復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)方法的比較研究_圖文

1、第l期2009年3月纖維復(fù)合材料FmER Co呼DSll強(qiáng)No.129M.2009復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)方法的比較研究劉井紅1,一,吳曉青2,郭啟微2(1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院理化生系,內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000(2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300160摘要針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件中孔隙率測(cè)量的問題,采用了基于顯微鏡照相法的四種圖像處理方法即PInt艚h叩、II越薩惴、眥和Vi舳alc對(duì)同一圖片中孔隙率的確定進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明,使用Phot0幽叩計(jì)算孔隙率是一種適合于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料孔隙率測(cè)量的方法。關(guān)鍵詞孔隙率;顯微鏡照相;圖像處理C伽I陽rison0fP0砌協(xié)l地e

2、cti蚰Metllod 0f n嗆C佃哪DsitesuUJingIl伽一”,WUqiI曾,GIJo Qiw(1.Ord0B V枷oIlal cbuege,Depa血?jiǎng)h0fScie嗽and岫aIld蛔,0山017000,h哪岫,Qli旭(2.1(er山啪tory 0f Ad恤ced%鹽C叫驢08ite 0f MiIli郵0f EdI刪帆,刪in P0l】艦llI赴嘶ver哪,弧肌jirI 300160,aliIlaABSTRAcTbasedtllefnicr0|蚋h tlIe鯽七面c眥opiciIllage.h啪si|I-dicated tht面llg tIle PtK柵hopto礎(chǔ)ulate

3、tIle即偽it,r抽tlle咖lpk i8a觚table啪thodh鋤IeiI柵捌伽呻.睫M從RDs Void唧蛔吐;脅c哩珥燈;I衄|ge蚰alysiB1引言復(fù)合材料的性能與其孔隙率有著密切的關(guān)系,通?？紫堵试礁?抗疲勞能力越低,對(duì)水的滲透和大氣的作用越敏感。孔隙的存在不僅對(duì)層間剪切強(qiáng)度有顯著影響,而且也影響材料的抗壓強(qiáng)度和橫向彎曲強(qiáng)度【l-7l。Gloi賦惻研究了孔隙對(duì)力學(xué)性能的影響,指出孔隙含量每增加1%,彎曲和層間強(qiáng)度降低10%,其中彎曲模量下降5%左右?？紫逗看笥?%時(shí),裂紋起始被證明是復(fù)雜的。H雌r等舊J指出,對(duì)于As4/3502石墨/環(huán)氧復(fù)合材料,孔隙含量從l%增加到5%.初

4、始的吸濕速率增加至280%,平衡氣體濃度增加50%。因此,對(duì)復(fù)合材料中孔隙率的檢測(cè)是判斷制件質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)和途徑。依據(jù)現(xiàn)行的顯微鏡法測(cè)纖維增強(qiáng)塑料孔隙含量的標(biāo)準(zhǔn)M3365一1982的不足是,需要在顯微鏡照片上覆蓋透明方格紙或透明毫米紙來計(jì)算試樣中的孔隙率,透明方格紙的方格面積需要事先進(jìn)行人工標(biāo)定,其過程繁瑣。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道,孔隙率的檢測(cè)多數(shù)采用金相顯微鏡照相并利用與之配套的圖像分析系基金項(xiàng)目:天津市自然科學(xué)重點(diǎn)基金赍助項(xiàng)目(憾Jc皿怩24銣統(tǒng)來確定1ol。隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展,運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件,操作者可根據(jù)需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格或?qū)紫哆M(jìn)行邊緣檢測(cè),便捷地解決了由于人工標(biāo)定網(wǎng)格而帶來的問題

