通过数码显微技术对复合管进行微观结构分析

　　通过数码显微技术对复合管进行微观结构分析微观结构表征是开发材料、理解和塑造其性能的关键步骤。对于像纤维增强复合材料这样的非均匀材料，微观结构对工程性能的影响更加重要，要完全理解复合材料的性能，需要确定几个微观结构参数，如钢筋的体积分数、尺寸、取向和钢筋的空间分布。

　　尽管是一种有用的分析工具，传统的微观结构分析方法，但不能提供完整性、速度和彻底表征复合部件的整个截面所需的统计精度。诸如纤维的形状、方向、空间分布等参数并不容易得到，而且分析通常局限于少量的对象。此外，数据的收集和分析可能需要几个小时，因此半岛体育官方网站，更容易出现操作员的错误。

　　电子和计算机的发展将微拷贝和数字图像分析领域结合到所谓的数字显微镜。的确，显微镜已经成为完全软件控制，数字图像采集已经成为司空见惯，和图像分析软件稳步提高。这为改进、更快、更准确的材料表征方法提供了机会，特别是纤维增强复合材料。

　　本工作中使用的试样是由长丝缠绕制造的玻璃纤维增强/聚酯基体复合管加工而成，用于污水和水的运输。该管道的公称直径为200毫米。一种乙烯基酯树脂被用作基质。将管道切割成四个象限，并沿周向进行分析。样品的表面是按照通常的切割、研磨和抛光程序制备的，从碳化硅砂砾到氧化铝粉末。只要有可能，就使用低速锯子进行切割操作，以避免对玻璃纤维的过度损坏。

　　样品通过扫描电子显微镜观察，使用后向散射模式的图像形成。疯牛病不是二次电子成像，因为疯牛病信号的强度是样品上元素原子量的函数。

　　因此，聚合物基体与玻璃纤维之间得到了很好的对比。此外，图像不显示地形信息，这在图像处理步骤中是有益的，因为从样品制备的残余伪影是模糊的，为了表征试管的微观结构与纤维的分布有关，以及它们的空间取向，我们希望获得结合高倍率和大面积分析的图像。

　　这些必要条件不能由单个图像来满足。因此，有必要用相同的放大倍数捕获多个图像，并将它们连接在一起生成一个马赛克图像。

　　在本研究中，结合4个x方向和7个y方向的28个图像生成镶嵌图像。这一过程允许一个完整的横截面可视化，清楚地揭示了纤维层的空间分布，并允许测量整个样品的特征，这一事实本身，是对传统的复合材料微观结构表征的一个很大的改进，即单一的图像通常从不同的横截面的位置拍摄。在这种过程中，纤维分布的完整性消失了，这是分析复合材料等非相材料时的相关信息。

　　在组装镶嵌图像时，通常会发现单个瓷砖图像之间的亮度变化。尽管这个问题可以通过控制扫描电镜中的电子束电流来缓解，但由于图像数字化系统中的充电或模拟数字转换的差异，仍可能出现差异。

　　此过程保证所有贴图图像中的所有背景像素都具有相同的值。然后将这些图像组装起来，以便无法检测到单个字段之间的边界。其中我们可以沿着管壁的厚度观察到整个横截面。我们还可以注意到，在纤维和树脂基体之间形成了鲜明的对比。

　　第二个必要的预处理步骤是降噪，这是疯牛病模式下获得的SEM图像。这里以马赛克的单一瓷砖进行分析，为了更好地可视化，噪声在聚合物背景和纤维中清晰可见，噪声滤波的结果就是所谓的西格玛滤波器。

　　低通滤波器通过对一组相邻像素的强度进行平均，并用平均值替换邻域的中心像素来降低噪声。然而，这个操作也模糊了图像，降低了边缘的锐度，西格玛滤波器会自动排除与邻域的平均值相差太大的平均像素强度。因此，当在光纤内或在背景中，相对均匀的噪声区域，噪声降低。

　　当在边缘区域进行操作时，两侧的像素有非常不同的亮度，并保持不变，避免了模糊，然后根据图像直方图的最小值，通过自动阈值程序分割光纤像素，是分割步骤后的马赛克图像，确实显示了对纤维和树脂基质的良好识别。

　　虽然在分割步骤后得到了清晰的纤维定义，但为了纠正两个常见的缺陷，需要进行后处理步骤，即(I)纤维内部由于残留噪声或抛光缺陷，存在伪暗像素；被错误检测为单一大物体的触摸纤维，在这里可以观察到这两个缺陷。

　　为了消除纤维内的暗像素，我们采用以下步骤： (一)将原始图像倒置，将缺陷显示为小的白色物体；（二）按大小消除这些小物体，定义像素阈值，在图像下抑制对象，（III）图像倒置，将纤维再次转化为白色物体，图5(d).应该注意的是，传统的填孔在这种情况下不起作用。

