Nghiên cứu sự phá hoại của vật liệu Composites dạng sợi bằng phương pháp phân tích ảnh chụp cắt lớp

Bài báo nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích ảnh chụp cắt lớp để xây dựng lại mô hình 3D của mẫu thử, quan sát sự thay đổi về cấu trúc nhằm nghiên cứu cơ chế phá hoại của mẫu composite sợi ceramic dưới tác dụng của lực kéo dọc trục.

VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÁ HOẠI CỦA VẬT LIỆU COMPOSITES DẠNG SỢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ẢNH CHỤP CẮT LỚP ThS NGUYỄN XUÂN ĐẠI, KS TRẦN VĂN CƯƠNG Học viện Kỹ thuật quân Tóm tắt: Nghiên cứu ứng xử cấu trúc vật liệu trạng thái vi mơ có vai trò quan trọng khoa học vật liệu, đặc biệt với dạng vật liệu tổng hợp Phương pháp chụp ảnh cắt lớp ứng dụng rộng rãi phân tích cấu trúc kết cấu, vật liệu nhờ khả quan sát cấu trúc bên mẫu vật liệu Bài báo nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích ảnh chụp cắt lớp để xây dựng lại mơ hình 3D mẫu thử, quan sát thay đổi cấu trúc nhằm nghiên cứu chế phá hoại mẫu composite sợi ceramic tác dụng lực kéo dọc trục Đặt vấn đề Các nội dung nghiên cứu vi cấu trúc, ứng xử cấu trúc vật liệu tác dụng nguyên nhân bên ngoài: nhiệt độ, tải trọng, … thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới Các kết nghiên cứu chứng minh thành phần cấu trúc vật liệu có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu Phương pháp chụp ảnh cắt lớp áp dụng rộng rãi lĩnh vực khoa học vật liệu kết cấu, đặc biệt phương pháp kiểm tra không phá hủy, nhằm quan sát cấu trúc bên mẫu vật liệu nghiên cứu Nguyên lý phương pháp dựa vào khả đâm xuyên tia phóng xạ qua mẫu thử cho phép ta quan sát cấu trúc bên mẫu Các ảnh thu từ chụp cắt lớp thông thường dạng 2D Tập hợp ảnh trích xuất theo chiều sâu mẫu thử trình chụp ảnh cắt lớp dạng 2D cho phép ta nghiên cứu cấu trúc mẫu dạng 3D Trong phạm vi báo, tác giả đưa số nội dung tổng quan phương pháp nghiên cứu cấu trúc kết cấu từ phân tích ảnh chụp cắt lớp phương pháp xây dựng mơ hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp Ví dụ ứng dụng nghiên cứu chế phá hoại vật liệu composite dạng sợi ceramic Chụp ảnh cắt lớp Các phương pháp nghiên cứu vi cấu trúc vật Nguyên lý chụp ảnh cắp lớp: sử dụng ống phóng liệu dạng quan sát thơng thường nhiều hạn chế quan sát bề mặt (dạng chiều – tia xạ (tia X) chiếu qua mẫu chụp, ảnh phép chụp thu che có khoảng cách 2D) mà không quan sát cấu trúc bên kết cấu (dạng chiều – 3D) Do đó, với phương pháp nghiên cứu quan sát thơng thường, việc phân tích cấu trúc bên gặp nhiều khó khăn định L với mẫu chụp Khi qua mẫu, lượng chùm tia X bị suy yếu, mức độ suy giảm lượng tia X phụ thuộc vào loại vật liệu, mật độ vật liệu chiều dày lớp vật liệu mà tia X xuyên qua Màn che Mẫu chụp Máy chiếu L Hình Nguyên lý chụp ảnh cắt lớp Sau qua lớp vật liệu, ảnh thu che ảnh đen trắng với thang màu ghi, cường độ màu ghi ảnh thu có giá trị nằm khoảng 0-255 tương ứng với pha màu ảnh thay đổi từ đen – trắng Sự thay đổi cường độ Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 màu ghi ảnh thu phụ thuộc vào cường độ tia X thu che sau xuyên qua mẫu thử Nghĩa là, sau xuyên qua mẫu chụp, lượng tia xạ bị tổn thất trình đâm xuyên qua cấu trúc