CN108898667A - 一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于X‑ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，包括以下步骤：1)采用X射线断层扫描摄影术获取连续多张360°范围内碳纸的微米级投影图；2)对投影图进行处理获取碳纸的三维数字模型；3)根据三维数字模型提取碳纸的关键形态参数。与现有技术相比，本发明具有快速优化重构、获取多种关键参数等优点。

Description

一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池碳纸型气体扩散层的三维重构以及关键形态参数的提取技术领域，尤其是涉及一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法。

背景技术

随着能源匮乏和环境污染问题的日益凸显，世界各国越来越重视新能源技术的研究，燃料电池作为一种能量密度大、能量转换效率高、环境污染小的能源转换装置更是受到了广泛关注。其中，质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动速度快、使用寿命长、模块式安装和操作方便等优点，被认为是电动车、可移动设备、分散式电站等最具前景的替代电源，这种新型、高效、清洁的发电系统，可应用于交通、军事、通信等领域。然而，电池成本高、耐久性不理想、水管理复杂等因素严重制约着燃料电池实现大规模商业化，因此越来越多的学者开始关注燃料电池基础性的研究。

在质子交换膜燃料电池中，膜电极组件是核心部件之一，通常由气体扩散层(GDL)、催化层和质子交换膜通过热压工艺制成，对电池的输出功率、能量密度分布以及工作寿命有决定性的影响。其中，气体扩散层由导电的多孔材料构成，通常使用经过聚四氟乙烯(PTFE)处理的碳纸或碳布，厚度约为100-400μm，孔径为10μm量级，它具有支撑催化剂层、收集电流、传导气体和排出反应产生的水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是电极的重要组成部分，其多孔介质的特性直接影响其内部物质传递过程，进而对电池综合性能有着关键性的影响。

迄今为止，很多学者都借助微孔隙流仿真的方法，从微观角度来研究多孔介质的特性，以改善其孔隙结构，避免阴极“水淹”现象影响电池的整体性能，其中，如何实现真实微观结构的重建是非常关键的一步，目前国内外对于GDL微孔隙结构的重构方法主要有两种：“图像合成法”和“随机重构法”。

“图像合成法”的重构技术主要使用X射线断层摄影术(X-ray CT)或聚焦离子束(FIB)或电子扫描显微镜(SEM)的手段得到多幅二维图像，其中X-ray CT对材料进行的是三维扫描，FIB/SEM是对铣削得到的薄层材料表面进行扫描，然后对这些二维图像进行处理并整合起来得到材料的微观几何构造。这种方法的优点是得到的材料微观几何结构较为真实，但成本较高，且受到图像技术空间分辨率和各相分辨能力的限制。目前X-ray CT的分辨率已达到微、纳米级，微米级X-ray CT能够识别GDL基底层内部的孔隙结构，且不受疏水剂(PTFE)、粘合剂的添加或压力的任何影响，因此微米级X-ray CT在不含MPL的GDL的重构中得到的广泛的应用。GDL微孔层(MPL)内的孔隙结构通过纳米级X-ray CT可以获得，由于该项技术是近两年才发展起来的，因此应用实例还不多。而FIB/SEM的分辨率虽然更小，但是由于该方法得到的纤维结构不连续，因此一般不采用该方法重构GDL。

“随机重构法”则是通过使用随机数字发生器、构成材料的几何分布统计信息并设置一系列的规则来生成虚拟模型。目前该方法通过研究使用电子扫描显微镜(SEM)获得的材料横截面二维图像，获得其纤维的几何分布统计信息，如孔隙率、纤维直径等，然后通过随机算法构建三维模型。这种方法的优点是成本低和易于实现，但是只能近似地模拟真实的微孔隙结构，仿真结果会有一定的偏差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，包括以下步骤：

1)采用X射线断层扫描摄影术获取连续多张360°范围内碳纸的微米级投影图；

2)对投影图进行处理获取碳纸的三维数字模型；

3)根据三维数字模型提取碳纸的关键形态参数。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)制备符合分辨率要求且对应CCD视场要求的碳纸样品；

