一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法技术

本发明专利技术公开了一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法，该方法基于骨架分段组合实现，包括以下步骤：分离出短纤维增强复合材料试样中的纤维并随机分散到载玻片上，采集分散在载玻片上纤维的显微图像并传入计算机，对显微图像进行图像分割和细化处理，对获得的表示纤维形状的骨架按交叉点打断为骨架段后重新分组，每个分组中所有骨架段对应同一根纤维，对各分组进行直线拟合，得到表示纤维长度的线段，最终根据显微图像标尺将纤维的像素长度转化为真实测量值并进行统计。本发明专利技术是一种较准确的光学图像测量法，可提升测量效率，降低工作强度。

A quantitative evaluation method for fiber length distribution of short fiber reinforced composites

The present invention discloses a method for quantitative evaluation of fiber length distribution of short fiber reinforced composites. The method is based on a framework piecewise combination, including the following steps: separating the fibers in the sample of short fiber reinforced composite material and randomly dispersing the fiber onto the slide plate, collecting the microscopic images of the fibers dispersed on the slides and afferenting it. In the computer, the image is segmented and refined, and the skeleton of the fiber shape is broken into the skeleton section at the intersection point. All the skeleton segments in each group correspond to the same fiber, and the lines are fitted straight to each group, and the length of the fiber length is obtained. Finally, the microscopic image is based on the microscopic image. The ruler transforms the pixel length of the fiber into the real measured value and carries out the statistics. The invention is a more accurate optical image measurement method, which can improve the measuring efficiency and reduce the work intensity.

【技术实现步骤摘要】
一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法
本专利技术涉及短纤维增强复合材料评估
，具体涉及一种基于骨架分段组合的短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法。
技术介绍
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。由于复合材料成型过程中纤维与纤维之间、纤维与基体之间、纤维与成型装置之间存在复杂的交互作用，一些纤维受到较大外力作用而发生断裂，因此纤维增强复合材料或制品中纤维长短不一，存在一个长度分布，其中只有超过临界长度的纤维才能充分发挥增强作用。材料研究人员利用理论模型解释和预测复合材料力学性能时，需要由依据经验建立的纤维长度分布模型来描述材料内部纤维长度的分布，因此研究结果易受制于模型建立及相关经验的准确性和合理性。所以短纤维增强复合材料纤维长度分布的定量评估，可用于验证关于纤维长度分布的经验和理论模型，促进复合材料力学性能和纤维长度间关系的研究，为复合材料的力学性能预测及评估提供基础数据，从而缩短研究人员全面认识材料的过程并加快新材料的研制与开发周期。可见，定量评估短纤维增强复合材料纤维长度分布具有重要意义。文献“FuSY,LaukeB,E,etal.Tensilepropertiesofshort-glass-fiber-andshort-carbon-fiber-reinforcedpolypropylenecomposites[J].CompositesPartAAppliedScience&Manufacturing,2000,31(10):1117-1125”将显微镜采集的纤维分散图像传输至计算机，然后在显微镜配套图像处理软件中用鼠标在纤维分散图像上交互选取各根纤维的端点，获得纤维的像素长度并根据图像比例尺转化为实际长度，从而计算纤维长度及其分布。上述方法简单、易行，是目前定量评估纤维增强复合材料纤维长度分布的常规方法。但待测量的纤维的数量一般在数百根以上，用鼠标逐一在纤维分散图像上手工标记各根纤维的端点，操作繁复、工作强度大，同时难以保证过程中不会引入人工误差。此外，文献“ShenH,NuttS,HullD.Directobservationandmeasurementoffiberarchitectureinshortfiber-polymercompositefoamthroughmicro-CTimaging[J].CompositesScience&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长度分布的方法，该方法通过对复合材料一系列连续二维图像的计算机处理和分析，直接重现复合材料内部纤维的三维结构，除了避免了繁复手工标记纤维端点外，理论上也能获得更高精度的测量结果。但该方法的进一步应用仍受严重制约，除设备昂贵外，更主要的是CT系统存在空间分辨率和成像焦深相矛盾的问题。例如现有MicroCT系统能对厚达数毫米的样品成像，但其空间分辨率一般在微米量级；现有NanoCT系统将空间分辨率提升至十纳米的层次，然而仅能对厚度最大为几十微米的样品成像。而碳纤维、玻璃纤维长径比非常大，一般直径在几至十几微米，长度则一般为数百微米至数毫米，因此应用CT三维重建技术难以准确获得足够数量的纤维的长度分布。此外，CT系统基于不同物质对X射线吸收程度不同来成像。因此CT三维重建技术也不适用于基体和纤维原子密度接近的复合材料，如碳纤维增强聚合物基复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法。本专利技术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长度分布定量评估方法，所述的评估方法基于骨架分段组合实现，包括以下步骤：S1、从短纤维增强复合材料试样中分离纤维，将纤维随机分散到载玻片上；S2、使用显微镜采集分散在载玻片上纤维的图像，并将其传入计算机；S3、对纤维分散图像进行图像分割，获得表示纤维像素的二值图像，并将所述的二值图像进行图像细化处理，获得表示纤维形状的骨架；S4、将纤维骨架按分叉点打断为骨架段，对各骨架段进行直线拟合；S5、根据拟合直线将所有骨架段重新分组，每个分组中全部骨架段对应同一根纤维，并对各分组进行直线拟合，得各根纤维所在直线；S6、由纤维所在直线和二值图像获得的表示纤维长度的线段，根据纤维分散图像上的标尺将所述的线段的像素长度转化为纤维长度真实测量值，对所有纤维长度进行统计。进一步地，所述的步骤S1中从短纤维增强复合材料试样中分离纤维的方法包括溶剂溶解基体和烧尽基体的方式。进一步地，所述的步骤S1中将纤维随机分散到载玻片上过程如下：随机倾倒部分纤维于载玻片上；将少量无水乙醇滴在载玻片上；来回倾转载玻片，使纤维大致分散；将载玻片放置于阴凉处，待无水乙醇自然挥发。进一步地，所述的步骤S4中纤维骨架的分叉点的判断基于如下规则：若骨架点的8邻域内，即周围8个像素点内存在多于2个骨架点，则判定为分叉点。进一步地，所述的步骤S5中骨架段进行分组的规则为：两个骨架段分别拟合为直线，若拟合直线斜率之差的绝对值小于预设阈值T1，并且其中一个骨架段重心到另一骨架段拟合直线的距离小于预设阈值T2，同时两者重心间距离小于预设阈值T3时，将这两个骨架段分为同一组，其中，所述的阈值T1大小为tan4°至tan6°，所述的阈值T2大小为纤维直径的0.6倍至0.8倍，所述的阈值T3大小为最长纤维长度.进一步地，所述的步骤S5中骨架段进行分组的规则还包括：长度小于预设阈值T4的骨架段并不参与分组，所述的阈值T4大小为纤维直径的3倍。进一步地，所述的步骤S6中表示纤维长度的线段的获取过程如下：仅保留二值图像中位于纤维所在直线上的像素，这些像素构成若干线段；所述的若干线段中，选取中点与纤维骨架段分组总体重心位置最接近的一个线段，用以表示纤维长度。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术通过对纤维分散图像的计算机处理和分析，实现了纤维长度的自动化、大规模测量，避免了在纤维分散图像上逐一人机交互选取纤维端点，极大提高了工作效率、降低工作强度的同时，避免了人工操作引入的误差。此外，本专利技术提出的方法还具有成本低廉、适用性强的优点。若将本专利技术应用于短纤维增强复合材料微观结构定量研究，可缩短研究人员全面认识材料的过程并加快新材料的研制与开发周期，促进复合材料力学性能和纤维长度间关系的研究，对复合材料的发展具有十分积极的作用。附图说明图1是采集的纤维分散图；图2是纤维分散图像的二值图；图3是表示纤维形状的单像素的骨架示意图；图4是纤维骨架分叉点示意图；图5是三根交叉纤维的骨架及分叉点示意图；图6是按分叉点将三根交叉纤维的骨架打断为若干骨架段示意图；图7是在二值图像绘制得到的单根纤维对应直线示意图；图8是单根纤维对应直线经过二值图像时形成的线段形状的若干连通区域示意图；图9是真正表示纤维长度的连通区域示意图；图10是根据纤维长度测量结果重新绘制的线段示意图；图11是手工方法测量的纤维长度的统计分布图；图12是利用本专利技术方法测量的纤维长度的统计分布图。具体实施方式为使本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法，其特征在于，所述的评估方法基于骨架分段组合实现，包括以下步骤：S1、从短纤维增强复合材料试样中分离纤维，将纤维随机分散到载玻片上；S2、使用显微镜采集分散在载玻片上纤维的图像，并将其传入计算机；S3、对纤维分散图像进行图像分割，获得表示纤维像素的二值图像，并将所述的二值图像进行图像细化处理，获得表示纤维形状的骨架；S4、将纤维骨架按分叉点打断为骨架段，对各骨架段进行直线拟合；S5、根据拟合直线将所有骨架段重新分组，每个分组中全部骨架段对应同一根纤维，并对各分组进行直线拟合，得各根纤维所在直线；S6、由纤维所在直线和二值图像获得的表示纤维长度的线段，根据纤维分散图像上的标尺将所述的线段的像素长度转化为纤维长度真实测量值，对所有纤维长度进行统计。

