阅读说明：本技术 一种纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构方法 (Multistage mapping reconstruction method for nano-pore resin-based composite material micro-nano structure ) 是由 龙东辉 牛波 张亚运 江真 曹宇 张鸿宇 窦怡彬 刘陆广 许斌 任志毅 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构方法,该方法包括以下步骤：S1：获取复合材料的二维CT切片,并通过数值化处理获得纤维增强体结构的二维切片,并将二维切片叠加为纤维三维结构；S2：对纤维中心线进行识别和纤维构造,精确获得复合材料细观尺度的三维纤维结构；S3：获取树脂基体二维扫描电子显微镜图片,并进行数值化处理,然后将处理后的微观形貌特征信息映射为三维结构信息数值集合；S4：以建立的细观尺度的三维纤维结构为框架,在空隙处构建树脂基体,从而实现纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构。采用本发明的技术方案,可以实现对纳米孔树脂基复合材料微纳结构的精确重构。(The invention relates to a multistage mapping reconstruction method for a nano-pore resin matrix composite material micro-nano structure, which comprises the following steps: s1: acquiring a two-dimensional CT slice of the composite material, obtaining a two-dimensional slice of a fiber reinforcement structure through numerical processing, and superposing the two-dimensional slice into a fiber three-dimensional structure; s2: identifying the fiber center line and constructing the fiber to accurately obtain the three-dimensional fiber structure of the composite material with a microscopic scale; s3: acquiring a two-dimensional scanning electron microscope picture of a resin matrix, carrying out numerical processing, and mapping the processed micro-morphology feature information into a three-dimensional structure information numerical value set; s4: and constructing a resin matrix at the gap by taking the established three-dimensional fiber structure with the microscopic scale as a frame, thereby realizing the multi-level mapping reconstruction of the nano-pore resin matrix composite material micro-nano structure. By adopting the technical scheme of the invention, the accurate reconstruction of the micro-nano structure of the nano-pore resin matrix composite material can be realized.)

一种纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构方法

技术领域

本发明涉及复合材料微结构分析领域，具体涉及一种纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构方法。

背景技术

纳米孔树脂基复合材料是由纳米尺度树脂气凝胶和细观尺度网状纤维相互穿插构成的复杂多级结构复合材料，如图1，其具有轻质可靠、成本低、易成型加工等优点，是航天飞行器突破“热障”环境最常用的烧蚀型热防护材料之一。纳米孔树脂基复合材料的防隔热性能与其多级结构密切相关。因此，精确解析纳米孔树脂基复合材料的微纳结构，对进一步揭示其防隔热机制和材料的微结构优化设计具有重大意义。

目前，研究人员主要通过三种方法重构复合材料的三维结构。第一种是基于计算机编程技术的球棒模型构造法，该方法虽能够满足纳米颗粒和纤维的随机特征，但不能反应材料的真实结构。第二种是基于聚焦离子束-扫描电镜(FIB-SEM)双束技术的材料切割重构法，但由于离子束能量过高容易损伤树脂基材料的结构，因此不适用于纳米孔树脂基复合材料的三维重构。第三种是基于Micro/Nano-CT技术的三维扫描成像法，其可以有效重构细观尺度的纤维结构，但由于分辨率限制，重构的纤维结构存在相互交叉、粘连等现象，且Micro/Nano-CT技术不能识别纳米尺度的材料结构。因此，现有的方法暂时无法实现纳米孔树脂基复合材料复杂多级结构的精确三维重构。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以对复杂多级结构复合材料进行精确三维重构的纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构方法，所述的复合材料包括纳米树脂基体和纤维增强体，该方法包括以下步骤：

S1：获取复合材料的二维CT切片，通过数值化处理获得纤维增强体结构的二维切片，并将二维切片叠加为纤维三维结构；

S2：基于纤维中心线的识别和纤维构造，精确获得复合材料细观尺度的三维纤维结构；

S3：获取树脂基体二维扫描电子显微镜图片，并进行数值化处理，然后将处理后的微观形貌特征信息映射为三维结构信息数值集合；

S4：根据步骤S3获得的数值集合，以建立的细观尺度的三维纤维结构为框架，在三维纤维结构空隙处构建树脂基体，从而实现构建纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构。

