[發(fā)明專利]一種納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的多級映射重構(gòu)方法

有效

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• 申請日: 2021-08-18
• 公開（公告）號: CN113640326B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龍東輝;牛波;張亞運(yùn);江真;曹宇;張鴻宇;竇怡彬;劉陸廣;許斌;任志毅
• 申請（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號: G01N23/046
• 分類號: G01N23/046;G01N23/2251;G06T17/00;G06T3/00;G06T5/00;G06T7/136
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

本發(fā)明涉及一種納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的多級映射重構(gòu)方法，該方法包括以下步驟：S1：獲取復(fù)合材料的二維CT切片，并通過數(shù)值化處理獲得纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的二維切片，并將二維切片疊加為纖維三維結(jié)構(gòu)；S2：對纖維中心線進(jìn)行識別和纖維構(gòu)造，精確獲得復(fù)合材料細(xì)觀尺度的三維纖維結(jié)構(gòu)；S3：獲取樹脂基體二維掃描電子顯微鏡圖片，并進(jìn)行數(shù)值化處理，然后將處理后的微觀形貌特征信息映射為三維結(jié)構(gòu)信息數(shù)值集合；S4：以建立的細(xì)觀尺度的三維纖維結(jié)構(gòu)為框架，在空隙處構(gòu)建樹脂基體，從而實(shí)現(xiàn)納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的多級映射重構(gòu)。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)對納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的精確重構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，具體涉及一種納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的多級映射重構(gòu)方法。

背景技術(shù)

納米孔樹脂基復(fù)合材料是由納米尺度樹脂氣凝膠和細(xì)觀尺度網(wǎng)狀纖維相互穿插構(gòu)成的復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，如圖1，其具有輕質(zhì)可靠、成本低、易成型加工等優(yōu)點(diǎn)，是航天飛行器突破“熱障”環(huán)境最常用的燒蝕型熱防護(hù)材料之一。納米孔樹脂基復(fù)合材料的防隔熱性能與其多級結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，精確解析納米孔樹脂基復(fù)合材料的微納結(jié)構(gòu)，對進(jìn)一步揭示其防隔熱機(jī)制和材料的微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重大意義。

目前，研究人員主要通過三種方法重構(gòu)復(fù)合材料的三維結(jié)構(gòu)。第一種是基于計算機(jī)編程技術(shù)的球棒模型構(gòu)造法，該方法雖能夠滿足納米顆粒和纖維的隨機(jī)特征，但不能反應(yīng)材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)。第二種是基于聚焦離子束-掃描電鏡(FIB-SEM)雙束技術(shù)的材料切割重構(gòu)法，但由于離子束能量過高容易損傷樹脂基材料的結(jié)構(gòu)，因此不適用于納米孔樹脂基復(fù)合材料的三維重構(gòu)。第三種是基于Micro/Nano-CT技術(shù)的三維掃描成像法，其可以有效重構(gòu)細(xì)觀尺度的纖維結(jié)構(gòu)，但由于分辨率限制，重構(gòu)的纖維結(jié)構(gòu)存在相互交叉、粘連等現(xiàn)象，且Micro/Nano-CT技術(shù)不能識別納米尺度的材料結(jié)構(gòu)。因此，現(xiàn)有的方法暫時無法實(shí)現(xiàn)納米孔樹脂基復(fù)合材料復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)的精確三維重構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可以對復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行精確三維重構(gòu)的納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的多級映射重構(gòu)方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的多級映射重構(gòu)方法，所述的復(fù)合材料包括納米樹脂基體和纖維增強(qiáng)體，該方法包括以下步驟：

S1：獲取復(fù)合材料的二維CT切片，通過數(shù)值化處理獲得纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的二維切片，并將二維切片疊加為纖維三維結(jié)構(gòu)；

S2：基于纖維中心線的識別和纖維構(gòu)造，精確獲得復(fù)合材料細(xì)觀尺度的三維纖維結(jié)構(gòu)；

S3：獲取樹脂基體二維掃描電子顯微鏡圖片，并進(jìn)行數(shù)值化處理，然后將處理后的微觀形貌特征信息映射為三維結(jié)構(gòu)信息數(shù)值集合；

S4：根據(jù)步驟S3獲得的數(shù)值集合，以建立的細(xì)觀尺度的三維纖維結(jié)構(gòu)為框架，在三維纖維結(jié)構(gòu)空隙處構(gòu)建樹脂基體，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)建納米孔樹脂基復(fù)合材料微納結(jié)構(gòu)的多級映射重構(gòu)。

進(jìn)一步地，步驟S1的具體步驟包括：

(1)將納米孔樹脂基復(fù)合材料加工成塊體，用于Micro/Nano-CT的測試；

(2)利用Micro/Nano-CT技術(shù)對復(fù)合材料進(jìn)行掃描切片，獲得切片圖像；

(3)使用Mimics軟件，通過閾值分割去除樹脂基體，獲得纖維結(jié)構(gòu)的二維CT切片；

(4)基于纖維結(jié)構(gòu)二維CT切片的數(shù)值化結(jié)果對纖維表面進(jìn)行濾波降噪和閾值分割處理，并疊加為纖維三維結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述二維CT切片的數(shù)量為400～3000張，圖像分辨率為0.5～10μm，切片圖像的厚度為0.5～2μm。