一种复合材料填充颗粒取向度定量评估方法及系统

1.本发明属于复合材料检测技术领域，更具体地，涉及一种复合材料填充颗粒取向度定量评估方法及系统。


背景技术：

2.复合材料由高分子基体和填料颗粒组成，由于高分子基体优异的机械性能、电绝缘性、化学稳定性、耐热性、耐寒性、抗震性等，常被用于电学、光学、热学、机械学、生物化学、食品科学等领域。然而为实现复合材料在特殊领域的应用，需要利用填料颗粒增强复合材料某些性能。例如，由于其较低的导热系数，在热领域容易导致热量聚集从而造成系统可靠性问题。为解决热问题，学术界与工业界常通过添加导热颗粒来提升复合材料导热性能。在机械领域，需要利用纤维来增强复合材料在某一方向的力学性能。对于各向异性填料颗粒而言，其在复合材料中的取向会显著影响对复合材料热性能或机械性能的提升效果，学者们常采用磁场、电场、流场等方式控制填料颗粒在复合材料中的取向，因此填料颗粒的取向程度以及整体取向角度对复合材料热性能与机械性能至关重要，高效、定量化的复合材料填充颗粒取向度定量评估方法可为填料颗粒在复合材料中的设计与调控提供依据。
3.目前常用的取向度测量方法包括广角x射线衍射法、小角x射线衍射法、光学双折射法、红外二向色性法、超声波横波法、显微三维重建法等。然而光学双折射法、红外二向色性法常用于聚合物取向度测量，由于填料颗粒对光信号的吸收，并不适用于复合材料填料颗粒取向度测量；超声波横波法通过超声横波在取向方法与非取向方法传播速度差异来检测，常用于聚合物取向度与纤维取向测量，往往需要特殊的测量仪器；显微三维重建法通过不同角度复合材料断面显微图重建填充颗粒三维坐标，然而该方法需要在不同观察角度显微图中识别同一颗粒，获取不同观察角度相同位置显微图难度较大，且不适用于填充颗粒结构复杂，填充浓度较高的复合材料整体取向评估；广角x射线衍射法与小角x射线衍射法要求填料颗粒具有高度结晶且基体为非结晶的，难以定量评估填料颗粒取向且结果并不直观。
4.因此亟需一种过程简单、不受基体与填料晶体结构影响、适用于填充颗粒结构复杂、无需特殊测量仪器、定量化的复合材料填充颗粒取向度定量评估方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复合材料填充颗粒取向度定量评估方法及系统，其目的在于，简化取向度评估过程，避免填料颗粒晶体结构的影响，实现高效、高精度的取向度定量评估。
6.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种复合材料填充颗粒取向度定量评估方法，包括如下步骤：
7.s1、获取待测复合材料截面显微图，并将其转化为灰度图；
8.s2、以某一角度放置灰度图，对其进行处理，得到二值化图像；
9.s3、依次遍历二值化图像中的所有像素块，求得图像纵向连续度ssv和图像横向连续度ssh，进而得到竖直取向度ori，具体包括：
10.s31、令图像纵向连续度ssv和图像横向连续度ssh的初始值为0；定义遍历到的像素块为第j个像素块，其初始值为1；
11.s32、对第j个像素块，
12.如该像素块为黑色，则跳过此像素块；
13.如该像素块为白色，则根据连续度权重函数f(s)求得该像素块的纵向向上连续度sv1、纵向向下连续度sv2、横向向左连续度sh1、横向向右连续度sh2；进而迭代更新ssv＝ssv sv1 sv2，ssh＝ssh sh1 sh2；
14.s33、执行j＝j 1，重复步骤s32，直至二值化图像中的所有像素块遍历完成，得到最终的ssv和ssh，则二值化图像的竖直取向度ori＝(1-ssh/ssv)
×
100％；
15.s4、按预设角度多次旋转灰度图，每旋转一次即重复步骤s2和s3，得到竖直取向度随旋转角度变化的曲线，该曲线中竖直取向度的最大值及其对应的旋转角度即为图像取向度与取向角度。
16.作为进一步优选的，步骤s32中，纵向向上连续度sv1、纵向向下连续度sv2的计算方法如下：
17.(1)令向上遍历个数m和纵向向上连续度sv1的初始值为0；
18.基于像素块向上依次进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令m＝m 1，sv1＝sv1 f(m)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
19.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sv1即为最终的纵向向上连续度；
20.(2)令向下遍历个数n和纵向向下连续度sv2的初始值为0；
21.基于像素块向下依次进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令n＝n 1，sv2＝sv2 f(n)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
22.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sv2即为最终的纵向向下连续度。
23.作为进一步优选的，步骤s32中，横向向左连续度sh1、横向向右连续度sh2的计算方法如下：