12)设置X射线断层扫描摄影装置的参数，包括光子能量、显微镜倍数、每次旋转度数和每次曝光时间；

13)放置碳纸样品并调整位置使其在视场中心，拍摄360°范围内碳纸样品的连续投影图。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)采用PITRE软件对投影图进行多次反复的相位恢复、切片重构，获取二维切片图，并将所获得的32位二维切片图转化为8位灰度值图；

22)采用Image软件切割和旋转所有连续切片使样品碳纸周围的区域最少，确定灰度二值化阈值并将所有切片的8位灰度值图二值化；

23)采用matlab软件获取碳纸样品的三维数字模型，所述的三维数字模型由元素为0或1的三维数组表示，其中，0表示孔隙，1表示碳纤维实体。

所述的步骤3)中，碳纸的关键形态参数包括碳纸孔隙率、碳纸孔径分布、各向异性程度、碳纸纤维取向以及添加剂分布形态。

所述的碳纸孔隙率λ的计算式为：

其中，n₀为三维数字模型中元素0的个数，n为三维数字模型中元素的总个数。

所述的碳纸孔径分布通过最大球体填充法获取，具体为：

依次获取三维数字模型中每个孔隙空间中所有的点到周围固体纤维的最短距离，记为R_n，从其中距离固体纤维的最短距离最大的点开始，以该点作为球心，以其最短距离为半径作球体，直到整个孔隙空间被球体覆盖，若有球体相互重叠，则视作这些球体在同一个孔隙中，这些球体覆盖的所有空间都以这些球体中最大的直径作为空间的平均孔径，若球体只覆盖了一个元素0，那么以其相邻的空间的覆盖球体直径中最大的值为其平均孔径。

所述的各向异性程度采用局部孔隙率对比法或不同方向渗透率的比值获取。

所述的碳纸纤维取向由单纤维跟踪法获取，具体为：

根据碳纸的三维结构，选择多条单根纤维的位置，并剔除无法与周围纤维区分的部分，根据二维图像逐张追踪一定长度下的单根纤维并记录其坐标，纤维取向由一角度θ表示，其表达式为：

其中，d为纤维中心位置相对于垂直于材料平面的方向上的绝对差值，l为追踪纤维距离。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用微米级X-ray CT技术，得到了碳纸的真实三维结构，不仅更便于研究多孔介质碳纸外部的形状、内部的孔隙结构，而且还能获取到纤维几何分布统计信息，如纤维取向、孔隙分布等，从而进一步优化重构结果，并为后续燃料电池孔隙尺度仿真提供理论基础以及其他多孔介质微观重构提供理论参考。

附图说明

图1为本发明的方法的流程图。

图2为X-ray拍摄碳纸投影图及白-暗场像校正结果，其中，(2a)为拍摄碳纸投影图，(2b)为白-暗场像校正结果。

图3为切片相位恢复结果及切片重构结果，其中，(3a)为切片相位恢复结果，(3b)为切片重构结果。

图4为Image J软件处理后的连续切片。

图5为碳纸三维重构结果示意图。

图6为重新选取孔隙率计算区域。

图7为碳纸孔径分布折线图。

图8为碳纸x，y和z方向的局部孔隙率折线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

为进一步阐述本发明的目的、技术方案和优点，下文将结合具体实施方式和附图，对本发明做更详细的解释说明但并不作为本发明的限定。

本实施例提供一种X-ray CT三维重构碳纸并提取其关键形态参数的方法，图1是所述方法的流程图，具体实施步骤如下：

1.由X射线断层扫描摄影术(X-ray CT)拍摄连续多张碳纸的微米级投影图：

选择SGL公司的24BA和24BC系列作为碳纸的拍摄样品；

根据碳纸纤维尺寸的大小，本例选取像素分辨率0.65μm，对应的CCD视场要求的碳纸样品应小于等于1.3312mm，故裁剪出宽1mm、高1cm规格的样品固定在载物装置上；

