于纤维轮廓最高点和最低点两点连线同一侧确定正确的同名像点A'。
进一步地，所述的步骤S5中纤维偏向角和方位角计算过程可由纤维母线信息简化：所述的纤维母线为纤维轮廓中的直线部分，以纤维两侧母线的对称轴作为纤维轴线；所述的显微照片中相同纵坐标的纤维轴线点为一对同名像点，由所述的步骤S4中的计算式可计算纤维轴线点三维坐标，两轴线点间向量确定纤维轴线参数，根据纤维轴线参数计算用于表示纤维取向的纤维偏向角和方位角φ。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明提出的一种基于显微三维重建的短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法，通过样品台不同倾转角度下拍摄的复合材料断面扫描电镜显微图像的计算机处理和分析就能评估纤维取向程度，简单有效。与已有技术相比，避免了人机交互重新绘制复合材料剖切面显微图像中纤维截面，消除了绘制纤维截面引入的人工误差。同时简化了样品剖面制备过程，避免了最终结果易受剖面质量影响的问题，计算结果更为准确。此外，本发明提出的方法还具有成本低廉、适用性强的优点。另外，利用本发明提出的方法可直接用于测量复合材料力学性能测试后材料断面上纤维取向，更能直接考察复合材料力学性能和纤维取向间关系。
附图说明
图1是表示纤维取向的纤维偏向角和方位角φ示意图；
图2是样品台允许的运动形式示意图；
图3(a)是样品台+5°倾转视角下短切碳纤维增强聚乳酸复合材料断面同一区域扫描电镜显微图像及匹配的SIFT图像特征点示意图；
图3(b)是样品台-5°倾转视角下短切碳纤维增强聚乳酸复合材料断面同一区域扫描电镜显微图像及匹配的SIFT图像特征点示意图；
图4(a)是以匹配SIFT图像特征点纵坐标之差的平均值将图1裁剪至相同高度的示意图1；
图4(b)是以匹配SIFT图像特征点纵坐标之差的平均值将图1裁剪至相同高度的示意图2；
图5(a)是样品台+5°倾转视角下短切碳纤维增强聚乳酸复合材料断面上伸出基体长度较小纤维的扫描电镜显微图；
图5(b)是样品台0°倾转视角下短切碳纤维增强聚乳酸复合材料断面上伸出基体长度较小纤维的扫描电镜显微图；
图5(c)是样品台-5°倾转视角下短切碳纤维增强聚乳酸复合材料断面上伸出基体长度较小纤维的扫描电镜显微图；
图6(a)是纤维轮廓点的同名像点匹配示意图1；
图6(b)是纤维轮廓点的同名像点匹配示意图2；
图7是纤维轮廓三维点云图；
图8是纤维轮廓三维点云拟合的圆柱图；
图9(a)是样品台+5°倾转视角下短切碳纤维增强聚乳酸复合材料断面上伸出基体长度较大纤维的扫描电镜显微图；
图9(b)是样品台-5°倾转视角下短切碳纤维增强聚乳酸复合材料断面上伸出基体长度较大纤维的扫描电镜显微图；
图10(a)是纤维轴线点的同名像点匹配示意图1；
图10(b)是纤维轴线点的同名像点匹配示意图2；
图11是纤维轴线三维点云图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例
本实施例以短切碳纤维增强聚乳酸复合材料为例，将复合材料样品在液氮下脆断后，然后将样品断面朝上固定在扫描电镜样品台上，调整样品台旋转位置，使样品台的量角器读数置零，拍摄复合材料断面观察区域显微照片作为参考图像。建立直角坐标系o-xyz，其中xoy平面与样品台平行，z轴垂直于样品台。纤维的取向信息包括纤维的偏向角和方位角φ，表示纤维取向信息的纤维偏向角为纤维轴线与z轴间夹角，方位角φ为xoy平面上纤维轴线投影与x轴间夹角，如附图1所示。
扫描电镜样品台旋转样品台包括平面上的移动(x，y方向)，垂直方向的移动(z)，以及倾转(θ)和周转(ω)这两种旋转，倾转是指绕y轴的旋转(由样品台的量角器读数)，周转是指绕z轴的旋转，如图2所示。拍摄当样品台量角器读数分别为±5°时，即倾转角度为±5°时同一复合材料断面观察区域的显微照片，如图3(a)、图3(b)所示。