　　如图4所示，纤维层可分为两组，即： (I)层纤维缠绕在近0处，因此几乎呈圆形，为了消除纤维内部缺陷的图像处理序列，采取了纤维呈高角度缠绕，呈椭球体分布的方式，因此，第一步是将这些层分离成各自的组。这是通过同时应用两个几何准则来实现的。

　　而上文中提到的抛光物质，一种物体伸长的度量，由最小和最大的物体投影之间的比率得到，因此，与复合材料的截面成高角度的纤维，以椭圆形物体的形式出现。

　　圆形形状因子：圆形形状因子（脑脊液）除以面积除以周长的平方，并归一化，使完美圆具有脑脊液，任何其他形状都将有脑脊液。边界不规则的纤维的周长较长，因此将具有脑脊液，会在使用脑脊液 0.75的对象选择时，具有相对“良好”轮廓的圆形纤维。

　　而在实验中，初阶段结果显示了通过上述两个标准的纤维，并且显示了互补的结果，只显示了具有细长纤维的层，然而，一些去除层的纤维仍然存在，需要进一步的处理。

　　为了能够进一步探究显微技术对复合管道的修复作用，采取了通过上述两个标准的纤维，并且显示了互补的结果，只显示了具有细长纤维的层，然而，一些去除层的纤维仍然存在，需要进一步的处理。

　　而纤维虽然不容易识别，但属于两层，缠绕角不同，实验中的插图显示了一个放大区域，可以看到不同缠绕角度的纤维。图像中的每根光纤都需要AR 0.80，即允许分离其中一层作为反应基底，将这组操作应用于实验中观察到的每个对象，从而识别出了每一层，随后使用了相同的一般程序，使用细长纤维，使其能够得出更稳固的理论依据，从而对后续实验提供帮助。

　　有些纤维不包括在任何一层中。这是由不同的检测问题集引起的。在图像边缘的纤维或严重损坏的纤维被形状滤波程序消除。不规则的纤维也被排除在第9层内的两个区域之外，其中在材料中存在空隙和拉出。在缠绕角较高的层中，接触纤维之间的分离并不总是成功的，这是由于分水岭算法在处理非常细长和椭圆的物体时的限制。

　　由于热膨胀系数与温度和材料的组织结构有关，因此对于不同的材料，其热膨胀系数是不相同的。为了精确地测量出不同材料之间的热膨胀系数，就需要使用差动式热膨胀系数测量装置来进行测量。

　　所谓差动式热膨胀系数测量装置是指在试样两端加上一定大小的负荷，当试件在负荷作用下发生相对位移时，将使试样两端产生位移差，由此而确定出试样两端的温度差。

　　具体来说就是：将试样两端分别接上温度计，然后对两端温度计进行测量。如果温度计示值与试样实际测得的温度值一致，说明该试样的热膨胀系数是一个常数；如果温度计示值与试样实际测得的温度值不一致，则说明该试样的热膨胀系数不是一个常数。

　　因此，对于不同材料之间的热膨胀系数的测量，在使用差动式热膨胀系数测量装置时，必须要在试样的两端分别施加不同大小的负荷。通常情况下，试样两端所施加的负荷不能过大，否则会使温度计示值与试样实际测得的温度值不一致半岛体育官方网站。

　　通常情况下，试样的热膨胀系数与试样横截面的尺寸成正比，因此，在使用差动式热膨胀系数测量装置时，要将试样横截面的尺寸确定下来。

　　由于材料的热膨胀系数与其组织结构有一定的关系，因此，为了精确地测量出材料的热膨胀系数，就需要对试样横截面进行微观分析。

　　当试样两端的负荷都很小时，可以将试样在两个不同位置上平行放置，然后通过温度计对两端进行测量。如果温度计测量结果与试样实际测得的温度值一致，说明试样的热膨胀系数是一个常数；如果温度计测量结果与试样实际测得的温度值不一致，则说明试样的热膨胀系数不是一个常数。

　　为了能够精确地测量出不同材料之间的热膨胀系数，可以使用电子显微镜对不同材料之间的热膨胀系数进行测量，由于电子显微镜能够观察到试样表面和内部不同区域的微观结构，因此在利用电子显微镜对不同材料之间的热膨胀系数进行测量时，可以采用电子显微镜来观察表面形貌。

　　使用覆盖纤维增强复合材料整个截面的镶嵌图像是揭示完整的微观结构排列的基础，显示树脂基体中的纤维空间分布的基础，所开发的方法能够区分和识别复合管制造过程中每个单独的椎板伤口，图像处理和分析程序开发来测量纤维的大小和形状，允许确定每个识别层的平均绕角。

　　实际的层板堆叠序列的识别方法可用于监测与制造设计的堆叠序列的偏差，允许在制造程序中进行修正，从而减少超标产品。

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　　3.达尔梅达：通过数字显微镜测量复合材料中的空隙含量和分布，《复合材料杂志》，第43期半岛体育官方网站， 101- 112页，2009年。

　　5..伯彻·兰特约尔：流域在轮廓检测中的应用，《图像处理、实时边缘和运动检测/估计国际研讨会论文集》，1979年。