mẫu Sự thay đổi lượng tia X 23 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MÔI TRƯỜNG phản ánh qua cường độ màu ghi thu che Do đó, ảnh thu che phản ánh cấu trúc vùng vật liệu mà tia X xuyên qua Hiện nay, có phương pháp chụp ảnh cắt lớp thường gặp chụp ảnh cắt lớp thông thường chụp ảnh giao thoa cắt lớp - Trong phương pháp chụp ảnh cắt lớp thông thường (tomography), tương phản pha vật liệu thể dựa cường độ màu ghi thu ảnh Trên thực tế, lượng tia X bị tiêu hao không cấu trúc vật liệu, mà bị ảnh hưởng pha sóng xạ [4] Do đó, giá trị cường độ màu ghi ảnh chụp theo phương pháp thường chênh lệch khơng lớn (hình 2a) Phương pháp nhiều hạn chế, với loại vật liệu không đồng khoảng cách mẫu chụp với chiếu xa ảnh chụp thu được, tương phản pha thường gam màu ghi không phân biệt rõ nét, xuất vân nhiễu xạ, việc xác định thuật toán để loại bỏ vân nhiễu xạ gặp nhiều khó khăn khơng triệt để - Phương pháp chụp ảnh giao thoa cắt lớp (holotomography) sử dụng kết hợp nhiều khoảng cách phối hợp pha sóng xạ kỹ thuật phản pha công nghệ chụp ảnh nên thể tốt tương phản pha, hạn chế vân nhiễu xạ [4] Hình ảnh thu phương pháp thể gam màu chủ đạo đen trắng (hình 2b) Nhờ tương phản này, phép lọc xác định dễ dàng triệt để Kỹ thuật chụp ảnh giao thoa cắt lớp đặc biệt có hiệu dạng vật liệu có thay đổi nhỏ cấu trúc Phương pháp ứng dụng rộng rãi phương pháp xây dựng lại mơ hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp mẫu chụp Hình a) Ảnh chụp cắt lớp thông thường; b) Ảnh chụp giao thoa cắt lớp Tính chất ảnh chụp cắt lớp dạng 2D: ảnh chụp thu có thang màu ghi, đơn vị điểm ảnh (pixel) có giá trị màu ghi nằm khoảng từ – 255 Tùy theo mật độ cấu trúc khác vị trí mẫu thử, tốc độ thay đổi cấu trúc trình chịu tác dụng nguyên nhân bên mà màu ghi ảnh thu khác cường độ thay đổi cường độ màu Tính chất sở để phân tích cấu trúc vật liệu ảnh Sự tương phản pha phụ thuộc chủ yếu vào mật độ cấu trúc mẫu Ngồi tồn nguyên nhân khách quan dẫn đến tượng nhiễu xạ trình chụp ảnh làm ảnh hưởng đến tương phản như: khoảng cách từ mẫu chụp đến chiếu, môi trường, công nghệ,… 24 Xây dựng mơ hình 3D từ trích xuất ảnh chụp cắt lớp 2D Theo phân tích trên, sở phương pháp phân tích ảnh chụp cắt lớp dựa khác cường độ màu ghi pha vật liệu hình ảnh Các thuật tốn để xác định đối tượng nghiên cứu thường dựa vào thay đổi cường độ tốc độ thay đổi màu ghi pha ảnh 2D Nội dung phân tích xuất phát từ việc phân tích ảnh 2D Kết phân tích ảnh cho phép xác định đối tượng nghiên cứu pixel (đơn vị điểm ảnh sở) hình ảnh 2D, từ xây dựng phép lọc đối tượng theo chiều sâu mẫu chụp theo phương đâm xuyên tia X điểm ảnh sở để xác định đối tượng nghiên cứu theo phương Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 VẬT LIỆU XÂY DỰNG - MƠI TRƯỜNG lại Việc phân tích cho phép xây dựng mơ hình 3D mẫu thí nghiệm Giả sử ảnh 2D nghiên cứu đặt mặt phẳng xOy, điểm ảnh mặt phẳng gọi pixel có giá trị cường độ màu ghi, phản ánh tính chất cấu trúc vật liệu mà tia X qua Tập hợp ảnh trích xuất theo chiều dày mẫu dạng 2D xếp chồng lên (theo trục Oz) cho ta dạng hình ảnh 3D (hình 3) Theo trục Oz, ảnh 2D xếp chồng tương ứng với đơn vị pixel Vì vậy, hình ảnh 3D thực chất ảnh 2D có độ dày pixel xếp chồng lên