CN1979139B

CN1979139B - 从焦炭的高分辨透射电镜图像定量分析焦炭微晶单元的方法

Info

Publication number: CN1979139B
Application number: CN2005101109820A
Authority: CN
Inventors: 吴信慈; 杨俊和; 胡德生; 张琢; 曹银平; 程乐意; 张群
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd; Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: CN1979139A

Abstract

本发明公开了一种从焦炭的高分辨透射电镜图像定量分析焦炭微晶单元的方法，其包括下面的步骤：(1)对图中的每个条纹进行识别编号，并测量计算其各项参数，包括条纹长度、条纹中心坐标和条纹倾角；(2)对所有条纹比较后进行归并，比较包括平行度判定、相对位置判定和间距判定，将符合判定条件的条纹作为一个条纹组，并将具有相同层数的条纹组归类为1条纹组、2条纹组、3条纹组……；(3)计算每个条纹组的大小、高度、层间距；(4)计算每个条纹组各自占到该图所有条纹的比率，从而得到条纹组的分布状况。本发明可从焦炭的HRTEM图像中获取石墨微晶单元的大小、堆积层数、层间距以及单元的分布等结构参数，实现从微观角度对焦炭性能作出分析。

Description

从焦炭的高分辨透射电镜图像定量分析焦炭微晶单元的方法

(一)技术领域

本发明涉及一种从焦炭的高分辨透射电镜图像定量分析焦炭微晶单元的方法，属于炼焦应用炭相学技术领域。

(二)背景技术

焦炭在冶金行业尤其是在高炉炼铁得到极为广泛的应用，而焦炭微观结构在该领域一直被作为重点研究对象之一。已经证明，构成焦炭的主要元素为碳，其在焦炭中主要以石墨晶体的形式存在，但这种石墨晶体的尺度非常小，仅为数个纳米，无数个微小且大小不等的石墨晶体杂乱无章的堆叠在一起构成了焦炭的主要成分。

使用高分辨透射电镜(HRTEM)可以直接获得焦炭中石墨微晶的图像，经过适当处理后的石墨微晶图像如图1所示(不包括标定编号)，确切讲应当是石墨微晶的截面图，图中曲折的条纹即代表石墨层片(或者石墨层片截面)。从图中可以看到，代表石墨微晶的条纹呈现不规则性和排列无序性。从规则石墨晶体的特征看，只有那些相互平行且间距一定(理论值为0.335nm)的条纹组才能看作是一个石墨晶体，因此，焦炭中含有大量相互平行的石墨层片单元(即条纹组，亦即石墨微晶)，而这些单元又是杂乱无章的排列在一起。

如果是规则晶体，可以直接从HRTEM晶格图像计算得到晶体的结构参数，进而可以从微观结构上升到对宏观性质的理解。但对于焦炭这种由无数的石墨微晶经过无序堆积而成的物质，目前尚没有定量分析测定其微晶结构的方法，并导致在工业生产运用中，对焦炭性能的解释很难取得实质性进展。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种从焦炭的高分辨透射电镜图像定量分析焦炭微晶单元的方法，该分析方法可以从焦炭的HRTEM图像中获取有关焦炭石墨微晶单元的大小、堆积层数、层间距以及单元的分布等重要结构参数，实现从微观角度对焦炭性能作出分析。

本发明是这样实现的：一种从焦炭的高分辨透射电镜图像定量分析焦炭微晶单元的方法，其特征是包括下面的步骤：

(1)对图中的每个条纹进行识别编号，并测量计算其各项参数，包括条纹长度、条纹中心坐标和条纹倾角；

(2)对所有条纹比较后进行归并，比较包括平行度判定、相对位置判定和间距判定，将符合上述判定条件的条纹作为一个条纹组，并将具有相同层数的条纹组归类为1条纹组、2条纹组、3条纹组……；

(3)计算每个条纹组的大小、高度、层间距，即：该条纹组所有条纹的平均长度、所有条纹层间距之和、所有条纹的平均层间距；

(4)计算上述1条纹组、2条纹组、3条纹组……各自占到该图所有条纹的比率，从而得到条纹组的分布状况。

上述的定量分析焦炭微晶单元的方法，所述平行度判定是指后一条纹和前一条纹的倾角之差小于15°。相对位置判定是指后一条纹的中点落在了垂直于前一条纹两端点的平行线所包含的区域内。间距判定是指后一条纹到前一条纹的垂直距离不大于0.5nm且不小于0.3nm。

上述的定量分析焦炭微晶单元的方法，所述每个条纹组占到该图所有条纹的比率可以为数量比率或面积比率。

本发明的要点在于对从焦炭的HRTEM图像经处理后的石墨微晶图中的石墨条纹(即石墨层片)进行归并，将那些符合石墨晶体构成的条纹归为一组，该条纹组即是石墨微晶单元，而后计算每个单元的大小、高度、层间距等参数以及获取单元分布状况。

