孔隙形貌的三维重建

孔隙形貌的三维重建人们美于”合材料中孔隙形獭构的大部分认钮多基F金相鬼片的观察I墉而传统金相观察得到的扎隙址图像井不能完全代表孔隙的二维结物*所有的关于孔原三维结构啊无何学和形态学啊信息不能从二雎囹像推断得到，当迎察被限于独立随机的二维金相截面时,这些信息就会丢失”本草基于金相法获得的连续切片对ORP中孔隙三维形貌进行了重建，直接观察二维图像，W成更加准痛地把握轧隙真安的三维形貌，对于建立模型及•模拟计算有重要指辱意义。41连续切片的黄处理在获取连续切片时、一廓会通过打显赏硬度的方式在梯品上做标记，由「对该样品打硬度有能会造明材料啊破辉，因此并未酒过打俄度曲方式做标记,在拍摄照片时视新中没有固定不变的参照物.每次拍摄腰片的位置以属样品放置的伟度都会有所不同，所以狭得的连续切汁在1S行二维重建之前首先要进行预地理，即通过M每层仍片平移及旋转-使所有切埼对齐B由于本文研究的样品中的纤罐单向排列.随着磨削量的增加，可认为纤雄的位置基本不发生偏移，孔隙也只是轮廓发生变化，在进行对齐时十以第一层切升为基腐.第—层切片■设置为半透明.通过现禁衡层切片的混叠效果来判断两屋切片是否时齐，未遂行对齐时曲混色敏果如图4.1口）所示「叫以明显看出两局切片混叠后得到的效果比较模棚，说明两提切片之间的重合度较差，涓要通过图像的平移和旋转提高两屈切片之间的重合度，姓过调整k当两层切片的混叠效果较为清晰时「如图4】曲所示,叩可认为两层切片已基本对齐.按上述方法将所有切村均■（故调整后，就完成了切片的预处理，预处理可以五大简化后续工作，5］于孔隙的位置基本没有蜜化，方便对某--孔隙进行追踪，提倡工作效率的同时也能获得较好的重建结果，因此获得连纹切片后首先要完成此岁驿口1^4.1位置调吏前（时和埔亶后（挣和邹牌张切片的濯理茂果Fig.4.1Alia^edresults&frwoadjacentsection.^befbrefa]sndsIkr^b)pwsifiwiadjustmenl4.2孔隙三维形貌表面重建过程预处理完成后即可进行孔隙三维形貌重建.本文捧品中花雕数最较多-数垂量较大,重建方法选择表面裾建.其基本蒲程珈图42所示，首先府重建耳标在缺层切片上的轮廓进行圈定，轮廓的细致程度会影响三噂蜜建结果的质量・因此在圈定时应尽量便轮摩绶包含的点数较多.为了将孔隙加以区分，需要对孔随避行编号.编号不能重复，且各屋切片中的孔隙轮廓嫌均以其所属孔踉的编号命名r这样可以保证在重建肘，孔踱轮廓不会岫其它孔隙的轮廊迩核，避免重建时发生混EU扎隙艳廓圈定完家后.需要没定切片间陷由于光学显獭法荻鞋的数据较为粗糙'每层去除的厚度从十儿至K百微米不等，程化范围较大，利用表面至建法可以对切片同距谖行设定，这也是选择表面更建法来重建1L隙三维形猫的一个原因*尧成上述步骤力后即可进行孔晾表面形貌的瓯建，轮阍逐接的算法为Boissonnit提出的D曲ua町三倍化羿法,出核靠祛重建得到的表面由三务形检成.每个三角形都有一条边在孔曜的抡廊线上'该尊怯生成的是伸枳最大的固伸,不存在苛点，且对分叉孔隙三维形貌重建救果骚好瞬L孑L隙轮扉标记设定轮廓间距改建孔隙形貌图4.2孔隙表面圣世的步骤Fig.4.2Howofvoidsurfacerender4.3始果与分析4.3.1三雄重建培果与分析期4.3为14号区域仇隙三维形貌的重建结果，对该三维图像进行观察时可以任意调整弥度，拉远和缩近距离.孔隙及基体的颜色和透明度也可进行调整，能灵活方便地从不同方位对孔隙的形态与分布特征进行观察和分析，其它区域孔隙三维形貌的重建结果她附录A。将基体设为半透明进行观察，5个区域的孔隙有共同的形貌特征，孔隙沿若纤维方向尺寸教大.呈根须状沿着纾绯方向延伸，已有研究认为单向CFRP中的孔隙为雪茄烟状［徇，本文样品中孔隙沿着纤维方向的尺寸比琪期的大出许多，孔隙的分布有明显的层次性，主要分布在纤维铺层的层间界面上。孔隙的这种形貌特征主要受成型工艺影响，在成型过程中，纤维是一层层铀好的.铺层间容易残留空气无法排出.加压时孔隙在垂直于纤维的方向受到阻力较大.难以扩展，而沿着纤谁方向受阻力较小，因此大部分孔隙沿看纤锥方向尺寸校大.三维形貌较二锥形貌多出一锥，为方便描述，对孔隙的尺寸进行重新定义，孔隙沿看纤维方向的尺寸为孔隙长度A孔隙二维截面上垂直于极厚方向的最大横向尺寸为孔隙宽度w,孔隙二维截面上平行于板厚方向的最大纵向尺寸定为孤隙高度如由三维图像可以测最出孔隙的三维尺寸，但过程较为繁琐，此处并未对孔隙的尺寸进行统计。

