专利名称：一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法
技术领域：
本发明涉及玻纤增强材料，尤其涉及一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法。
背景技术：
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料。英文原名为glassfiber或fiberglass，成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺。最后形成各类产品，玻璃纤维单丝的直径从几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等，广泛应用于国民经济各个领域。
玻璃纤维之特性玻璃一般人之观念为质硬易碎物体，并不适于作为结构用材，但如其抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良之结构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增高。作为补强材玻璃纤维具有以下之特点，这些特点使玻璃纤维之使用远较其他种类纤维来得广泛，发展速度亦遥遥领先其特性列举如下(I)拉伸强度高，伸长小(3% )。(2)弹性系数高，刚性佳。(3)弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大。(4)为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。(5)吸水性小。(6)尺度安定性，耐热性均佳。(7)加工性佳，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品。(8)透明可透过光线·(9)与树脂接着性良好之表面处理剂之开发完成。(10)价格便宜。随着汽车轻量化的要求，玻纤增强材料的应用越来越广，由于玻璃纤维在轴向上的拉伸模量高，垂直于轴向拉伸模量最低，而一般玻纤增强塑料制品基体的拉伸模量较低，则纤维在制件中的朝向直接决定着制件特定区域较大拉伸模量的方向，则判断玻纤增强塑料制品内部纤维方向对判断制品的各向异性力学性能有较大意义。由于玻纤在注塑过程中会沿流动方向取向，弓丨起力学性能和收缩率在取向方向上增强，导致制品变形翘曲，因此，判断纤维的方向有重要的意义。其中，用扫描电子显微镜观察断面的纤维走向是一种较为广泛使用的判断方法，图I为观察结果，纤维呈束状。如图I所示，该断面主要由基体6和纤维1-5组成。其具体的方向由目测纤维的立体朝向确定，如图I中纤维I大概为与平面呈45°角的纤维，纤维2大概为与平面呈60°角的纤维，纤维3为大概与平面呈30°的纤维，纤维4大概为与平面呈0°的纤维，纤维5大概为与平面呈90°的纤维。上述采用目测的判断方法，具有直观的优点，但其不能准确判断纤维方向，且断面表面凹凸不平，以及平面照片的立体感不强，也对判断纤维方向造成不利影响，同时由于纤维众多，无法判断每根纤维的方向，从而只能目测断面内纤维的总体走向。因此，本领域的技术人员致力于开发一种纤维方向判断方法，通过面积判断纤维方向，统计出纤维的方向分布。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种纤维方向判断方法，其是基于玻璃纤维增强制品上裁剪出的小样片，经镶嵌、打磨、抛光并经显微镜拍照后的截面图片，用IMAGE PROPLUS软件自动识别纤维，并计算每根纤维截面面积，通过面积判断纤维方向，统计出纤维的 方向分布。采用本发明的技术方案，一方面解决了纤维方向判断不准确的问题，提高了判断的精确性；另一方面可准确快速判断整体纤维方向分布，提高了的效率，降低了实验成本。图片分析测量的几何数值单位是象素，这是电子图片本身的性质所决定。一个象素点只代表显示屏上一个色点。一条线是由一串象素点所组成，它的长度就是象素点的数量。一个圆形的区域面积则是其外轮廓所围住的象素点的数量。用image pro plus分析图像时，程序只能处理象素，当把象素值转换成实际物体的长度与面积时，需提供一个象素对应的实际尺寸，通过定义标尺的长度即设置转换系数。Image Pro Plus关于标尺的操作有两项内容一是校正标尺，即设定一个象素相当于实际上的长度尺寸的转换系数。二是在照片上标标尺条。用显微镜拍摄纤维增强材料截面图片时可以根据放大倍数插入微标尺，用image proplus软件打开截面图片，点击菜单measure — calibration — spatial,弹出校正工具窗口，点new按纽。在unit中选择μ m,点击units/p ixel对话框中的image按纽,弹出标尺测量窗口和工字型定标杠。将定标杠与标尺的两端对正，并把标尺的实际长度数值填到scaling窗口的数值框内，完成了图片长度与实际长度的转换，在图片上测量任意两点所读取的数据已为实际长度值。