设置X-ray CT装置的参数：光子能量12keV、显微镜倍数10X、每次旋转度数为5°、每次曝光时间为5s，调整样品位置使其在视场中心。

拍摄360°范围内样品的720张连续投影图，为获得更好效果的重构切片，每隔180°拍摄了2张白场像，并且在最后拍摄5张暗场像，最终得到731张拍摄图像用于碳纸的三维重构。

2.由图像处理软件处理投影图得到碳纸的三维数字模型:

设置白—暗场像校正方式由PITRE软件对投影图进行反复的相位恢复、切片重构操作直到获得足够清晰的二维连续切片图，最终将得到2400张2048×2048个像素的切片图进行位数转化，由32位转化为8位的灰度值切片图像。如图2所示，与X-ray拍摄碳纸投影图相比，白-暗场像校正后的图像效果更佳。图3所示便是最终获得的相位恢复结果和切片重构结果；

如图4所示，由Image软件切割、旋转所有连续切片使样品周围的区域最少，再根据电子显微镜(SEM)拍摄图像或厂商给定碳纸纤维的平均半径确定灰度二值化阈值并将所有切片二值化，最后的切片尺寸为1943×306个像素点；

从中选取效果较好的300张，由Matlab软件的for循环和读取图像灰度值的函数读取切片，便可获得部分碳纸的三维数字模型，所得数字模型是由元素为0或1的三维数组表示，该数组大小为1943×306×300，其中0表示孔隙，1表示碳纤维实体，如图5是所得碳纸三维重构结果的示意图，其中黑色孔隙由0表示，白色实体由1表示。

上述步骤得到的三维数字模型可用于提取真实碳纸的关键形态参数，也可进行流体传输仿真，计算时直接读入该三维数据即可，当流体遇到元素0时，流体可向前传输，当遇到元素1时，流体将会以一定规律反向传输，由此规律最终可得到碳纸三维结构内的流速分布。下述计算方法主要详细说明如何利用该模型提取碳纸的关键形态参数：

3.计算碳纸孔隙率：

根据碳纸孔隙率的计算方法，三维数组中所有0的个数为115876203，所有元素的个数为1943×306×300，故碳纸的孔隙率约为65％，这与商家给定结果相差较大，这是因为图像中碳纸边界之外的空间的元素也为0，在计算时也被认为是孔隙，因此选定如图6纤维周围区域重新计算，最后得到的孔隙率为83％，与实际结果较为接近。

4.计算碳纸的孔径分布：

借助MATLAB软件，根据碳纸孔径分布的计算方法——最大球体法的思路编程求解，由于三维数组的元素数目较多会使计算时间较长，因此为缩短计算时间，可降低图像分辨率，减少三维数组的元素个数来得到如图7所示的孔径分布图。根据孔径分布图可知，碳纸内部主要分布着小孔，大孔个数较少，因此当随机重构的碳纸结构中出现较多大孔时，可视为与实际不符重新生成。

5.计算各向异性程度：

根据元素个数法分别在x，y，z三个方向上计算局部孔隙率并绘制如图8所示的折线图。由图可知y方向上的局部孔隙率上下起伏变化比x，y方向剧烈。这是因为碳纸样品的实际厚度约为190μm，而裁剪的宽度为1mm，y方向上的结构信息更为全面，因此碳纸随机重构应该考虑到各向异性程度的因素。

6.计算碳纸纤维取向：

由单纤维跟踪法，优选出4根单独的碳纸纤维，分别记录追踪前后其纤维截面中心的坐标：

第一根：(72,194,205)、(196,164,269)，纤维取向角为26.64°；

第二根：(144,136,972)、(172,137,909)，纤维取向角为41.18°；

第三根：(158,60,1490)、(232,61,1445)，纤维取向角为31.3°；

第四根：(256,277,1297)、(299,264,1293)，纤维取向角为5.09°。

分析发现上述四根纤维的取向角均未超过45°，可见纤维分布趋向于横穿平面(即x-y平面)，这与实际情况是完全相符的，因此随机重构碳纸时应给定纤维取向角随机选取的范围，而不是在360°内随机选取。

