液态物质在材料表面驻留特性的获取方法及装置与流程

本公开涉及材料技术领域，尤其涉及一种液态物质在材料表面驻留特性的获取方法及装置。

背景技术

复合材料由于其良好的力学特性和抗高温性能，被广泛地应用于航天航空、核能等领域。在航空高超声速飞行器结构材料中，飞行器外表承受的气动热随着飞行器速度的增加而增大。在超高声速飞行的情况下，飞行器表面的结构材料由于被气动烧蚀会发生氧化。通常，为了模拟飞行器高空超高速飞行环境，采用高温风洞对飞行器结构材料的耐高温性能进行测试。在烧蚀过程中，材料表面会有新物质的生成。以c/sic、sic等材料为例，材料表面在烧蚀过程中会伴随着气态co和液态sio2等物质的生成。一方面，生成的液态sio2能够封填材料表面的孔隙和裂纹等缺陷；另一方面，由于氧气在液态sio2中的扩散速率非常低，因此液态sio2能够很好地起到隔绝氧气和基体的接触，降低氧化烧蚀反应的速率。然而，实际烧蚀过程中由于高速气流的冲刷作用，生成的液态sio2会在很短的时间内会被冲刷离开材料表面，减弱液态sio2的氧气隔绝作用。

对材料表面进行合理的微结构设计有可能降低液态物质在材料表面的流动冲刷速率，从而使其驻留在材料表面，起到保护材料基体的作用。但是由于材料表面微结构种类较多且参数各异，难以统一表征材料表面微结构对液态物质在其表面驻留特性的影响，故一种探究液态物质在材料表面的驻留特性的措施有待被提出。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提出了一种液态物质在材料表面驻留特性的获取方法及装置，用以解决相关技术中难以表征液态物质在材料表面的驻留特性的问题。

根据本公开的第一个方面，体用了一种液态物质在材料表面驻留特性的获取方法，包括：获取第一试件在被烧蚀过程中所述第一试件表面的多个图像；从所述多个图像中获取所述第一试件表面驻留的液滴量随烧蚀时间呈现的变化特征，得到液态物质在所述第一试件表面的驻留特性，其中，所述驻留特性表示第一试件被烧蚀过程中产生的液态物质驻留在第一试件表面的量随烧蚀时间的变化。

可选地，所述从所述多个图像中获取所述第一试件表面驻留的液滴量随烧蚀时间呈现的变化特征，包括：获取所述第一试件表面驻留的液滴覆盖所述第一试件的面积占所述第一试件表面积的比例随所述烧蚀时间的变化量。

可选地，所述方法还包括：在试件被烧蚀过程中以蓝光为入射光源照射到所述第一试件表面。

可选地，所述获取所述第一试件表面的图像，包括：获取通过滤波片过滤后的所述第一试件表面的图像，所述滤波片用于过滤所述第一试件在氧化过程中产生的辐射光。

可选地，所述方法还包括：获取至少两种具有不同表面微结构的试件对应的所述驻留特性；根据所述至少两种试件对应的所述驻留特性确定试件的表面微结构参数与所述驻留特性之间的关系；基于所述关系，根据第二试件的表面微结构参数对所述第二试件的所述驻留特性进行评估。

可选地，所述方法还包括：所述第一试件以及所述第二试件为c/sic复合材料。

根据本公开的第二个方面，提供了一种液态物质在材料表面驻留特性的获取装置，包括：第一获取模块，用于获取第一试件在被烧蚀过程中所述第一试件表面的多个图像；第二获取模块，用于从所述多个图像中获取所述第一试件表面驻留的液滴量随烧蚀时间呈现的变化特征，得到液态物质在所述第一试件表面的驻留特性，其中，所述驻留特性表示第一试件被烧蚀过程中产生的液态物质驻留在第一试件表面的量随烧蚀时间的变化。

可选地，所述第二获取模块用于：获取所述第一试件表面驻留的液滴覆盖所述第一试件的面积占所述第一试件表面积的比例随所述烧蚀时间的变化量。

可选地，所述第一获取模块用于：获取通过滤波片过滤后的所述第一试件表面的图像，所述滤波片用于过滤所述第一试件在氧化过程中产生的辐射光。

可选地，所述装置还包括：第三获取模块，用于获取至少两种具有不同表面微结构的试件对应的所述驻留特性；确定模块，用于根据所述至少两种试件对应的所述驻留特性确定试件的表面微结构参数与所述驻留特性之间的关系；评估模块，用于基于所述关系，根据第二试件的表面微结构参数对所述第二试件的所述驻留特性进行评估。