24.(1)令向左遍历个数p和横向向左连续度sh1的初始值为0；
25.基于像素块向左依次进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令p＝p 1，sh1＝sh1 f(p)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
26.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sh1即为最终的横向向左连续度；
27.(2)令向右遍历个数q和横向向右连续度sh2的初始值为0；
28.基于像素块向右依次进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令q＝q 1，sh2＝sh2 f(q)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
29.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sh2即为最终的横向向右连续度。
30.作为进一步优选的，连续度权重函数f(s)为关于变量s的一元一次函数，且对于任
意正整数变量s，f(s)均大于0。
31.作为进一步优选的，步骤s2，获取二值化图像，具体包括：
32.s21、对灰度图进行填充颗粒边缘提取，以区分复合材料中填料颗粒与高分子基体，获取边缘提取后图像；
33.s22、对边缘提取后图像进行图像滤波处理，以滤去图像中环境噪点；
34.s23、对滤波处理后图像进行二值化处理，将灰度值大于预设二值化阈值的像素块设定为白色像素块，否则设定为黑色像素块，得到二值化图像，其中白色像素块由填充颗粒边缘产生。
35.作为进一步优选的，利用光学显微镜或扫描电子显微镜获取待测复合材料截面显微图。
36.作为进一步优选的，设定初始时，灰度图角度为0度；旋转图像时，每次旋转1度，共旋转180次。
37.按照本发明的另一方面，提供了一种复合材料填充颗粒取向度定量评估系统，包括处理器，所述处理器用于执行上述复合材料填充颗粒取向度定量评估方法。
38.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
39.1.本发明利用显微图像进行图像处理，将复合材料中的取向信息转化为二值化信息，进而通过对二值化信息的逻辑判断，提取复合材料中填料颗粒的取向信息。本发明将取向信息进行简化，不仅能获取填充颗粒的取向程度，同时也能获取填充颗粒的整体取向角度。
40.2.本发明是基于图像处理的取向评估，利用所获取的二值化图像中包含的信息获取图像中的取向信息，二值化信息由显微图像中填料颗粒与基体之间不同明暗关系获得，因此该方法无需其他复杂设备仪器，且不受填料颗粒晶体结构影响。此外，该方法对二值化信息进行全图处理，针对复杂的填料颗粒信息也有优异的评估效果。
41.3.本发明给出了一种基于二值化图像的取向度计算方法，确定竖直取向度为(1-横向连续度/纵向连续度)
×
100％，则当填充颗粒越倾向于竖直，则纵向连续的白块数量越多，纵向连续度越大，则竖直方向取向度越高。
42.4.本发明仅需要获取复合材料截面的光学显微图像或扫描电子显微图像，而在复合材料的研制中，即便不对填料颗粒取向度进行评估也仍需要获取此类显微图像为复合材料研制提供支撑，该评估方法并不需要额外的显微图像获取。
附图说明
43.图1为本发明实施例复合材料填充颗粒取向度定量评估方法流程图；
44.图2为本发明实施例旋转i角度后竖直方向取向度的计算流程图；
45.图3为本发明实施例任意白色像素块纵向与横向连续度计算示意图；
46.图4为本发明实施例对电镜扫描显微图像处理流程示意图；
47.图5中(a)和(b)为本发明实施例沥青基碳纤维复合材料填料沉积形貌取向度及取向角度求解结果示意图。
具体实施方式
48.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
49.本发明实施例提供的一种复合材料填充颗粒取向度定量评估方法，如图1所示，包括如下步骤：
50.s1、获取待测复合材料截面显微图：利用光学显微镜或扫描电子显微镜获取待测复合材料截面显微图，可清晰观察到复合材料内部的填料颗粒与高分子基体，并将显微图转化为灰度图像，像素块灰度值为0-255。
51.s2、对截面显微图灰度图进行处理，得到二值化图像，如图4所示，具体包括：
52.s21、填充颗粒边缘提取：对截面显微图灰度图像进行填充颗粒边缘提取，区分填料颗粒与所述复合材料的高分子基体，获取边缘提取后图像。
53.s22、图像滤波处理：对所述边缘提取后图形进行图像滤波处理，滤去图像中环境噪点，获取图像滤波处理后图像。
54.进一步，图像滤波处理方法包括但不限于采用巴特沃斯低通滤波、fir低通滤波、移动平均滤波、中值滤波、维纳滤波、自适应滤波、小波滤波。
55.s23、图像二值化处理：设定二值化阈值，对所述滤波处理后图像进行二值化处理，将灰度值大于二值化阈值的像素块设定为白色像素块，否则将像素块设定为黑色像素块，从而获取仅包含白色与黑色像素块的二值化图像；其中，黑白像素块根据不同位置的明暗关系产生，白色像素块由填充颗粒边缘产生。