提取并匹配图3(a)和图3(b)中的SIFT(Scale-invariant feature transform)图像特征点，取出匹配效果最佳的15个SIFT图像特征点对，如图3(a)和图3(b)中标记点所示。计算SIFT图像特征匹配点对纵坐标之差的平均值，以该平均值在高度方向上对图3(a)和图3(b)进行裁剪，使材料断面上同一点的同名像点纵坐标相等，即去除纵向视差，如图4所示。
利用GAC活动轮廓模型图像分割方法提取图4(a)和图4(b)中各纤维轮廓。图5(a)、图5(b)和图5(c)所示为图4(a)和图4(b)中的一根纤维，以该纤维为例说明后续各根纤维取向测量过程：
图5(a)、图5(b)和图5(c)所示纤维可见的轮廓包括上端面边界以及纤维与基体的结合线，其上端面边界如图6(a)和图6(b)所示。复合材料断面上一点在不同样品台倾转视角下采集的显微图像中的像点称为同名像点。由于已去除纵向视差，图6(a)中纤维轮廓点像点A在右图中的同名像点是同高度水平扫描线和纤维轮廓线的交点，由于纤维轮廓为闭合曲线，上述交点一般有两个，如图6(b)中的A'和A”。根据同名像点位于纤维轮廓最低、最高点连线的同一侧，确定唯一的、正确匹配的同名像点A'。
记纤维轮廓点a(ξ，η，z)在图4(a)和图4(b)中的同名像点坐标分别为A(X1，Y1)和A'(X2，Y2)，得横向视差ΔX＝X1-X2，可计算该点实际三维坐标，计算式为：
纤维近似看作圆柱体，任意姿态的圆柱体可从轴线与z轴重合的圆柱通过一个平移向量和一个旋转矩阵转换姿态得到，令T0＝(x0，y0，0)T和R＝R1(α)R2(β)分别表示上述平移向量和旋转矩阵，其中R1(α)、R2(β)分别表示轴线绕x、y轴旋转α、β角度的旋转矩阵，令r为纤维柱面半径，则纤维柱面参数(x0，y0，α，β，r)由k个柱面点ai＝(xi，yi，zi)T拟合误差平方和的最小化得到，拟合误差平方和的计算式为:
由单位向量t'＝(0，0，1)经旋转矩阵R变换获得纤维轴向单位向量t＝Rt'＝(tx，ty，tz)T，描述纤维取向信息的纤维的偏向角与方位角φ由向量t变换得到，计算式为：
图5(a)、图5(b)和图5(c)所示的纤维，由横向视差计算得各纤维轮廓点三维坐标如图7所示，根据纤维轮廓点拟合的圆柱如图8所示，圆柱轴向单位向量为t＝(-0.181，-0.277，0.944)T,根据该向量计算得该纤维的偏向角和方位角分别为19.301°和-33.129°。
复合材料断面显微照片中大多数纤维两侧的母线清晰可见，如图9(a)和图9(b)所示的纤维，其两侧母线关于其轴线对称，因此可检测纤维两侧母线，以两侧母线的中轴线作为纤维轴线。以纤维轴线和同一高度水平线扫描就能正确匹配纤维轴线点的同名像点并计算横向视差，可直接计算得到纤维轴线点的三维坐标。由于任两个纤维轴线点间向量就可以确定纤维轴线参数，因此无需对纤维柱体进行拟合，一方面简化了操作步骤，另一方面避免了拟合纤维柱体而引入的误差。本发明利用Hough变换检测纤维两侧母线。
图9(a)和图9(b)所示纤维轴线点的匹配过程如图10(a)和图10(b)所示，由横向视差计算得到的该纤维轴线上各点三维坐标如图11所示。从该纤维轴线上任取两点得纤维轴向单位向量为t＝(0.253，0.307，0.917)T,根据该向量计算的纤维的偏向角和方位角分别为66.531°和-50.541°。
复合材料破坏的两个断面为对应关系，如果纤维镶嵌在其中一个断面上，则在另一断面上留下纤维脱落的孔洞，纤维取向的测量实际应在复合材料破坏的两个断面上进行。为简便起见，本例仅对图3(a)和图3(b)所示较小区域内的纤维偏向角和方位角进行统计，并计算沿z轴方向上的纤维取向度。