选择measure — counnt/size — AOI (Area Of Interesting)，利用吸管功能选择颜色与纤维截面相似的区域，则纤维的截面部分均被渲染成白色，测量得到纤维截面面积分布最终可导入到EXCEL软件中，再用MATLAB软件做统计分析。本发明提供了一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其中，基于样件的截面图片，用软件自动识别纤维，并计算纤维截面面积，通过面积判断纤维方向，统计总体的纤维朝向。如上所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其中，优选的，所述软件是IMAGE PRO PLUS。更进一步的，其中，用IMAGE PRO PLUS分析图像时，程序只能处理象素，需提供一个象素对应的实际尺寸，即设置转换系数。如上所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其中，所述样件的截面图片是制品裁剪出的小样片，经镶嵌、打磨、抛光并经显微镜拍照后的截面图片。优选的,所述小样片长度和宽度均为2mm,厚度一般不超过4_。如上所述的软件在计算之前需根据标尺设置图片与实际尺寸的比例尺，用颜色判断是否为纤维及纤维的面积。如上所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其中，将计算出的每根纤维截面面积，用MATLAB软件统计总体的纤维截面面积分布。如上所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其中，操作步骤为I)点击菜单measure — calibration — spatial,弹出校正工具窗口，点new按纽。在unit中选择μ m,点击units/pixel对话框中的image按纽，弹出标尺测量窗口和工字型定标杠；2)将定标杠与标尺的两端对正，并把标尺的实际长度数值填到scaling窗口的数值框内，完成了图片长度与实际长度的转换，在图片上测量任意两点所读取的数据已为实际长度值； 31然后进行纤维数量的统计和纤维截面面积的测量,选择measure — count/size — AOI (Area Of Interesting),利用吸管功能选择颜色与纤维截面相似的区域,则纤维的截面部分均被渲染成白色，并且会显示所识别的纤维的编号；4)测量得到纤维截面面积分布最终可导入到EXCEL软件中；5)再用MATLAB软件做统计分析。如上所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其中，因软件无法识别纤维的边缘，优选的，可将实际各个角度的纤维截面面积乘以系数O. 9作为软件识别的面积。现有的目测的方法可观测到断面的纤维，但因其受到断面的平整性、断面的方向、目测误差、纤维数量的庞大等的影响，无法精确判断每根纤维的方向，且有部分纤维已脱离，只剩余纤维所在的孔，更无法判断纤维方向。本方法采用软件通过判断纤维截面面积，可以清楚的判断每根纤维的精确方向，进而可以判断此截面的力学性能，方便高效；且利用电子显微镜而不是扫描隧道显微镜，降低了实验成本。
图I是为现有技术观察方法示意图；图2是本发明的一个较佳实施例的打磨后的截面示意图；图3是纤维截面在电子显微镜下的照片；图4是纤维截面面积识别统计图。
具体实施例方式本发明提出一种纤维方向判断方法，所述方法是一种基于打磨截面显微图像的纤维方向判断方法。图2为经打磨过后的截面图像的示意图，其中黑色部分为基体材料，白色
部分为纤维截面，包括纤维1、2、3、4。玻璃纤维是一个长的圆柱，圆柱的截面积公式J =
cm&a表示椭圆的短轴长度，b表示椭圆的长轴长度，Θ为截面法线与纤维轴线的夹角。则若纤维沿着垂直于轴线被剪短，则其横截面为圆形了，如图2中I所示；若被45°截断，则截面为椭圆形，截面面积为横截面的I. 4倍，如图2中2所示；若被60°截断，则截面为椭圆形，截面面积为横截面的I. 7倍，如图2中3所示；若沿着纤维轴线截断，截面呈长条状。则用纤维截面面积可判断纤维在集体内的方向，如图2中4所示。
用IMAGE PRO PLUS软件对纤维的截面进行识别，统计出纤维个数和每根纤维的截面面积，判断每根纤维的方向。上述纤维方向判断方法具有方法简单、可靠的优点；且其可准确快速判断整体纤维方向分布，具有较高的效率，较强的实用性。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。如图2所示，取某汽车上的玻璃纤维增强注塑仪表板，基体材料为热塑性塑料PP，纤维直径为8 μ m在其上取出长度和宽度均为2mm的小块，厚度没有具体的要求，一般不超过4_。将此小块在镶嵌试验机上沿着厚度面向下的方向镶嵌，并打磨、抛光，在电子显微镜下拍照，注意添加标尺。