Đơn vị điểm ảnh hình ảnh 3D gọi Voxel Tương tự hình ảnh 2D, Voxel hình ảnh 3D tồn giá trị cường độ màu ghi Bản chất phép phân tích ảnh xây dựng thuật toán nhằm lọc đối tượng nghiên cứu dựa vào cấp độ màu điểm ảnh Thuật toán xây dựng cần thỏa mãn yêu cầu loại bỏ đại lượng không thuộc phạm vi nghiên cứu (gọi vân nhiễu xạ) xuất ảnh chụp Các nguyên nhân chủ yếu gây vân nhiễu xạ ảnh hưởng pha sóng xạ lỗi cấu trúc vật liệu Ngoài nhiều ngun nhân khác: bụi, cơng nghệ,…Việc loại bỏ hồn tồn vân nhiễu xạ thực tế có nhiều khó khăn Do đó, phạm vi nghiên cứu cụ thể, tác giả thường xác định số nguyên nhân chủ yếu gây tượng nhiễu xạ tìm cách loại bỏ ảnh hưởng chúng Với vân nhiễu xạ khác có mức độ ảnh hưởng không nhiều điến kết phân tích thường chấp nhận yếu tố khách quan trình làm thực nghiệm Màn che Voxel z Máy chiếu 3D y x O O Mẫu chụp y x L1 L2 L3 2D Pixel Hình Đơn vị điểm ảnh ảnh chiều L4 Hình Phương pháp giá trị trung bình - Phương pháp lọc vân nhiễu xạ xuất ảnh hưởng pha sóng xạ: Vì ảnh thu chiếu đặt vị trí có khoảng cách định mẫu chụp, nên với vị trí - Phương pháp lọc vân nhiễu xạ xuất lỗi cấu trúc bên vật liệu: Thực tế lỗi thường lỗ rỗng bên cấu trúc Với vật liệu tổng hợp có cốt liệu lớn dạng bê tơng, lỗ rỗng chiếu khác nhau, hình ảnh thu có mức độ suy giảm lượng tia X khác nhau, điều gây lớn, việc phân biệt vùng có lỗ rỗng ảnh thực dễ dàng Ngược lại, với vật liệu chất lượng hình ảnh thu khác Việc loại bỏ vân nhiễu xạ áp dụng phương pháp tổng hợp có thành phần cốt liệu nhỏ, lỗ rỗng thường bé, vùng có lỗ rỗng chênh giá trị trung bình cách đặt chiếu nhiều vị trí khác để thu hình ảnh vị trí khác Q trình phân tích ta sử dụng giá trị trung bình cấp độ màu ghi đơn vị điểm ảnh loại bỏ ảnh hưởng yếu tố khoảng cách che Ngoài ra, cường độ màu ghi pha khơng chênh lệch nhiều đó, việc sử dụng ảnh chụp thông thường kết phép lọc thực không triệt để Hiện tượng khắc phục cách kết hợp phân tích phương pháp chụp cắt lớp thông thường chụp giao thoa cắt lớp dựa tính chất phản xạ pha ảnh chụp giao thoa cắt lớp Đây tính chất cho phép ta xây dựng thuật toán lọc dễ dàng triệt để lệch pha ghi hình ảnh thu khơng lớn, nên việc phân tích ảnh chụp cắt lớp thơng thường gặp nhiều khó khăn vân nhiễu xạ dạng Thông thường phép lọc xây dựng vào tốc độ thay đổi cường độ màu pha ảnh để phản ánh vùng vật liệu bên mẫu Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 - Ngồi ra, q trình thí nghiệm thường xuất vân nhiễu xạ tính chất chế ứng xử mẫu vật liệu Việc loại bỏ vân nhiễu xạ phải vào nhiệm vụ nghiên cứu chế loại mẫu vật liệu thí nghiệm để xây dựng thuật toán phù hợp 25 ... trúc Phương pháp ứng dụng rộng rãi phương pháp xây dựng lại mơ hình 3D từ ảnh chụp cắt lớp mẫu chụp Hình a) Ảnh chụp cắt lớp thông thường; b) Ảnh chụp giao thoa cắt lớp Tính chất ảnh chụp cắt lớp. .. thường gặp chụp ảnh cắt lớp thông thường chụp ảnh giao thoa cắt lớp - Trong phương pháp chụp ảnh cắt lớp thông thường (tomography), tương phản pha vật liệu thể dựa cường độ màu ghi thu ảnh Trên... để Hiện tượng khắc phục cách kết hợp phân tích phương pháp chụp cắt lớp thông thường chụp giao thoa cắt lớp dựa tính chất phản xạ pha ảnh chụp giao thoa cắt lớp Đây tính chất cho phép ta xây dựng