光学材料学第2部分:图像分析

从材料的内部三维结构中获得的形态信息可以通过应用材料学技术获得，即对精心挑选的二维截面进行统计分析的技术，以光学显微镜图像。

材料中的孔隙度，即开放空间（非原子所占）材料体积的一小部分，可以确定其机械、电气、光学特性，并直接影响通过它进行的大规模运输（其渗透性）。孔隙度作为体积分数可以显示为统计上等效于具有代表性的二维切片中的空隙的面积分数或点分数:

[1]

[2]

其中_{A A}是空隙区域，按总图像区域归化，P_P同样是虚空点数除以总探针点。括号表示多个样本的平均值。

平均晶粒大小，即多晶材料中晶体颗粒的平均横向尺寸，可以通过测量平均截取颗粒尺寸 G 进行量化，G 可以通过在微结构图像上叠加测试线来确定:

[3]

其中 I_L是测试线之间的交点数（参见图 2）和单位测试线长度的颗粒边界。对于高孔隙度材料，G 可以通过:

[4]

最后，通过考虑材料学技术测量的孔隙度，可以计算出材料的有效密度。这种有效密度考虑了材料中孔隙的体积，而"密度"可能只指非多孔区域（取决于测量方法）。这种有效密度的材料可以使用:

[5]

其中孔隙度可以通过 p> 或 A> 。

在图 1 中，我们看到多孔材料的横截面，其上叠加有网格。交点可用于确定 _p>。位于暗区域（孔）上的交点数除以获取 P_p的交点总数，并通过收集多个图像中的 P_p值，得出 _p>。

图1:具有叠加网格的材质图像。网格上的交点用于分析。

图 2: 使用 a） 0、b） 30、c） 60 和 d） 90 度方向的线进行颗粒尺寸测量。颗粒在形状上显然是各向异性（一个方向比另一个方向长）。这种各向异性产生于在加工过程中对样品作用的非均匀力，通过这些力，颗粒被"挤压"。

图像 ID	孔隙区的测试点	总计否。测试点	PP P	P>
				Avg.	*
P1	32	100	0.32	29	1.77
P2	29	100	0.29
P3	22	100	0.22
P4	37	100	0.37
P5	24	100	0.24
P6	30	100	0.30

表 1.孔隙度测量。

Id	探头 L（毫米）		水平（径向或环）					垂直（轴）
			Ⅰ	IL	L>		G	Ⅰ	IL	L>		G
					Avg。	·*
										Avg。	*
SL1	0.9		16	17.7	18.1	0.68	0.05 毫米	3	3.33	3.7	0.31	0.27 毫米
SL2	0.9		14	15.5				2	2.22
SL3	0.9		18	20				4	4.44
SL4	0.9		16	17.7				3	3.33
SL5	0.9		15	16.7				5	5.56
SL6	0.9	19		21.1				3	3.33

表2.使用直线探头拦截测量。

*: * 是采样错误。假设置信度为 95%，则采样误差可通过以下公式进行估计:

N:样本数

x_i: i 样本

*:样本平均值

平均位于 [+- ] 范围内的概率为 95%。采样误差可用作确定两个平均值之间的差异是否显著（例如，垂直线探头和水平线探头估计的 I_L平均值之间的差值）

这些是分析材料中二维截面以提取三维信息的标准方法。我们专门研究了估算一种材料中孔的体积分数和二种材料的平均颗粒大小。

此处描述的材料学样本制备是使用二维信息分析三维材料内部微观结构的必要的第一步。例如，人们可能有兴趣了解膜材料的多孔性，因为这会影响其气体梨的可利用性。对二维横截面空隙结构的分析将有力地指示实际 3D 结构中的孔隙度（前提是采样统计数据较高）。另一个应用是分析油管合金中多晶谷物的取向。方向分布函数（ODF）与管道的轴向和横向机械强度直接相关，因此我们的样品制备过程是这种分析的重要组成部分。