一种碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法

本发明涉及碳纸原纸，特别涉及一种碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法。

背景技术：

1、碳纸(carbon fiber paper,cfp)是目前作为质子交换膜燃料电池中气体扩散层的基底层主要产品，它具有均匀的多孔质薄层结构，具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。

2、碳纸是具有高拉伸强度的碳纤维组成，通过碳纤维牢固地连接在一起，变得足够耐用。首先，将预处理后的切碎碳纤维与水、分散剂等添加物均匀混合，然后进行造纸工艺，最终得到碳纤维纸前体。经过浸渍、成型、碳化和石墨化后，可得到碳纸。改性酚醛树脂作为一种粘合剂广泛应用于浸渍过程中，成型固化过程中添加酚醛树脂，可具有一定平整度和强度的碳纤维基纸。在碳化过程中，部分胶粘合剂体积分解和收缩，有效地降低了碳纤维纸的密度，增加了孔隙率，降低了电阻率，石墨化过程进一步提高了cfp的电导率。

3、模拟退火算法作为较早建立数字岩心的一类方法，它能包含反映多孔材料空间结构特征的较多信息，与其他方法相比有不可替代的优势，是碳纸原纸三维重构的一种良好的方法。模拟退火算法在重构碳纸原纸三维重构需要先获取碳纸原纸的孔隙结构特征，而目前并没有获取碳纸原纸的孔隙结构特征良好方法，常用的就是要计算机断层扫描技术或者x-ray ct获得碳纸原纸的二维切片图，得到相关碳纸孔隙率等数据，但这需要昂贵的设备和检测费用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法。本发明可以简单方便的获取碳纸原纸的孔隙特征信息，具有步骤简单，操作方便，成本低廉的优点。

2、本发明的技术方案：一种碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，包括如下步骤：

3、步骤1、对碳纸原纸样品进行二维电镜图的图片采集，获得电镜图；

4、步骤2、对电镜图进行图像降噪处理，获得碳纸原纸的单通道灰度图；

5、步骤3、对碳纸原纸的单通道灰度图进行图像分割处理，输出为纤维和孔隙的二值图；

6、步骤4、对二值图采用统计特征函数及分形控制函数进行统计分析碳纸原纸的孔隙结构特征。

7、上述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，步骤2中，所述图像降噪处理采用中值滤波算法进行；所述中值滤波算法是基于排序统计理论，构建含有奇数个像素点的，滤波窗口，滤波窗口大小为3×3或5×5，得到滤波窗口后将该范围内的所有像素值按从大到小的顺序进行排列，选取像素排序的中间值代替该滤波窗口的中间的像素点，并将窗口平滑移动，直至碳纸原纸的电镜图被完全处理；所述中值滤波的计算如下：

8、m＝med{(xi-n，yi-n)，...(xi，yi)，...(xi+n，yi+n)}

9、式中：(xi，yi)为电镜图的图像信号输入序列，i，j∈i表示像素点坐标，i为自然数集；med{}表示中值滤波算法，m为滤波窗口输出的像素点灰度值；n＝(i-1)/2。

10、前述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，步骤3中，所述图像分割处理是先统计碳纸原纸的单通道灰度图中每个像素点的灰度值，得到图像的灰度分布直方图，然后设置阈值，根据阈值将灰度图的灰度值信息输出为0或1，公式如下：

11、

12、其中，t为选取的阈值，f(i，j)为灰度值，i，j∈i表示像素点坐标，i为自然数集；g(i，j)为灰度图输出的信号；

13、当像素的灰度值大于或等于所选阈值时，该像素输出信号的值为1；当像素的灰度值小于所选阈值时，该像素输出信号的值为0；

14、重复上述步骤，对比图像的灰度值与不同的阈值，以达到将纤维与孔隙完全分割的目的。

15、前述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，所述阈值设置是先假设碳纸原纸图像阈值为t，将图像中灰度值为0-t的像素点记为集合n1，灰度值为t-255记为集合n2，分别统计集合n1和集合n2中像素点数量，计算图像的平均灰度值：

16、

17、计算集合n1以及集合n2的平均灰度值：

18、

19、

20、计算集合n1以及集合n2的方差：

21、

22、

23、计算集合内和集合间方差：

24、δm＝n1δ1+n2δ2；

25、δe＝n1(g1-g)2+n2(g2-g)2；

26、最后确定阈值：

27、

28、式中：t*为最终获得的阈值；

29、将灰度图中像素点灰度值大于t*的点像素值设为1，表示为碳纸原纸的孔隙，将灰度图中像素点灰度值小于t*的点像素值设为0，表示碳纸原纸的纤维。

30、前述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，步骤4中，所述统计特征函数包括两点相关函数，两点相关函数用于统计碳纸原纸中孔隙的分布特征；所述两点相关函数是先将二值图进行数字化，定义如下：