5、。本實(shí)驗(yàn)對(duì)Photoshop、hm薩酬、M砒lab和VisualC四種圖像處理軟件中孔隙率的計(jì)算進(jìn)行了比較研究。為了便于比較,本實(shí)驗(yàn)中分別采用各圖像處理軟件對(duì)同一圖片中孔隙率進(jìn)行了計(jì)算。2實(shí)驗(yàn)部分將R聊復(fù)合材料制件的橫截面用由粗到細(xì)砂紙進(jìn)行打磨,最后進(jìn)行拋光處理,然后放在OnM.PUSB(51金相顯微鏡下觀察拍照。3結(jié)果與討論3.1傳統(tǒng)方法依據(jù)傳統(tǒng)的顯微鏡照相法孔隙率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),在放大10倍顯微鏡照片上覆蓋透明方格紙或透明毫米紙,記下落在孔隙上的格子數(shù),并以1/4格為最小單位,大于l/4格的記作1/2格,大于l/2格的記作3/4格,大于3/4格的記作l格,則孔隙總面積與顯微照片面積之比即為試樣孔

6、隙含量。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),纖維復(fù)合材料2009年計(jì)算所得孔隙率為3.06%。3.2Photoshop在圖像處理軟件Photoshop中利用其“顯示網(wǎng)格”功能替代透明方格紙或透明毫米紙,如圖1,“網(wǎng)格線間隔”和“子網(wǎng)格”可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。按照顯微鏡照相法的原理,覆蓋在孔隙上的方格面積與顯微照片面積之比即為試樣的孔隙含量,測(cè)得孔隙率為3.06%。圖lP|loI(,BIl叩計(jì)算孔隙率 圖2I刪學(xué)M計(jì)算孔隙率I咖幫l圖像處理與分析軟件目前主要應(yīng)用于生物領(lǐng)域的各種電泳膠圖的分析,在本實(shí)驗(yàn)中利用該軟件中“面積”功能,沿著孔隙的輪廓拖動(dòng)鼠標(biāo),最后被線圈封閉的即為孔隙面積,如圖2,結(jié)果在“Results”窗口里自

7、動(dòng)顯示。同理,運(yùn)用面積功能求得整張圖的面積,結(jié)果在“Results”窗口里自動(dòng)顯示,兩者的比值即為孔隙率。用該方法求得孔隙率為3.06%。3.4Matlab為了便于說明,將孔隙進(jìn)行局部放大,如圖3(a所示。利用自編的Matlab程序(詳見附錄先將原圖進(jìn)行灰度化處理,如圖3(b,在此基礎(chǔ)上對(duì)圖形進(jìn)行二值化處理,并計(jì)算圖形中白色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù),從而得出黑色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)占原圖的百分比,即為所求孔隙率,如圖4(a。此時(shí)孔隙率為3.05%,閾值為0.25。在計(jì)算過程中由于所選擇的閾值不同,從黑色像素點(diǎn)的范圍可以看出,二值化處理后的圖形與原始圖像相比有不同程度的放大或縮小。例如當(dāng)閾值為0.3時(shí),孔隙率為3.

8、28%,如圖4(b;當(dāng)閾值為O.2時(shí),孔隙率為2.96%,如圖4(c。(a原始圖像灰度化處理圖3Matlab計(jì)算孔隙率 闕值=0.3(c嗣值=0.2圖4不同閾值的處理結(jié)果3.5Visual C利用該方法需要先用Vis砌C中的邊緣檢測(cè)算法如k算子、Kirsch算子等對(duì)孔隙進(jìn)行邊緣檢測(cè),在此基礎(chǔ)上用如上所述的Matlab程序進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)中選用Kirsch算子對(duì)圖4中的孔隙進(jìn)行邊緣檢測(cè)的結(jié)果如圖6所示,當(dāng)與3.3中的方法選擇相同l期劉井紅等:復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)方法的比較研究3l的閾值時(shí),得到的結(jié)果有很大的差異。當(dāng)閾值為0.25時(shí),直接用呲程序計(jì)算得到的孔隙率為3.06%,而先進(jìn)行邊緣檢測(cè)再用Ma

9、tlab程序計(jì)算得(I原始圖像灰度化處理圖5vi靴alC邊緣檢測(cè)(I嗣值=0.25附錄呲邊緣檢測(cè)程序:P=酬(圖名.bmp;m,n=size(P;到的孑L隙率為2.85%,如圖6(a;當(dāng)閾值為0.3時(shí),孔隙率為3.睨%,如圖6(b,此時(shí),接近上面得到的結(jié)果;當(dāng)閾值為0.35時(shí),孔隙率為3.籠%,如圖6(c。4結(jié)語基于顯微鏡照相法的原理,使用不同計(jì)算方法對(duì)同一圖片中孔隙率的確定進(jìn)行了比較,其中,使用Plotoslop計(jì)算孔隙率是一種較為簡單和適用的方法。hnage酬方法由于需要拖動(dòng)鼠標(biāo)封閉孔隙部分,適用于形狀較規(guī)則的孔隙,Matlab和Vistlal C需要先對(duì)孔隙進(jìn)行邊緣檢測(cè),且閾值的確定需要