圈4314号区我孔隙的二维形貌Fig.4,33Dmorphologyofvoidsinregion14由于孔隙的数量较多，三维显示时会相&遮孟，视觉上略显杂乱，在成像时可以只对某一个或者某几个孔隙进行成像，以便于观察和分析。在5个区域中大多数孔隙的宽度在300岫以下，少数孔隙介于300、500nm之闾，只有4号区域中存在一个宽度极大的孔隙.如图4.4(d)所示，孔隙的宽度长达1mm；孔隙的长度一般校大，5个区域中都存在长度较大的孔隙.如图4.4所示，有些孔隙甚至贯穿连续切片始终，这意味看，在本文的单向CFRP中.孔隙沿着纤维方向的尺寸可以超过3.6mni,这其中有些孔隙的宽度和高度都比较小，如图4.4(b)r孔隙的宽度和高度都小于50pm,孔隙的长度与宽度相差悬殊，氏度约为宽度的70倍，L隙的形貌也较为复杂，存在孔隙分乂现象，如图4.4(a)和(d)所示。

圈4.4垂建结果中长度较大的扎隙Fig.4.4-SomevoidsinthercconstTuclionresults在观察中可以发现，重建结果中孔隙的端面均为平面，如图4.5所示°这是由于在获取连续切片时，每层去除的厚度相对较大，临近孔隙端部时，孔隙i股是突然出现或者突然消失的，没有渐变的过程,得到的连续切片中几乎没有孔隙两端详细的形貌信息,图4.5重建结果中孔隰端郎形貌Fig.4.5Themorphologyofvoidendinreconstructionresult因此重建结果中孔隙均没有端部形貌，孔隙沿者纤维方向的尺寸变化范围也较大，有些孔隙可以贯穿整个区域，但同时也有些孔隙只在一层切片中出现，前后切片都没有孔隙轮廓，这说明这些孔隙沿着纤维方向的尺寸较小，这类孔隙在本文中并未进行三维形貌重建。要得到孔隙端部详细的形貌以及长度较小孔隙的三维形貌，就要减少每次磨削去除的厚度，这不仅需要较为先进的髀样设备.同时还需要更加精密的尺寸测量工具，即使可以保证每层去除较小的厚度，但样品中存在很多孔隙沿着纤维方向的尺寸校大，要得到这些孔隙的三维形貌则需要大量的切片，这将使连续切片获取及后续数据处理的工作量大大增加。上述矛盾为目前该方法的主要问题。4.3.2孔隙形貌与分布对超声衰减的影响对孔隙率与超声衰减系教建立关系，结果如图4.6所示，可以看出随孔隙率增大，超声衰减系数并不是单调递增的。这说明超声衰减不仅由孔隙率决定，还受孔原的形貌和分布影响。在分析孔隙形貌对超声衰减的影响时.一般若重分析孔隙在垂直于超声传播方向上的尺寸，在本文中也就是孔隙的长度，和宽度w。4号区域孔隙率最大.孔隙率为3.04%,但衰减系数却小于10号区域，而10号区域的孔隙率却只有•2.60%,比较两个区域孔隙的三锥形貌与分布，可以发现，4号区域中存在一个尺寸极大的孔隙，孔隙的长度、宽度、高度都较大，将近占总孔隙率的40%,但同时也存在教为空荡的区域,着这些区域孔隙分布较为稀疏。10号区域虽然不存在4号区域中那样的大孔•但中等孔隙数鼠较多，在整个区域分布上也较为均匀密集，密集分布的孔隙之间间距较小.其共同作用会增加散射衰减效应，其效果会超过单个大孔所造成的散射衰减，这些因素的综合作用使得孔隙率较小的10号区域衰减系数却大「孔隙率较大的4号区域。4," ,4Q- .1B-.10-K ■|2.S-丑 ■€io■1.5-«1.0-Q5・QQ _I_ _I_■_'_-_'_■—gM 1.3m M图4.6衰减系数一孔隙率散点图

Fig.4.6Relationshipbetweenattentioncoefficientandporosity12号区域与2号区域孔隙率较为接近，分别为1.08%和1,17%,但是超声衰减系数却相差较大，分析孔隙形貌可以发现，2号区域存在个别大孔较多■，如图4.7所示，这类孔隙虽然在切片一雄图像上的载面枳按小，对孔隙率的贞献较小，但孔隙的长度及宽度都较大，在垂直于超声传播方向的平面上的投影而积较大.会明显增大散射衰袱作用,同时孔隙的分布类似于T0号区域，整个区域的分布较为密集，使得孔隙率相差不大的两个区域衰减系数却相差较大。因此超声衰减系数不仅仅是由孔隙翠决定的.孔隙形貌和分布对超声散射衰减也有较人的影响，密集排布的孔隙会大人增加散射衰诚作用。图4.72号区域个别人孔及孔隙的分布Fig..4.7Specialvoidsandthedistributionofvoidsinregion24.3.3三维随机孔隙模型与重建结果比较通过观察该祥命几个区域的三维重建结果，虽然还未对孔隙的孔隙尺寸进行统计.但对孔隙的三维形貌特征进行了初步的了解，在此基础之上,尝试性地针对该样品建立三维RVM.自相关函数仍选择高斯型，模型显示区域大小为4x3.6xl.6mm,自相关长度2>=180岫，c=4jun»孔隙率P=3%,结果如图4.8所示，由于三