电子显微镜下的照片如图3所示，其中I为基体材料PP，2_11等为玻璃纤维的截面。由图中可看出纤维的截面并不是一致的，而玻纤增强仪表板的力学性能主要取决于纤 维的朝向，因此精确判断每根纤维的具体朝向，对判断沿着截面方向的力学性能有很大的意义。将此图片导入IMAGE PRO PLUS软件中，第一步先校正标尺，即设定一个象素相当于实际上的长度尺寸的转换系数。具体操作步骤为点击菜单measure — calibration — spatial,弹出校正工具窗口，点new按纽。在unit中选择μ m,点击units/pixel对话框中的image按纽,弹出标尺测量窗口和工字型定标杠。将定标杠与标尺的两端对正，并把标尺的实际长度数值填到scaling窗口的数值框内，完成了图片长度与实际长度的转换，在图片上测量任意两点所读取的数据已为实际长度值。第二步进行纤维数量的统计和纤维截面面积的测量。选择measure — count/size — AOI (Area OfInteresting)，利用吸管功能选择颜色与纤维截面相似的区域，则纤维的截面部分均被渲染成白色，如图4所示，并且会显示所识别的纤维的编号，测量得到纤维截面面积分布最终可导入到EXCEL软件中，再用MATLAB软件做统计分析。部分统计数据如下，如图4中所标注出的纤维，其截面面积与纤维方向如表I所示，其中因软件无法识别纤维的边缘，经推算，可将实际各个角度的截面面积乘以系数0.9作为软件识别的面积。纤维总体的方向分布如表2所示
权利要求
1.一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，基于样件的截面图片，用软件自动识别纤维，并计算纤维截面面积，通过面积判断纤维方向，统计总体的纤维朝向。
2.根据权利要求I所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，优选的，所述软件是IMAGE PRO PLUS。
3.根据权利要求2所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，用IMAGE PRO PLUS分析图像时，程序只能处理象素，需提供一个象素对应的实际尺寸，即设置转换系数。
4.根据权利要求I所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，所述样件的截面图片是制品裁剪出的小样片，经镶嵌、打磨、抛光并经显微镜拍照后的截面图片。
5.根据权利要求4所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，所述小样片长度和宽度均为2mm,厚度不超过4_。
6.根据权利要求I所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，所述软件在计算之前需根据标尺设置图片与实际尺寸的比例尺，用颜色判断是否为纤维及纤维的面积。
7.根据权利要求I所述一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，将计算出的每根纤维截面面积，用MATLAB软件统计总体的纤维截面面积分布。
8.根据权利要求I所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，操作步骤为 1)点击菜单measure— calibration — spatial,弹出校正工具窗口，点new按纽；在unit中选择μ m,点击units/pixel对话框中的image按纽,弹出标尺测量窗口和工字型定标杠； 2)将定标杠与标尺的两端对正，并把标尺的实际长度数值填到scaling窗口的数值框内，完成了图片长度与实际长度的转换，在图片上测量任意两点所读取的数据已为实际长度值； 3)然后进行纤维数量的统计和纤维截面面积的测量，选择measure— count/size — A0I，利用吸管功能选择颜色与纤维截面相似的区域，则纤维的截面部分均被渲染成白色，并且会显示所识别的纤维的编号； 4)测量得到纤维截面面积分布最终可导入到EXCEL软件中； 5)再用MATLAB软件做统计分析。
9.根据权利要求I所述的一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，其特征在于，因软件无法识别纤维的边缘，优选的，可将实际各个角度的纤维截面面积乘以系数O.9作为软件识别的面积。
全文摘要
本发明公开了一种玻纤增强材料内部纤维朝向定量分析的计算方法，是基于玻璃纤维增强制品上裁剪出的小样片，经镶嵌、打磨、抛光并经显微镜拍照后的截面图片，用IMAGE PRO PLUS软件自动识别纤维，并计算每根纤维截面面积，通过面积判断纤维方向，统计出纤维的方向分布。采用本发明的技术方案，一方面解决了纤维方向判断不准确的问题，提高了判断的精确性；另一方面可准确快速判断整体纤维方向分布，提高了的效率，降低了实验成本。
文档编号G06F17/50GK102879398SQ20121035913
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者彭雄奇, 秦计生, 申杰, 郭庆 申请人:上海交通大学