进一步地，步骤S1的具体步骤包括：

(1)将纳米孔树脂基复合材料加工成块体，用于Micro/Nano-CT的测试；

(2)利用Micro/Nano-CT技术对复合材料进行扫描切片，获得切片图像；

(3)使用Mimics软件，通过阈值分割去除树脂基体，获得纤维结构的二维CT切片；

(4)基于纤维结构二维CT切片的数值化结果对纤维表面进行滤波降噪和阈值分割处理，并叠加为纤维三维结构。

进一步地，所述二维CT切片的数量为400～3000张，图像分辨率为0.5～10μm，切片图像的厚度为0.5～2μm。

进一步地，使用Mimics软件进行阈值分割时，选取灰度为10000～40000部分。

进一步地，步骤S2的具体步骤包括：

(1)基于MATLAB软件对纤维三维结构进行数值化处理，通过机器学习方法识别每根纤维的中轴线，映射出纤维中轴线分布模型；

(2)基于MATLAB软件将每根纤维中轴线数值构造为表面无缺陷的光滑纤维，建立无交叉、无粘连的三维纤维结构，从而精确获得纳米孔树脂基复合材料细观尺度的三维纤维结构。

进一步地，步骤S3的具体步骤包括：

(1)通过场发射扫描电子显微镜获取纳米孔树脂基复合材料中纳米树脂基体的二维SEM图片；

(2)基于MATLAB软件对获得的二维图像进行滤波降噪和阈值分割处理；

(3)然后将处理后的微观形貌特征信息映射到重建算法，精确建立纳米树脂基体的三维结构信息数值集合。

进一步地，所述扫描电子显微镜照片的张数为100～800张，放大倍数在5000倍至30000倍间。

进一步地，所述纳米树脂基体的分子量为800～1200.

进一步地，所述纳米孔树脂基复合材料包括20wt.％～80wt.％纳米树脂基体和余量的纤维增强体。

与现有技术相比，本发明通过对二维CT切片的数值化处理、纤维中轴线模型映射构建和三维纤维结构的数值构造可以精确获得无交叉、无粘连的三维纤维结构。对纳米树脂气凝胶二维图像进行滤波降噪、阈值分割等处理，然后映射为三维结构信息数值集合，可以精确解析纳米尺度树脂气凝胶结构。以建立的细观尺度的三维纤维结构为框架，根据映射出的三维结构信息数值集合在纤维空隙处构建纳米树脂气凝胶基体，可以精确实现纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构。

附图说明

图1为实施例中纳米孔树脂基复合材料的微观结构；

图2为本发明的实施流程图；

图3为实施例中得到的复合材料二维CT切片；

图4为实施例中得到的纤维结构二维CT切片；

图5为实施例中重构出的纤维结构三维结构；

图6为实施例中得到的纳米孔树脂基复合材料的三维重构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构方法，针对针刺石英纤维/酚醛树脂复合材料进行三维重构，其中，酚醛树脂溶液中树脂的分子量约为1000，溶液中溶质质量百分比为30％；浸渍时石英纤维的体积含量为60％。步骤如下所示：

步骤1：将针刺石英纤维/酚醛树脂复合材料加工成尺寸为2mm×2mm×2mm的块体，用于Micro/Nano-CT的测试；

步骤2：利用Micro/Nano-CT技术对复合材料进行扫描切片，共获得600张切片图像，图像分辨率为1μm，针刺石英纤维/酚醛树脂复合材料的二维CT切片(如附图3所示)；

步骤3：使用Mimics软件，通过阈值分割(选取灰度为18200-37100部分)去除树脂基体，获得纤维结构的二维CT切片(如图4所示)。基于纤维结构二维CT切片的数值化结果对纤维表面进行滤波降噪和阈值分割处理，并叠加为纤维三维结构；

步骤4：基于MATLAB软件对纤维三维结构进行数值化处理，通过机器学习方法识别每根纤维的中轴线，映射出纤维中轴线分布模型；

步骤5：基于MATLAB软件将每根纤维中轴线数值构造为表面无缺陷的光滑纤维，建立无交叉、无粘连的三维纤维结构，从而精确获得纳米孔树脂基复合材料细观尺度的三维纤维结构(如附图5所示)；

步骤6：通过场发射扫描电子显微镜获取200张放大倍数在5000倍至20000倍间的纳米孔树脂基复合材料中纳米树脂气凝胶的二维SEM图片；

步骤7：基于MATLAB软件对获得的二维图像进行滤波降噪、阈值分割等处理。然后将处理后的微观形貌特征信息映射到重建算法，精确建立纳米树脂气凝胶的三维结构信息数值集合；

步骤8：根据步骤7获得的纳米树脂气凝胶的结构信息数值集合，以建立的细观尺度的三维纤维结构为框架，在纤维空隙处构建纳米树脂气凝胶基体。从而实现纳米孔树脂基复合材料微纳结构的多级映射重构(如附图6所示)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。