本公开实施例的液态物质在材料表面驻留特性的获取方法，根据试件在烧蚀过程中获取的图像中呈现出的液滴量的变化特征来表征液态物质在材料表面的驻留特性，能够对液态物质在材料表面的驻留特性予以量化，便于衡量不同材料对应的驻留特性。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种液态物质在材料表面驻留特性的获取方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的试件表面液滴分布示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的液态物质在材料表面驻留特性的获取方法的流程图；

图4是根据一示例性实施例示出的液态物质在材料表面驻留特性的获取装置的框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

实验观测发现，在材料被烧蚀其表面液滴的体积增大的过程中，并非每一个液滴的体积都会增大。事实上，液滴体积增大的原因是“吸收”周围较小体积的液滴。实验中，持续不断的有体积较小的液滴与周围的液滴接触，并很快被体积较大的液滴所融合，最终使得体积较大的液滴的体积进一步增大。显然，液滴的融合以及增大过程对烧蚀过程当中液滴的流动行为会有直接的影响，即液滴体积的增大和液滴的形貌会直接影响液滴在材料表面流场中的流动演化行为。基于这一过程的机制，为进一步对材料表面进行微结构设计进而来调控液滴在试件表面分布的研究提供依据。

基于上述分析，提出了本公开的液体物质在材料表面驻留特性的获取方法。

图1是根据一示例性实施例示出的一种液态物质在材料表面驻留特性的获取方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤101：获取第一试件在被烧蚀过程中其表面的多个图像；

其中，第一试件为某一材料制成的测试试件，本实施例以第一试件为例测试该材料对应的驻留特性。其中，驻留特性用于表示材料被烧蚀的过程中产生的液态物质驻留在材料表面的量随烧蚀时间的变化。

在该步骤101中，在试件被烧蚀的过程中可以以一固定时间间隔周期性的获取试件表面的多个图像。

示例的，可以将试件置于高温风洞中进行烧蚀。

步骤102：从获取到的多个图像中获取第一试件表面驻留的液滴量随烧蚀时间呈现的变化特征，得到液态物质在第一试件表面的驻留特性。其中，驻留特性表示第一试件被烧蚀过程中产生的液态物质驻留在第一试件表面的量随烧蚀时间的变化。

本实施例的液态物质在材料表面驻留特性的获取方法，根据获取的试件在烧蚀过程中的图像中呈现出的液滴量的变化特征来表征液态物质在材料表面的驻留特性，该驻留特性反应了材料在被烧蚀的过程中产生的液态物质驻留在材料表面的变化量，从而将液态物质在材料表面的驻留特性予以量化，便于衡量不同材料对应的驻留特性。

在一种可实现方式中，从多个图像中获取第一试件表面驻留的液滴量随烧蚀时间呈现的变化特征的步骤可以包括：获取第一试件表面驻留的液滴覆盖第一试件的面积占第一试件表面积的比例随烧蚀时间的变化量。示例的，可以利用曲线图来呈现这一变化量，以使得该变化量更加直观。

在一种可实现方式中，试件为固体材料，示例的，为c/sic复合材料，其尺寸例如为，50mm×50mm×10mm。用于对试件进行烧蚀的高温风洞可以采用50mw电弧的高温风洞。c/sic复合材料在被烧蚀过程中，由于发生氧化等一系列化学反应，产生化学组分改变，生成液体的sio2液滴等。利用c/sic材料和sio2液滴对蓝光反射和吸收强度的不同的特点，可以利用蓝光反射法来获取试件被烧蚀过程中氧化生成液滴的图像数据。即，在蓝光的照射下，由于c/sic材料和sio2液滴对蓝光反射和吸收强度的不同，c/sic材料表面和sio2液滴的亮度不同，从而在附着有sio2液滴的c/sic材料表面能够清晰地观测到sio2液滴，可以实时探测试件被烧蚀过程中氧化生成液滴的图像数据。基于该原理，在另一种可实现方式中，液态物质在材料表面驻留特性的获取方法还包括：在试件被烧蚀过程中以蓝光为入射光源照射到第一试件表面，获取到的图像中呈现液滴的分布情况。

在一种可实现方式中，获取第一试件表面的图像的步骤包括：获取通过滤波片过滤后的第一试件表面的图像，其中，该滤波片用于过滤第一试件在氧化过程中产生的辐射光，以确保图像采集装置接收的光完全是由蓝光光源提供的。示例的，可以使用高速相机作为图像采集装置获取第一试件表面的图像。

