建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，包括如下步骤：1）对橡胶基复合材料进行切片；2）对橡胶基复合材料的切面拍摄扫描电子显微镜照片，得到橡胶基复合材料的切片图像；3）对橡胶基复合材料的切片图像进行锐化、边缘化处理并得到短纤维截面的椭圆形轮廓或圆形轮廓或四边形轮廓；4）由上述切面上短纤维截面判定短纤维在基体中的空间取向；5）对由得到的众多短纤维的直径和空间取向进行统计分析，获得短纤维的直径和空间取向的分布规律。6）根据纤维直径和取向的分布规律，编制计算机程序，建立复合材料三维代表体积单元。有益效果：采用的设备投入少，并且效果良好。

【技术实现步骤摘要】
建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法和装置
：本专利技术涉及密封
，尤其涉及一种建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法和装置。
技术介绍
：短纤维增强橡胶基密封材料的研发是目前国内外研究的热点问题。目前研究短纤维复合材料的方法主要有理论、实验和计算机模拟三类。理论方法在研究单根短纤维增强复合材料中的应力传递时发挥很大作用。但是当研究尺度扩大到多根纤维时，问题的复杂性迅速升高，理论方法很难适用。实验方法能够得到准确的数据，但是目前绝大部分复合材料实验方法还是停留在宏观性能测试上，并不能揭示细观尺度组分之间的相互作用机理。随着计算机技术的发展，计算机模拟方法成为研究短纤维复合材料宏观性能与细观结构联系的一个有效方法。为了节省计算资源，目前普遍采用代表性体积单元模型，即用一个周期性的局部计算模型代替整体模型。要得到准确的计算机模拟结果，需要建立能够最大限度反映材料细观结构的代表性体积单元。这就需要所建立的代表性体积单元能够包含真实的纤维直径、长度、长径比、纤维空间取向等细观结构信息。其中纤维的直径、长度、长径比已经能够采用较为成熟的方法进行测试表征。短纤维复合材料的性能受短纤维空间取向的影响很大。短纤维取向的变化对复合材料的内部应力传递、弹性模量以及应力-应变关系有显著影响。准确高效地测定短纤维的取向，建立准确的代表性体积单元，对于预测短纤维复合材料的力学性能、优化复合材料的制备工艺有着极其重要的意义。目前测试复合材料中纤维空间取向的方法分为直接测试法和间接测试法。直接测试法一般使用先进仪器，比如电子计算机断层扫描仪直接测试纤维在基体中的分布，进而通过统计或者图像识别得到纤维的空间取向。但是直接测试方法成本非常高，同时对空间图像的统计处理和识别难得较大。另外一种直接测试法是使用模流软件模拟预测复合材料中的短纤维分布，但是这种方法一般只适用于注塑成形工艺，而大部分纤维增强密封复合材料使用模压或者压延工艺生产，并不适用这种方法。间接测试法又包括切面法和各向异性测试法。各向异性测试法通过测试材料的声、光、电、磁等性能的各向异性，得到一个取向系数来反应纤维的空间取向。但是这种方法只能得到一个综合的系数、并不能反映每根纤维的取向。传统的切面法在复合材料上加工一个切面，然后统计切面上纤维椭圆截面的的长径比，根据长径比计算得到纤维轴向与切面法线的夹角。传统方法并没有考虑纤维在切面内的取向。同时传统方法一般采用光学显微镜拍摄切面图片。由于光学显微镜放大倍数有极限、并且在高倍数下图像的辨识度较差，所以成像的精确度不高。
技术实现思路
：本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于高精度短纤维空间取向识别装置和计算机自动处理程序的三维代表性体积单元建立方法，以得到更接近真实材料的短纤维复合材料三维代表性体积单元。具体由以下技术方案实现：所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，包括如下步骤：1）对橡胶基复合材料进行切片；2）对橡胶基复合材料的切面拍摄扫描电子显微镜照片，得到橡胶基复合材料的切片图像；3）对橡胶基复合材料的切片图像进行锐化、边缘化处理并得到短纤维截面的椭圆形轮廓或圆形轮廓或四边形轮廓；4）由上述切面上短纤维截面判定短纤维在基体中的空间取向；5）对由得到的众多短纤维的直径和空间取向进行统计分析，获得短纤维的直径和空间取向的分布规律；6）根据纤维直径和取向的分布规律，编制计算机程序，建立复合材料三维代表体积单元。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤3）中短纤维截面的椭圆轮廓的短轴长度设定为纤维的直径。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤3）中当短纤维截面为圆形时，则判定短纤维垂直于切切面；当短纤维截面为四边形时，则判定短纤维平行于切切面；当短纤维截面为椭圆形时，短纤维轴向与切面法向之间的角度通过椭圆长轴与椭圆短轴的比值确定，纤维在切面内的取向由纤维椭圆截面长轴方向确定。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤3）中当短纤维截面为不完整的椭圆时，通过如下步骤得到纤维取向信息：3-1）对同一橡胶基复合材料进行两次切片并拍摄SEM照片，得到两个相邻切的第一切面与第二切面；3-2）对所述两个切面的图像进行互相关分析，识别为同一根纤维后，得到完整的短纤维截面，并从该截面上得到纤维取向信息。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤3-2）中先从第一切面的图像中确定搜索区域的大小，接着直接在第二幅图像中对应的搜索区域中寻找最匹配的对象，得到同一根纤维在第二幅图像上的椭圆截面。