一种复合材料异型构件的均匀性定量表征方法

本发明涉及材料学领域，尤其涉及一种复合材料异型构件的均匀性定量表征方法。

背景技术：

1、纤维增强陶瓷基复合材料是一种集结构承载和耐苛刻环境的轻质新型复合材料。因其具有高比模量、高比强度、低热膨胀系数、耐高温、耐腐蚀等许多优良特性，已被广泛的应用于航空航天领域。

2、陶瓷基复合材料的制作工艺多样，制作步骤复杂，在制备的过程中，材料内部容易产生分层、裂纹、孔隙和密度不均等缺陷，而由制造缺陷导致的不均匀性，对于纤维增强复合材料的宏观力学性能，如强度、有效弹性模量等性能有很大影响。因此，定量表征出纤维增强型陶瓷基复合材料的均匀性，对优化制备工艺参数、增加构件的寿命、提高服役的可靠性等都具有非常重要的意义。

3、目前，国内外针对复合材料的均匀性表征研究，大多数围绕增强相(reinforcingphase)在材料中的分散性展开，而围绕制造缺陷对复合材料进行均匀性评价的研究较少。孔隙作为纤维增强复合材料制造过程中不可避免的一种缺陷，在某种程度上甚至可以认为复合材料是由增强相、基体相和孔隙组成的复合相，对材料的性能有很大的影响。因此，围绕孔隙缺陷展开对复合材料的均匀性定量表征研究很有必要。

4、现有技术中，多数研究的试样均为规则样件，针对异型构件的均匀性表征则少见报道。而航空航天领域复合材料制件往往结构形式复杂，且制件结构的复杂性直接影响制造缺陷的出现比例，也就导致由制造缺陷引起的材料不均匀问题更加突出。为此，对于异型复合材料构件不仅需要对样件整体的均匀性做出量化表征，对复杂结构的局部区域进行均匀性表征也至关重要。

5、要基于孔隙对规则或不规则样件的均匀性进行表征，首先要得到的能够表征孔隙缺陷的特征量。孔隙率作为一种基本的表征孔隙缺陷的特征量，目前已有多种检测手段，超声法和工业用计算机断层成像(computerized tomography，ct)是孔隙缺陷的两种主要无损检测手段。

6、现有基于孔隙率的纤维增强型复合材料的均匀性表征方法，如：陆铭慧、段涵呓在论文《连续纤维增韧陶瓷基复合材料声学参量评价均匀性方法研究》中，采用基于超声波声学参量的均匀性表征方法，对穿透待测样件后的超声波声速和声衰减等参量进行测量并成像，选择“声速值”与“幅值灰度图”的变异系数对材料的孔隙均匀性和密度均匀性进行表征。

7、但是现有技术中，超声检测法可以通过声衰减等声学参量间接的计算出样件整体的孔隙率，但在不将样件制备成更小试样的情况下，难以获得局部的孔隙率值，且无法对异型构件进行检测。此外基于声学参量重建的内部孔隙分布图像也不够直观。工业ct虽然不受样件形状的限制，可以在不损坏样件的前提下，准确的得到样件内部的缺陷形貌、分布等特征，但是通过图像处理后也只能得到样件整体的孔隙率值，而无法得到每个局部区块上的孔隙率值。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种复合材料异型构件的均匀性定量表征方法，针对现有技术对复合材料异型构件的均匀性表征精度不足和表征效果不直观的缺点，通过采用基于像素标记法的体数据区块划分方式，完成对异型构件每个局部区域缺陷特征量(体孔隙率)的计算，以解决表征精度不足的问题，并且，通过采用对异型样件局部体孔隙率的三维映射方式，提高了孔隙率分布可视化结果的直观性。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种复合材料异型构件的均匀性定量表征方法，包括：

