[发明专利]基于三维随机重构的无机非金属材料性能分析方法

说明书

本发明公开了一种基于三维随机重构的无机非金属材料性能分析方法。该方法是在无机非金属材料分析常用手段‑‑电子显微镜的基础上，通过连续多次不同深度的扫描，获得所有截面的二维图像，再将二维图像处理成晶体成分特征矩阵，多个二维晶体成分特征矩阵进行重构，生成三维晶体特征矩阵，同时提取晶体成分特征，形成特征库，为进一步的三维随机重构做准备；基于特征库，对三维晶体特征矩阵随机重构，形成新的矩阵，并转化为有限元软件的输入文件，最后进行计算分析，得到无机非金属材料的性能参数。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种基于三维随机重构的无机非金属材料性能分析方法。

背景技术

无机非金属材料，是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。大多数无机非金属材料的性能都是由组成元素微观结构和形态分布决定的，最常用的手段是通过电子显微镜来获取材料表面的微观组织图像，再通过图像中的信息分析其结构特性，从而推断材料的性能。这种方案具有很大局限性，只能获取一个平面上的信息。实际上，无机非金属材料中不同成分晶体是呈三维分布的，不同深度层的电子显微镜图像会存在差异。所以，想要获得准确的无机非金属材料特性，就必须以三维微观组织为基础进行分析。

在工程实际中，要想获得无机非金属材料的理想性能，往往需要通过不断的调整无机非金属材料组成元素的配比、工艺等参数，进行大量的原材料试验，才能得到近似满足要求的材料。在这个过程中需要耗费大量的人力、物力成本，而且时间周期很长，通过分析电子显微镜得到二维图像也存在较大的误差，最后还存在试验失败的风险。因此，如何能快速、准确地对无机非金属材料进行性能分析就显得非常有必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于三维随机重构的无机非金属材料性能分析方法，可以通过对某一无机非金属材料电子显微镜得到多张不同深度的二维图像进行处理，得到二维结构参数，再通过二维结构参数进行三维重构，得到三维参数。通过三维结构参数在有限元软件中进行微观建模，最后通过计算分析，得到无机非金属材料的性能参数。

通过基于无机非金属材料中不同成分晶体的特性，对试验获得的三维结构参数进行随机重构，就能得到大量的无机非金属材料三维结构参数样本，逐一进行有限元计算分析，从而可以不需要进行大量试验就能得到不同结构无机非金属材料的性能参数。

为实现上述目的，本发明提供一种基于三维随机重构的无机非金属材料性能分析方法，该方法是在无机非金属材料分析常用手段即电子显微镜的基础上，通过连续多次不同深度的扫描，获得所有截面的二维图像；再将二维图像处理成晶体成分特征矩阵，多个二维晶体成分特征矩阵进行重构，生成三维晶体特征矩阵；同时提取晶体成分特征，形成特征库，为进一步的三维随机重构做准备；基于特征库，对三维晶体特征矩阵随机重构，形成新的矩阵，并转化为有限元软件的输入文件，最后进行计算分析，得到无机非金属材料的性能参数。

作为优选方案，主要步骤包括：

1)二维图像获取。通过电子显微镜获得无机非金属材料的连续不同深度的二维图像，每一层的深度相同，采样区域保持固定不变，图像尺寸大小为X×Y像素，共采集n次。

2)二维图像参数化。对获取的二维图像进行处理，将基材的颜色去除，同时不同成分的晶体设定不同的颜色，通过MATLAB读取图像文件，获取RGB值，建立晶体成分与RGB值的映射关系，通过RGB值生成二维矩阵，大小为X×Y。对晶体成分赋值。基材的晶体赋值0，晶体成分1赋值1，晶体成分2赋值2，依次类推，晶体成分i赋值i。

3)三维重构。将每一个X×Y大小的二维晶体成分矩阵转化为新三维矩阵中的一层，形成X×Y×n的三维矩阵。此矩阵中的每一个数值i代表一个无机非金属材料单元，其大小为单个像素高度×单个像素宽度×取样深度。