在另一种实现方式中，液态物质在材料表面驻留特性的获取方法还包括：获取至少两种具有不同表面微结构的试件对应的驻留特性；根据该至少两种试件对应的驻留特性确定试件的表面微结构参数与驻留特性之间的关系；基于该关系，根据第二试件的表面微结构参数对第二试件的驻留特性进行评估。其中，试件的表面微结构参数可以包括材料表面的沟深、沟宽或幅值以及周期等。例如，可以根据试件的表面微结构与驻留特性之间的关系分别获知试件沟深、沟宽与驻留特性之间的相关性，例如沟深与驻留特性之间是正相关或负相关。基于实验测试还可以得到沟深以及沟宽对驻留特性的影响，分别估计二者对应的常数影响因子。进而利用相关性以及常数影响因子得到驻留特性的计算式。得到该计算式之后，在已知材料表面微结构对应的沟宽以及沟深的情况下，即可以评估出材料对应的驻留特性。本公开不限制上述关系的具体形式。示例的，第二试件与上述第一试件可以均为c/sic复合材料。

图2是根据一示例性实施例示出的试件表面液滴分布示意图，该图为针对获取到的多个图像中的一个图像得到的液滴在试件表面的分布示意图，此处仅以该图为例对液滴的统计方法进行说明。其中，21为试件表面，22为表面提取的液滴，23为液滴沿气流方向的分布统计曲线，该曲线通过沿气流方向统计试件表面的液滴量得到，其体现了沿气流方向的液滴量的变化。在试件被烧蚀的过程中，其表面被破坏，会产生凹陷区域，在该凹陷区域更易聚集液滴，故还需统计垂直于试件表面方向的液滴。基于获取到的具有时序的试件表面的多个图像，可以沿气流方向，如图2中箭头所示的方向，以及垂直图2中所示的气流方向(即垂直试件表面方向)两个方向统计试件表面的总液滴量，进而根据总液滴量随烧蚀时间的变化量来确定试件的驻留特性。

图3是根据一示例性实施例示出的液态物质在材料表面驻留特性的获取方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤301：将被测材料试件置于高温风洞中，开启高温风洞对材料试件进行烧蚀。

其中，被测材料试件为上述第一试件的一个示例。

步骤302：在对被测材料试件进行烧蚀的过程中使用蓝光照射被测材料试件，经过蓝光反射法获得被测材料试件的液滴分布原始图像数据；

步骤303：将原始图像数据进行取阈值去背景、快速中值滤波、求灰度梯度及边界提取处理，获得被测材料表面的液滴分布图像，该图像中能够清晰的呈现出液滴在被测材料表面的分布情况；

步骤304：基于被测材料表面的液滴分布图像，沿气流的方向，以及垂直气流的方向统计液滴量；

步骤305：确定统计得到的总液滴量占整个被测材料表面积的比值，根据图像数据的时间序列得到动态的面积比值变化特征，基于该变化特征对被测材料表面微结构对液滴的驻留作用进行分析，以实时在线评估液态物质在具有不同微结构的材料表面的驻留特性。

图4是根据一示例性实施例示出的液态物质在材料表面驻留特性的获取装置的框图，如图4所示，该装置40包括如下组成部分：

第一获取模块41，用于获取第一试件在被烧蚀过程中第一试件表面的多个图像；

第二获取模块42，用于从多个图像中获取第一试件表面驻留的液滴量随烧蚀时间呈现的变化特征，得到液态物质在第一试件表面的驻留特性，其中，所述驻留特性表示第一试件被烧蚀过程中产生的液态物质驻留在第一试件表面的量随烧蚀时间的变化。

在一种实现方式中，上述第二获取模42块用于：获取第一试件表面驻留的液滴覆盖第一试件的面积占第一试件表面积的比例随烧蚀时间的变化量。

在一种实现方式中，第一获取模块用于：获取通过滤波片过滤后的第一试件表面的图像，滤波片用于过滤第一试件在氧化过程中产生的辐射光。

在一种实现方式中，液态物质在材料表面驻留特性的获取装置还包括：第三获取模块，该模块用于获取至少两种具有不同表面微结构的试件对应的驻留特性；确定模块，该模块用于根据至少两种试件对应的驻留特性确定试件的表面微结构参数与驻留特性之间的关系；评估模块，该模块用于基于关系，根据第二试件的表面微结构参数对第二试件的驻留特性进行评估。

本公开实施例的方案，根据获取的试件在烧蚀过程中的图像中呈现出的试件表面的液滴量的变化特征来表征液态物质在材料表面的驻留特性，能够对液态物质在材料表面的驻留特性予以量化，便于衡量不同材料对应的驻留特性。而由于材料表面的不同微结构对液态物质的驻留特性具有一定的影响，所以基于量化后的驻留特性能够对具有不同微结构的材料对应的驻留特性进行评估。在根据材料对应的驻留特性有效调控液滴分布的前提下，可以有效地利用液态物质隔绝外界空气，降低材料的氧化烧蚀速率，提高材料的抗氧化烧蚀性能。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。