10、通過一系列的對(duì)比才能得出。徹嗣值=0.3(c周值=o.35圖6不同閾值的處理結(jié)果曬(4,iIn出ow(聊hm啪(BW;%白色所占的比例參考文獻(xiàn)I=iIllread(圖名(y1J出.B御;69e(1;ir婦(I;i珊而te(啦刪(I,圖名.bmp;%將彩色圖片灰度化并保存Ps=Igb2刪(I;%灰度化后的數(shù)據(jù)存人數(shù)組丘gure(2,irnshow(Ps%顯示灰度化后的圖像,也是均衡化前的樣品丘gu陀N026de(灰度化后的圖像m,n=size(Ps;%測(cè)量圖像尺寸參數(shù)GP=嬲墻(1,256;%預(yù)創(chuàng)建存放灰度出現(xiàn)概率的向量h k=O:2鉻GP(k+1=k119Ill(6lld(Ps=k/(m*n;

11、%計(jì)算每級(jí)灰度出現(xiàn)的概率,將其存入GP中相應(yīng)位置e耐丘孚肥(3,b缸O:255,GP,g%繪制直方圖6毋鵬N03tnle(原圖像直方圖x砒d(灰度值vlabd(出現(xiàn)概率%X,I砸p=卿2iIld(1;BW=im2bw(Ps,0.4;1L山啊h M,Pi柵M.Hh鈣m融al,11把伽瞄d佩dB iIl l跗五-Ilm酷m日de塒tIl朔c咖塒酬伽,n優(yōu)稅血驂d llle20tl赫I商伽IaI SA加PE EPe叫彘Mm,嘶8,1999.2AbraI啪D,McUI珥掣R,hr嘣訓(xùn)硼iIIIo謝汕刪訕0f bqIIid叫ecti冊(cè)lo aclIie"n叫l(wèi)din鏟WimmirIiI刪啪刪c

12、olll砷8ndf血wH 砌,螄岫陸A:App蹦鼬撇and血nIriIlg,1998,29(56:533539.3陳平。陳輝.孔隙率對(duì)纖維復(fù)合材料電學(xué)性能和力學(xué)性能的影響J.纖維復(fù)合材料,199l,8(2:15一19.vdds。ld lT啪I-Iical蘆opemJ.J眥rIlBl0f c柚po日ik M吐eriaIB。1987,2l(5:42l一440.5Gnrdal z,1hmsim AP,留啪sB.E肪cIs d pl_n耐119iIxh圮ed def確lalTIitlate帕畔:i11ld硼五1w t詘如lglh【J.副u咀,E J酬,1991.27(4:3949.【6JIldd N側(cè)

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14、維增強(qiáng)塑料孔隙含量檢驗(yàn)方法(顯徽鏡 法s.19救. 復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)方法的比較研究作者:劉井紅, 吳曉青, 郭啟微, LIU Jinghong, WU Xiaoqing, GUO Qiwei作者單位:劉井紅,LIU Jinghong(鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院理化生系,內(nèi)蒙古,鄂爾多斯,017000;天津工業(yè)大學(xué),先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300160, 吳曉青,郭啟微,WU Xiaoqing,GUOQiwei(天津工業(yè)大學(xué),先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300160刊名:纖維復(fù)合材料英文刊名:FIBER COMPOSITES年,卷(期:2009,26(1引用次數(shù):0次參考文獻(xiàn)

15、(11條1.Labordus M.Pieters M.Hoebergen A The causes of voids in laminates made with vacuum injection 19992.Abraham D.Mcllhagger R Investigations into various methods of liquid injection to achieve mouldings with minimum void contents and full wet out 1998(5-64.Tang JM.Lee WI.Springer GS Effects of cur

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