一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法技术

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。该发明专利技术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。此外可将本发明专利技术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。

A quantitative evaluation method for fiber orientation of short fiber reinforced composites

The present invention discloses a quantitative evaluation method of fiber orientation degree of short fiber reinforced composite. The process is as follows: the dip sample table takes two different observation angles of the composite material section microphotograph, matches the same name image point of the same fiber contour point in the two microphotographs, and calculates the 3D coordinates of the contour point. All fiber profile points are cylindrical, and fiber orientation angle and azimuth angle are determined by the parameters of cylindrical axis, and the degree of fiber orientation along specific direction is calculated. The invention avoids the man-machine interaction redrawing the fiber cross section in the micrographic image of the composite material section, at the same time simplifies the sample preparation process and the microscopic image processing, and avoids the artificial error of drawing the fiber section. In addition, the method can be used to direct the measurement of fiber orientation on the cross section of composites after testing the mechanical properties of composite materials, and the relationship between the mechanical properties of composite materials and the orientation of fiber can be directly investigated.

【技术实现步骤摘要】
一种短纤维增强复合材料纤维取向程度定量评估方法
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。
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。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“DentonDL,MunsonSH.UseofX-radiographictracerstomeasurefiberorientationinshortfibercomposites[A].In:WilsonD.W.HighModulusFiberCompositesinGroundTransportationandHighVolumeApplications[C].Philadelphia:ASTMInternational,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“DavidsonNC,ClarkeAR,ArchenholdG.Large-area,high-resolutionimageanalysisofcompositematerials[J].JournalofMicroscopy,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。中国专利技术专利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“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。
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，本专利技术提出的方法还具有成本低廉、适用性强的优点。另外本文档来自技高网...

【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；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：

【技术特征摘要】
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；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...

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