31、

32、然后在数字化图像中任取两个像素点，计算两点均位于孔隙相的概率，使得在概率意义上量化碳纸原纸的微观结构，提取碳纸原纸的孔隙结构信息；其中概率计算如下：

33、

34、式中：< >表为期望运算符。

35、前述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，步骤4中，所述统计特征函数还包括线性路径函数，所述线性路径函数用于统计碳纸原纸中孔隙结构的连通性特征；所述线性相关函数定义为在碳纸原纸图像上随机选取距离为i的两个像素点，计算两像素点及两点间像素点均位于孔隙相的概率，用于统计碳纸原纸图像孔隙连通性信息，公式如下：

36、

37、式中：< >表为期望运算符；d表示单位距离。

38、前述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，步骤4中，所述分形控制函数的步骤是先选取盒维数，该盒维数采用边长为δ的正方形格子去覆盖孔隙相，得到覆盖孔隙相的有效格子数量n(δ)以及对应的格子总数n(δ)；其中盒维数计算公式如下：

39、

40、式中：dimbox表示盒维数，s表示二维图像；

41、分形控制函数公式如下

42、

43、式中：f0( )表示分形控制函数值，r表示两点间距；

44、以此利用分形控制函数表述碳纸原纸孔隙结构的不规则和非连续特征。

45、与现有技术相比，本发明选择了实验室用常用的二维电镜图进行碳纸原纸的拍照，相比市面上采用计算机断层扫描技术或者x-rayct而言，更具有方便性以及低成本的优点，然后本发明针对二维电镜图进行了图形降噪以及图像分割处理，最后通过统计特征函数用于统计碳纸原纸中孔隙的分布特征以及碳纸原纸中孔隙结构的连通性特征，通过分形控制函数表述碳纸原纸孔隙结构的不规则和非连续特征，以此简单方便地实现了碳纸原纸的孔隙特征信息获取，具有步骤简单，操作方便，成本低廉的优点。

技术特征：

1.一种碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，其特征在于：步骤2中，所述图像降噪处理采用中值滤波算法进行；所述中值滤波算法是基于排序统计理论，构建含有奇数个像素点的，滤波窗口，滤波窗口大小为3×3或5×5，得到滤波窗口后将该范围内的所有像素值按从大到小的顺序进行排列，选取像素排序的中间值代替该滤波窗口的中间的像素点，并将窗口平滑移动，直至碳纸原纸的电镜图被完全处理；所述中值滤波的计算如下：

3.根据权利要求1所述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，其特征在于：步骤3中，所述图像分割处理是先统计碳纸原纸的单通道灰度图中每个像素点的灰度值，得到图像的灰度分布直方图，然后设置阈值，根据阈值将灰度图的灰度值信息输出为0或1，公式如下：

4.根据权利要求3所述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，其特征在于：所述阈值设置是先假设碳纸原纸图像阈值为t，将图像中灰度值为0-t的像素点记为集合n1，灰度值为t-255记为集合n2，分别统计集合n1和集合n2中像素点数量，计算图像的平均灰度值：

5.根据权利要求4所述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，其特征在于：步骤4中，所述统计特征函数包括两点相关函数，两点相关函数用于统计碳纸原纸中孔隙的分布特征；所述两点相关函数是先将二值图进行数字化，定义如下：

6.根据权利要求4所述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，其特征在于：步骤4中，所述统计特征函数还包括线性路径函数，所述线性路径函数用于统计碳纸原纸中孔隙结构的连通性特征；所述线性相关函数定义为在碳纸原纸图像上随机选取距离为i的两个像素点，计算两像素点及两点间像素点均位于孔隙相的概率，用于统计碳纸原纸图像孔隙连通性信息，公式如下：

7.根据权利要求1所述的碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，其特征在于：步骤4中，所述分形控制函数的步骤是先选取盒维数，该盒维数采用边长为δ的正方形格子去覆盖孔隙相，得到覆盖孔隙相的有效格子数量n(δ)以及对应的格子总数n(δ)；其中盒维数计算公式如下：

技术总结
本发明公开了一种碳纸原纸孔隙结构特征的获取方法，包括如下步骤：步骤1、对碳纸原纸样品进行二维电镜图的图片采集，获得电镜图；步骤2、对电镜图进行图像降噪处理，获得碳纸原纸的单通道灰度图；步骤3、对碳纸原纸的单通道灰度图进行图像分割处理，输出为纤维和孔隙的二值图；步骤4、对二值图采用统计特征函数及分形控制函数进行统计分析碳纸原纸的孔隙结构特征。本发明可以简单方便的获取碳纸原纸的孔隙特征信息，具有步骤简单，操作方便，成本低廉的优点。

技术研发人员：郭大亮,张梦,黄依可,赵浩轩,黄良宇,周玥辰,沙力争,赵会芳,李静,许银超,孙倩玉,苑田忠
受保护的技术使用者：浙江科技学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13