对图3(a)和图3(b)进行处理，得到7根纤维的偏向角依次为8.61、13.53、2.66、66.53、15.42、7.09、11.43，方位角依次为-56.77、-44.89、-8.39、83.56、69.78、-14.54、38.89。按照如下表达式计算纤维取向度fp：
其中：
上式中是偏向角被统计的次数。
算得fp＝0.85，说明图3(a)和图3(b)所示位置沿z轴方向上的纤维取向程度较高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法，其特征在于，所述的评估方法基于显微三维重建，包括下列步骤：
S1、将待测复合材料断面朝上固定在显微镜样品台上，使样品台水平放置，此时记录样品台倾转角度的附带量角器读数为0，建立直角坐标系o-xyz，其中xoy平面与样品台平行，z轴垂直于样品台；
S2、旋转样品台，当量角器读数分别为±Δθ时，即样品台倾转±Δθ时，分别拍摄当前观察视角下的复合材料断面显微照片；
S3、使用图像处理程序或软件提取两幅显微照片中各根纤维的轮廓，过程如下：
提取并匹配两幅复合材料断面显微照片中的SIFT图像特征点，取出匹配效果最佳的15个SIFT图像特征点对，计算SIFT图像特征匹配点对纵坐标之差的平均值，以该平均值在高度方向上对两幅复合材料断面显微照片进行裁剪，使材料断面上同一点的同名像点纵坐标相等，即去除纵向视差；利用GAC活动轮廓模型图像分割方法提取两幅复合材料断面显微照片中各纤维轮廓；
S4、计算纤维的轮廓点三维坐标，设复合材料断面上一点a(ξ，η，z)在所述的两幅显微照片中同名像点为A(X1，Y1)和A'(X2，Y2)，该点三维坐标的计算式为：
S5、拟合纤维的所有轮廓三维点为圆柱，以所述的圆柱轴线作为纤维轴线，根据纤维轴线参数计算用于表示纤维取向的纤维偏向角和方位角φ，对断面上所有纤维的偏向角和方位角φ进行统计，其中，纤维偏向角的取值范围在0°至90°之间，方位角φ的取值范围在-90°至90°之间；
S6、按如下表达式计算沿z轴的纤维取向度：
其中：
上式中是偏向角被统计的次数，fp的范围在-1至1之间，fp＝1时说明所有纤维均平行于z轴，fp＝-1时说明所有纤维均垂直于z轴，fp值与沿z轴的纤维取向程度成正比。
2.根据权利要求1所述的一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法，其特征在于，所述的Δθ取值区间为5°至15°。
3.根据权利要求1所述的一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法，其特征在于，所述的步骤S4中若纤维轮廓点a在Δθ观察视角下显微照片中像点为A，则在－Δθ观察视角下显微照片中，与A同高度的水平扫描线与纤维轮廓有两个交点A'和A”为可能的同名像点，由同名像点应位于纤维轮廓最高点和最低点两点连线同一侧确定正确的同名像点A'。
4.根据权利要求1所述的一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法，其特征在于，所述的步骤S5中纤维偏向角和方位角计算过程可由纤维母线信息简化：所述的纤维母线为纤维轮廓中的直线部分，以纤维两侧母线的对称轴作为纤维轴线；所述的显微照片中相同纵坐标的纤维轴线点为一对同名像点，由所述的步骤S4中的计算式可计算纤维轴线点三维坐标，两轴线点间向量确定纤维轴线参数，根据纤维轴线参数计算用于表示纤维取向的纤维偏向角和方位角φ。
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