本发明一种从焦炭的高分辨透射电镜(HRTEM)图像定量分析焦炭中石墨微晶单元的方法，可以从焦炭的HRTEM图像获得有关焦炭石墨微晶单元的大小、堆积层数、层间距以及单元的分布等重要结构参数。定量分析的结果，有助于进一步了解焦炭微观结构的特征，有助于从微观角度对焦炭性能作出分析，并可加深对焦炭宏观性质的理解。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为对条纹进行标定编号的焦炭石墨微晶的HRTEM图像；

图2为条纹归并程序流程图。

(五)具体实施方式

下面对柳林煤焦样的HRTEM图像进行焦炭微晶单元定量分析，其步骤是：

1、条纹标定及编号，使用图形软件，对图中每个条纹进行标定并编号，参见图1。

2、确定每根条纹的判定参数。通过计算每个条纹的像素数量就可以确定条纹的面积A。在图1中的条纹是单像素“粗”的，而面积A的计算是通过像素的数量确定的，因此，这个面积实际上就是条纹的长度L，长度L通过下式计算，

L(nm)＝30(1/nm)×A(nm²)

30为本实施方式中的尺寸标定系数。

通过为条纹拟合一个椭圆，确定该椭圆的中心，将其近似为该条纹的位置坐标(x，y)，以及长轴r_a和短轴r_b，而椭圆长轴在坐标系中的倾角θ则近似为条纹的倾角。

3、对条纹进行归并。对任意第i个条纹和接受比较的第j个条纹，设定判定条件是：

(1)平行度判定：

即两个条纹必须是平行的，这由条纹的倾角所决定，考虑到图像本身即图像处理过程中可能产生的误差，可规定两个条纹倾角的差值小于15度即可被认为是平行，即

|θi-θj|≤π/18

(2)相对位置判定：

相对位置判定为，如果第j个条纹的中点落在了垂直于第i个条纹两端点的平行线之内，那么就认为符合条件。在实际操作中，可将条纹j的中点，以及条纹i的两端点转化为垂直于条纹主轴的直线在y轴上的截距b_j和b_1，2，只有当b_j值在两截距之间时才符合判定条件。

注意，以上所指的条纹中点和端点均由所拟合椭圆的中点和主轴端点近似。

已经认定条纹i和条纹j是平行的，但这是近似的，为方便计算，可重新规定两倾角的平均值为他们新的倾角，即

θ＝(θi+θj)/2

垂直于条纹i两端点和j条纹中点的直线在y轴上的截距b为

b_1，2，j＝y_1，2，j+x_1，2，jctgθ

(y_1，2，x_1，2)即为两端点坐标。那么判定条件为

b_j∈[b₁，b₂] (b₁＜b₂)

(3)间距判定：

石墨晶体层间距理论值为0.335nm，由于焦炭类石墨微晶的不完整性，可把条件稍微放大。条纹i和条纹j的间距d应为(用拟合椭圆主轴近似)：

d＝|(x_i-x_j)sinθ-(y_i-y_j)cosθ|

那么其应该符合的条件是

0.3≤d≤0.5(nm)

归并程序的流程图如图2所示，将条纹j按照图中的顺序依次与条纹i进行比较判定，凡符合的才进入下一项判定，不符合则取条纹j+1重新与条纹i进行比较判定；只有当所有三项判定均满足条件时才进行归并，当所有除条纹i以外的条纹与条纹i比较过之后，得出条纹i所在的条纹组；除去条纹i所在条纹组条纹，对剩下的条纹重复上面的步骤，直至所有条纹组成形。