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤6）中采用球坐标系定义短纤维的空间取向，具体包括如下步骤：6-1）根据设定尺寸生成长方体基体模型，建立平行于立方体三条棱边的笛卡尔坐标系；6-2）在长方体基体范围内随机产生纤维中心点位置，并在此随机中心点位置放置平行于坐标方向的标准纤维；6-3）根据实验得到的纤维直径和空间取向的分布概率函数，修改纤维直径和空间取向；6-4）判断加入纤维与已有纤维是否干涉，如果干涉，计数器x加1；判断计数器x的数值是否大于m，m为一个设定值，如果x不大于m，则返回步骤（6-3），重新调整纤维直径和空间取向；如果x大于m，计数器x清零，返回步骤（6-2），重新产生纤维中心点的坐标；如果不干涉，计数器x清零，接受所加入的纤维，并判断纤维的体积分数是否达到设定值，如果达到，则退出程序，如果没有，返回步骤（6-2）继续进行。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤6-4）中判断加入纤维与已有纤维是否干涉包括如下步骤：a）提取所有纤维的中心线段，所述纤维的中心线段为圆柱形纤维的无限长对称轴被纤维两端面所截取的部分；b）如果加入纤维中心线段与任何已有纤维中心线段之间最小距离均大于所涉及的两根纤维的半径之和，那么判定加入纤维与已有纤维不干涉，否则判定加入纤维与已有纤维为干涉。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤1）中对橡胶基复合材料进行切片处理时，环境温度控制在-175℃-125℃。所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的进一步设计在于，所述步骤1）中进行切片操作时中先选择较大的初始切割量，并逐步减小切割量。采用所述建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的装置，该装置包括深冷转轮切片机、环境扫描电子显微镜、计算机工作站，其特征在于所述深冷转轮切片机对短纤维进行切片操作形成纤维截面，扫描电子显微镜对纤维截面进行拍摄扫描，并将采集的图像信息输入至计算机工作站中进行处理与识别，得到短纤维的空间取向参数，所述环境扫描电子显微镜包含带有巡航功能的样品台，用于一次拍摄同一切面不同区域照片。本专利技术的有益效果：（1）采用直接测试法测试短纤维的空间取向需要花费昂贵的设备成本。而本专利技术采用的设备投入少，并且效果良好。（2）采用的电子显微镜包含带有巡航功能的样品台，可一次拍摄同一切面不同区域照片，显著提高了测试效率。采用二次电子成像扫描电子显微镜，成像精度更高。采用图像分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于包括如下步骤：1）对橡胶基复合材料进行切片；2）对橡胶基复合材料的切面拍摄扫描电子显微镜照片，得到橡胶基复合材料的切片图像；3）对橡胶基复合材料的切片图像进行锐化、边缘化处理并得到短纤维截面的椭圆形轮廓或圆形轮廓或四边形轮廓；4）由上述切面上短纤维截面判定短纤维在基体中的空间取向；5）对由得到的众多短纤维的直径和空间取向进行统计分析，获得短纤维的直径和空间取向的分布规律；6）根据纤维直径和取向的分布规律，编制计算机程序，建立复合材料三维代表体积单元。

【技术特征摘要】
1.一种建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于包括如下步骤：1）对橡胶基复合材料进行切片；2）对橡胶基复合材料的切面拍摄扫描电子显微镜照片，得到橡胶基复合材料的切片图像；3）对橡胶基复合材料的切片图像进行锐化、边缘化处理并得到短纤维截面的椭圆形轮廓或圆形轮廓或四边形轮廓；4）由上述切面上短纤维截面判定短纤维在基体中的空间取向；5）对由得到的众多短纤维的直径和空间取向进行统计分析，获得短纤维的直径和空间取向的分布规律；6）根据纤维直径和取向的分布规律，编制计算机程序，建立复合材料三维代表体积单元。2.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于，所述步骤3）中短纤维截面的椭圆轮廓的短轴长度设定为纤维的直径。3.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于，所述步骤3）中当短纤维截面为圆形时，则判定短纤维垂直于切切面；当短纤维截面为四边形时，则判定短纤维平行于切切面；当短纤维截面为椭圆形时，短纤维轴向与切面法向之间的角度通过椭圆长轴与椭圆短轴的比值确定，纤维在切面内的取向由纤维椭圆截面长轴方向确定。4.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤3）中当短纤维截面为不完整的椭圆时，通过如下步骤得到纤维取向信息：3-1）对同一橡胶基复合材料进行两次切片并拍摄SEM照片，得到两个相邻切的第一切面与第二切面；3-2）对所述两个切面的图像进行互相关分析，识别为同一根纤维后，得到完整的短纤维截面，并从该截面上得到纤维取向信息。5.根据权利要求4所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤3-2）中先从第一切面的图像中确定搜索区域的大小，接着直接在第二幅图像中对应的搜索区域中寻找最匹配的对象，得到同一根纤维在第二幅图像上的椭圆截面。6.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤6）中采用球坐标系定义短纤维的空间取向，具体包括如下步骤：6-1）根据设定尺寸生成...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾伯勤，陈立立，周剑锋，邵春雷，陈晔，孙开俊，朱大胜，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32