7.添加剂分布形态：

24BA和24BC的碳纸系列中均含有5％的添加剂(粘合剂和PTFE)，其中粘合剂是为了使碳纤维更牢固，PTFE是疏水剂为了防止发生“水淹”现象。目前由X-ray CT方法得到的重构结果无法区分两者，因此观察到的是两者一起的分布形态。根据如图5的碳纸3D示意图，可以发现粘合剂像涂层一样分布在每根纤维的外围，且在两根相互交叉的纤维处是呈网状物分布，分布范围可由添加剂的含量和接触角决定。

在随机重构时，根据粘合剂或PTFE添加方法，涂层型添加剂可以围绕部分或全部纤维延伸，网状型添加剂分布在接触或交叉纤维之间形成的角区域。纤维周围的涂层能够直接实现的：添加所需厚度的涂层就在纤维外围形成同轴的圆柱形外壳即可。

Claims (8)

1.一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用X射线断层扫描摄影术获取连续多张360°范围内碳纸的微米级投影图；

2)对投影图进行处理获取碳纸的三维数字模型；

3)根据三维数字模型提取碳纸的关键形态参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)制备符合分辨率要求且对应CCD视场要求的碳纸样品；

12)设置X射线断层扫描摄影装置的参数，包括光子能量、显微镜倍数、每次旋转度数和每次曝光时间；

13)放置碳纸样品并调整位置使其在视场中心，拍摄360°范围内碳纸样品的连续投影图。

3.根据权利要求1所述的一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)采用PITRE软件对投影图进行多次反复的相位恢复、切片重构，获取二维切片图，并将所获得的32位二维切片图转化为8位灰度值图；

22)采用Image软件切割和旋转所有连续切片使样品碳纸周围的区域最少，确定灰度二值化阈值并将所有切片的8位灰度值图二值化；

23)采用matlab软件获取碳纸样品的三维数字模型，所述的三维数字模型由元素为0或1的三维数组表示，其中，0表示孔隙，1表示碳纤维实体。

4.根据权利要求1所述的一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，所述的步骤3)中，碳纸的关键形态参数包括碳纸孔隙率、碳纸孔径分布、各向异性程度、碳纸纤维取向以及添加剂分布形态。

5.根据权利要求4所述的一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，所述的碳纸孔隙率λ的计算式为：

其中，n₀为三维数字模型中元素0的个数，n为三维数字模型中元素的总个数。

6.根据权利要求4所述的一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，所述的碳纸孔径分布通过最大球体填充法获取，具体为：

依次获取三维数字模型中每个孔隙空间中所有的点到周围固体纤维的最短距离，记为R_n，从其中距离固体纤维的最短距离最大的点开始，以该点作为球心，以其最短距离为半径作球体，直到整个孔隙空间被球体覆盖，若有球体相互重叠，则视作这些球体在同一个孔隙中，这些球体覆盖的所有空间都以这些球体中最大的直径作为空间的平均孔径，若球体只覆盖了一个元素0，那么以其相邻的空间的覆盖球体直径中最大的值为其平均孔径。

7.根据权利要求4所述的一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，所述的各向异性程度采用局部孔隙率对比法或不同方向渗透率的比值获取。

8.根据权利要求4所述的一种基于X-ray CT三维重构的碳纸形态参数提取方法，其特征在于，所述的碳纸纤维取向由单纤维跟踪法获取，具体为：

根据碳纸的三维结构，选择多条单根纤维的位置，并剔除无法与周围纤维区分的部分，根据二维图像逐张追踪一定长度下的单根纤维并记录其坐标，纤维取向由一角度θ表示，其表达式为：

其中，d为纤维中心位置相对于垂直于材料平面的方向上的绝对差值，l为追踪纤维距离。