56.具体的，二值化阈值介于0-255之间，根据实际情况具体设定，使白色像素块数量合适且连续。
57.s3、根据二值化图像中信息进行竖直取向度评估，即依次遍历二值化图像中的所有像素块(可按照先横向后纵向的顺序进行遍历)，求得图像纵向连续度ssv和图像横向连续度ssh，进而得到竖直取向度ori，如图2和图3所示，具体包括：
58.s31、对所述二值化图像定义其图像纵向连续度ssv与图像横向连续度ssh，并将其值初始化为0；定义遍历到的像素块为第j个像素块，并将其初始化为1；
59.s32、对遍历到的第j个像素块，先判断其颜色：
60.如第j个像素块为黑色，则跳过此步骤；
61.如第j个像素块为白色，则定义该像素块为基块，并对基块进行单个像素块的纵向和横向连续度计算，具体包括：
62.(1)定义向上遍历个数为m并初始化其值为0，单个像素块纵向向上连续度为sv1并初始化其值为0；
63.对所述基块向上进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令m＝m 1，sv1＝sv1 f(m)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
64.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sv1即为最终的纵向向上连续度。
65.(2)定义向下遍历个数为n并初始化其值为0，单个像素块纵向向下连续度为sv2并
初始化其值为0；
66.基于像素块向下依次进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令n＝n 1，sv2＝sv2 f(n)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
67.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sv2即为最终的纵向向下连续度。
68.(3)执行ssv＝ssv sv1 sv2。
69.(4)令向左遍历个数p和横向向左连续度sh1的初始值为0；
70.基于像素块向左依次进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令p＝p 1，sh1＝sh1 f(p)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
71.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sh1即为最终的横向向左连续度；
72.(5)令向右遍历个数q和横向向右连续度sh2的初始值为0；
73.基于像素块向右依次进行遍历，判断下一像素块颜色：如下一像素块为白色，则令q＝q 1，sh2＝sh2 f(q)，如下一像素块为黑色，则停止遍历；
74.当遍历的像素块到达图像边缘时，停止遍历；停止遍历时的sh2即为最终的横向向右连续度。
75.(6)执行ssh＝ssh sh1 sh2。
76.具体的，sv1、sv2、sh1、sh2即分别为基于基块纵向向上、纵向向下、横向向左、横向向右的连续度，m、n、p、q分别为纵向向上、纵向向下、横向向左、横向向右的连续的白块数量：
[0077][0078][0079][0080][0081]
进而图像纵向连续度ssv和图像横向连续度ssh为：
[0082][0083][0084]
进一步的，上述过程中的f(m)、f(n)、f(p)、f(q)均为连续度权重函数f(s)，该权重函数能够扩大单个像素块具有不同连续数量的白块时单个像素块连续度的差异度，使得连续白块数量越多，连续度值越大；且对于任意正整数变量s，f(s)均大于0。更进一步的，连续度权重函数为形如f(s)＝a bs的一元一次函数。
[0085]
s33、执行j＝j 1，判断j是否大于二值化图像像素块数量，若否，则重复步骤s32；若是，则二值化图像中所有像素块遍历完成，得到最终的ssv和ssh，二值化图像的竖直取向
度ori＝(1-ssh/ssv)
×
100％；也可以表示为：
[0086][0087]
s4、按预设角度多次旋转截面显微图灰度图，每旋转一次即重复步骤s2和s3，获取当前角度下的竖直取向度；从而得到竖直取向度随旋转角度变化的曲线，该曲线中竖直取向度的最大值及其对应的旋转角度分别为显微图像的图像取向度与取向角度。
[0088]
优选的，旋转图像时，每次旋转1度，共旋转180次。
[0089]
以下为具体实施例：
[0090]
对沥青基碳纤维复合材料填料沉积形貌取向度及取向角度评估，设定二值化阈值为50，连续度权重函数f(x)＝2.8 0.052x；图像初始角度为0度，旋转图像时，每次旋转1度，共旋转180次。评估结果如图5所示，得到沥青基碳纤维取向度为88.79％，取向角度为141
°
。
[0091]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。