【技术特征摘要】
1.一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法，其特征在于，所述的评估方法基于骨架分段组合实现，包括以下步骤：S1、从短纤维增强复合材料试样中分离纤维，将纤维随机分散到载玻片上；S2、使用显微镜采集分散在载玻片上纤维的图像，并将其传入计算机；S3、对纤维分散图像进行图像分割，获得表示纤维像素的二值图像，并将所述的二值图像进行图像细化处理，获得表示纤维形状的骨架；S4、将纤维骨架按分叉点打断为骨架段，对各骨架段进行直线拟合；S5、根据拟合直线将所有骨架段重新分组，每个分组中全部骨架段对应同一根纤维，并对各分组进行直线拟合，得各根纤维所在直线；S6、由纤维所在直线和二值图像获得的表示纤维长度的线段，根据纤维分散图像上的标尺将所述的线段的像素长度转化为纤维长度真实测量值，对所有纤维长度进行统计。2.根据权利要求1所述的一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法，其特征在于，所述的步骤S1中从短纤维增强复合材料试样中分离纤维的方法包括溶剂溶解基体和烧尽基体的方式。3.根据权利要求1所述的一种短纤维增强复合材料纤维长度分布定量评估方法，其特征在于，所述的步骤S1中将纤维随机分散到载玻片上过程如下：随机倾倒部分纤维于载玻片上；将少量无水乙醇滴在载玻片上；来回倾转载玻片，使纤维大致分散；将载玻片放置于阴凉处，待无水乙醇自然挥发。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏武，张蒙，梁行，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44