4、a、选择高精度的微焦点工业ct对待测样件进行扫描，获取待测样件的断层图像；

5、b、使用多阈值otsu算法与形态学闭运算相结合的方式，对样件断层图像的孔隙缺陷和前景掩模部分进行分割；

6、c、基于像素标记法，实现对异形构件体数据的区块划分；

7、d、计算不同区块上的体孔隙率值，以区块的孔隙率均值与标准差的乘积为量化指标，对样件的整体及局部进行均匀性的定量表征；

8、e、将上述计算得到的区块孔隙率归一化映射为灰度值，并利用三维图像重建算法，绘制样件的孔隙率三维分布云图。

9、其中：所述步骤b包括：

10、b1：根据孔隙缺陷的分类效果确定多阈值otsu类别划分的个数，根据指定的类别个数，得到对应的灰度阈值集合；

11、b2：计算孔隙率值的步骤，先单独分割出孔隙缺陷和完整材料部分，利用形态学闭运算对所述孔隙进行关闭得到完整的材料部分即前景掩模部分，然后对测试样件的二值化图像与前景掩模之间进行异或运算，单分割出孔洞缺陷部分。

12、所述步骤c包括：

13、c1、对前述步骤中获得的n张前景掩模和n张孔隙二值图像进行区域划分；

14、c2、基于不同的区域对目标像素点在所述二值图像中的坐标信息进行区块划分，在同一区块内的像素点标签值相同。

15、其中：所述步骤c2中所述像素点标签值的计算公式为：

16、

17、

18、

19、其中：label为根据每个区块的位置信息计算得到的标签值，同一区域的标签值相同；x为目标像素在分块方向上的坐标值，x∈[a,b]；k为断层图像的索引值，k∈[1,n]；n、m分别为二维图像上的分块个数和断层序列上的分块个数；step1为二维图像上分区的步长，以像素为单位；step2为断层序列上分区的步长，以图像的张数为单位；n为断层图像的总张数；ceil表示向上取整。

20、所述步骤d包括：

21、d1：计算不同区块的孔隙率值的步骤；

22、d2：计算区块孔隙率均值与标准差乘积，定量表征样件整体和局部的均匀性的步骤。

23、其中，所述步骤d1中孔隙率值，即体孔隙率值pi为：

24、

25、其中：viall为材料总体素个数，vihole为孔隙部分的体素个数。

26、进一步的，标签值为i的子块中，所述viall为材料总体素个数，vihole为孔隙部分的体素个数的计算公式分别为：

27、

28、

29、其中：p为ct系统的扫描分辨率，则重构的三维体数据中每个体素尺寸大小为p×p×p，i为断层图像中标签值，nhki为属于孔隙的体素个数，nmki为属于材料部分的体素个数。

30、所述步骤e包括：

31、e1：将孔隙率归一化的步骤；

32、e2：用归一化后的孔隙率替换二维断层图像中的标签值的步骤；

33、e3：使用光线投射法对二维断层序列图像进行三维重构的步骤。

34、其中，步骤e1所述归一化值y为：

35、y＝a+k(x-pmin)   (7)

36、其中：k为归一化系数，y为归一化值，x为孔隙率。

37、应用步骤e3所述光线投射法在图像的合成中，采用由前向后的合成方式，合成递归方程为：

38、

39、其中：c′i为由第一个采样点到第i个采样点有透明度加权累计的颜色值，α′i为对应的累计不透明度；

40、当c′1＝0,α′1＝0，则沿光线上各采样点的颜色合成公式为：

41、

42、其中：c为最终的合成颜色，ci与αi分别为采样点i沿入射光线的颜色值和不透明度。

43、本发明的复合材料异型构件的均匀性定量表征方法，相较于现有技术具有如下有益效果：

44、采用本发明复合材料异型构件的均匀性定量表征方法，基于异型构件的ct扫描数据，通过采用基于像素标记法的区块划分方式，自动对异型样件进行近似均匀的分块，经图像处理后计算出不同区块的体孔隙率，在此基础上，通过采用对异型样件局部体孔隙率的三维映射方式，提高孔隙率分布可视化结果的直观性，从而实现了对异型复合材料构件直观的可视化定性表征和准确的定量表征。