使用该归并程序对柳林煤焦样处理后的结果如下，其中：数字为图1中对条纹的标号，大括号表示一个条纹组，平均面积为尚未换算的条纹平均长度。

1条纹组：

平均面积：0.0376417

平均层间距：0

{2}{9}{11}{12}{15}{17}{18}{19}{22}{23}{24}{25}{34}{36}{38}

{50}{56}{62}{64}{68}{71}{76}{80}{81}{90}{91}{93}{95}{96}{102}

{131}{132}{133}{135}{136}{139}{148}{149}{150}{151}{152}{153}{154}{156}

{159}{161}{162}{166}{173}{176}{186}{193}{194}{196}{199}{201}{202}{204}

{209}{220}{223}{225}{227}{228}{232}{234}{236}{238}{240}{242}{246}{249}

{256}{257}{267}{276}{277}{282}{284}{286}{291}{297}{302}{307}{315}{316}

{317}{319}{328}{333}{337}{340}{342}{349}{364}{366}{370}{371}{375}{378}

{383}{384}{386}{387}{389}{390}{393}{394}{395}{396}{404}{405}{411}{413}

{414}{421}{423}{425}{426}{429}{430}{444}{445}{446}{448}{450}{451}{453}

{456}{460}{463}{464}{466}{469}{470}{471}{472}{473}{474}{476}{480}{483}

{484}{485}{488}{489}{490}{491}{493}{498}{502}{503}{511}{514}{515}{524}

{527}{531}{536}{537}{541}{542}{547}{550}{552}{557}{563}{564}{578}{584}

{590}{598}{599}{601}{602}{603}{606}{610}{612}{613}{614}{616}

2条纹组：

平均面积：0.0426665

平均层间距：0.353806

{121}{3 4}{7 8}{10 29}{13 26}{16 28}{20 30}{37 46}{39 65}{40 41}

{42 54}{49 85}{55 66}{57 86}{94 99}{101 109}{111 115}{114 128}{122 124}{158 172}

{160 178}{174 175}{187 195}{203 216}{206 208}{207 213}{230 243}{233 254}{237 241}

{244 266}{250 264}{273 279}{280 304}{288 294}{295 303}{336 338}{339 353}{344 365}

{348 350}{363 369}{367 377}{374 376}{380 392}{381 398}{382 385}{388 397}{399 403}

{401 402}{407 436}{409 412}{410 505}{415 433}{418 432}{419 435}{420 428}{447 449}

{452 459}{462 465}{467 496}{468 478}{475 479}{477 482}{481 494}{497 500}{507 508}

{532 545}{534 540}{538 543}{539 548}{549 553}{560 567}{575 579}{588 607}{600 609}

{604 611}

3条纹组：

平均面积：0.0336128

平均层间距：0.35249

{56 14}{31 32 61}{33 45 58}{43 48 59}{73 79 83}

{89 98 134}{92 103 104}{106 116 108}{141 142 145}{155 182 192}

{179 214 217}{185 188 190}{197 200 210}{221 263 268}{245 251 260}

{265 287 301}{300 312 306}{323 326 329}{327 335 330}{352 357 356}

{400 408 406}{416 422 417}{434 443 438}{455 461 458}{486 487 495}{518 519 533}

4条纹组：

平均面积：0.0413083

平均层间距：0.347765

{53 69 74 72}{84 107 100 117}{120 123 130 129}{157 164 163 184}{226 231 262 258}

{248 255 269 271}{259 281 292 293}{270 274 275 299}{310 314 332 345}{509 528 529 525}

{510 516 523 520}{546 551 569 565}{558 570 568 562}{576 585 596 597}{587 589 591 615}

5条纹组：

平均面积：0.0457506

平均层间距：0.353894

{51 60 70 75 78}{110 118 126 119 127}{112 146 147 165 168}{137 167 177 171 222}

{181 191 205 183 189}{215 239 247 253 235}{252 261 272 283 290}{289 296 311 324 347}

{325 341 359 360 334}{354 362 379 361 368}{431 441 442 440 454 }

6条纹组：

平均面积：0.0412656

平均层间距：0.35329

{198 212 219 224 211 218}{391 424 427 437 439 457}{544 574 577 580 595 559}

{554 572 586 608 605 593}

7条纹组：

平均面积：0.0430458

平均层间距：0.348209

{27 52 63 47 35 44 67}{113 125 143 144 169 180 170}{492 504 501 522 530 526 535}

{556 561 582 581 592 583 594}

9条纹组：

平均面积：0.0434536

平均层间距：0.351276

{77 82 88 97 87 105 121 140 138}{320 322 343 346 358 351 355 372 373}

10条纹组：

平均面积：0.0502449

平均层间距：0.341322

{278 321 331 318 313 308 305 298 309 285}{499 512 517 513 521 555 566 573 506 571}

4.计算上述每个条纹组各自占到该图所有条纹的比率，可以是数量比率或面积比率，从而得到条纹组的分布状况。

以上的实施例只是为了更好的说明本发明要求保护的方法，并非是对本发明的保护范围加以限定。在不脱离本发明宗旨的前提下，对上面实施方式进行各种改变都是可行的。

Claims

1.一种从焦炭的高分辨透射电镜图像定量分析焦炭微晶单元的方法，其特征是包括下面的步骤：

(1)对图中的每个条纹进行识别编号，并测量计算每个条纹各项参数，包括条纹长度、条纹中心坐标和条纹倾角；

(3)计算每个条纹组内所有条纹的平均长度、所有条纹层间距之和和所有条纹的平均层间距；

2.根据权利要求1所述的定量分析焦炭微晶单元的方法，其特征是平行度判定是指后一条纹和前一条纹的倾角之差小于15°。

3.根据权利要求1所述的定量分析焦炭微晶单元的方法，其特征是相对位置判定是指后一条纹的中点落在了垂直于前一条纹两端点的平行线所包含的区域内。

4.根据权利要求1所述的定量分析焦炭微晶单元的方法，其特征是间距判定是指后一条纹到前一条纹的垂直距离不大于0.5nm且不小于0.3nm。

5.根据权利要求1所述的定量分析焦炭微晶单元的方法，其特征是每个条纹组占到该图所有条纹的比率为数量比率或面积比率。